CN108258702B - 一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法，涉及大规模新能源发电中并网换流器运行与控制领域，是一种抑制线路对地分布电容引起的系统谐振特性恶化的并网换流器谐振阻尼技术。本发明是一种基于前向通路附加数字滤波阻尼的并网换流器的控制方法，即在常规控制电路中，加入数字滤波器。该数字滤波阻尼环节为一种低通滤波器，优选为三阶低通滤波器，其截止频率设置的较低时，可对高频信号进行较大程度的衰减，因此截止频率为400Hz~610Hz时，系统的谐振尖峰幅度被抵消，系统谐振得到抑制。本发明在实际数字控制中离散化简单，极大减少了系统计算量，且无需额外的传感器，不会产生额外的功率损耗；具有较强的鲁棒性和良好的动态响应。

Description

一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法

技术领域

本发明涉及大规模新能源发电中并网换流器运行与控制领域，具体为一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法，是一种抑制线路对地分布电容引起的系统谐振特性恶化的并网换流器谐振阻尼技术。

背景技术

目前，由于能源紧缺的形势日益严峻，光伏、风电等新能源技术得到了迅猛发展。大规模的可再生能源并网发电能够在一定程度上有效减少资源投资与环境污染。但当输电线路送出线较长时，线路较大对地电容和电感的相互作用可能会产生一系列的谐振尖峰，加之原有系统中LCL型滤波器的使用，使系统的谐振机理更加复杂，造成系统的不稳定。所以有必要深入研究输电线路分布电容对系统谐振特性的影响及相应的谐振阻尼技术。

对于并网换流器谐振抑制技术，现有的研究主要考虑LCL滤波器引起的谐波谐振问题，并未考虑线路分布电容的影响。有学者对LCL滤波器引起的谐振采用了基于附加变量反馈的谐振阻尼技术，通过采样滤波电容电流作为指令进行有源阻尼，但由于输电线路的内部参数无法采样而不能进行有效阻尼。有学者分析了电缆对地电容对系统谐振特性的影响，却未提出相应的谐振阻尼技术。有学者采用控制前向通路级联陷波器的方法，但在实际数字控制陷波器离散化困难，大大增加了系统计算量，且陷波频率对系统参数较为敏感，系统参数的变化极可能引起陷波阻尼效果的削弱甚至失效。为确保并网系统的稳定性，因此亟待提出一种换流器谐振阻尼技术有效抑制线路分布参数造成的系统谐振特性恶化问题。

基于远距离输电的分布式并网发电系统拓扑结构如图1所示，大规模的可再生能源发电系统通过几十台甚至上百台换流器并网，形成了多换流器并联入网的系统结构；系统采用LCL型逆变器来降低并网电流的谐波畸变率；各并网换流器通过箱式变压器T1连接到公共母线，经主变压器T2二次升压经由高压交流输电线路传输电能至电网供电。输电线路的分布参数等效模型如图2所示，其中l为输电线路长度，R_u、L_u、G_u、C_u分别为单位长度线路等效电阻、电感、电导和分布电容，V_in、I_in分别表示入端电压和电流，据此可得到等效入端阻抗Z_line。如图3所示，当线路末端短路时，等效入端阻抗Z_line在线路分布电容和等效电感的作用下，随频率的增加交替地呈容性或感性，使其特性曲线存在多个谐振尖峰，呈现明显的谐振特性；此外，计及传输线路的集肤效应，较高频谐振点的谐振峰值出现小幅降低，线路的等效电阻起到一定的谐振抑制效果。图4为并网换流器的控制框图，系统通过采样网侧电流，经电流调节器实时控制并网电流，实现能量快速馈入电网。入网电流到并网换流器的输出电压传递函数G_inv→i2在不同等效线路阻抗下的幅频特性如图5所示，可看出：当线路阻抗等效为电抗L_line时，系统仅出现一个由LCL滤波器引起的谐振尖峰，线路等效电抗的大小会使谐振频率点发生偏移；当线路阻抗等效为Z_line时，其特性曲线从单一的谐振峰变为多个谐振峰，且第一个谐振峰的谐振频率低于传统模型下的谐振频率，输电线路对地分布电容对并网谐振的影响不容忽视。当考虑逆变器的控制时，系统的开环传递函数G_open1＝G_iG_invG_inv→i2；所对应的幅频特性如图6所示。由图见：系统前三个谐振峰的幅值均在0dB以上，谐振频率依次为1022Hz、1710Hz及3050Hz。图7、图8和图9为G_open1在多种线路参数波动情况下的幅值特性，线路电感或电容的波动均会导致谐振频率点的偏移，使系统谐振特性发生变化；当单位长度等效电感或电容增大时，系统谐振点的谐振频率均有所降低；反之，谐振频率均升高。电感和电容的同时变化会使谐振频率偏移情况更加突出，可看出：线路电感和电容均减少20％时，系统前两个主谐振峰的谐振频率分别从1022Hz和1710Hz升高至1104Hz和2018Hz。当二者均增加20％时，谐振频率分别降为950Hz和1550Hz。

发明内容

本发明为了解决线路分布参数造成的系统谐振特性恶化问题，提供了一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法，包括如下步骤：

①检测并采集并网点三相电压U_a、U_b、U_c以及注入电网三相电流I_a、I_b、I_c；检测网侧三相电压U_sa、U_sb、U_sc以及网侧三相电流I_sa、I_sb、I_sc；

②将并网点三相电压U_a、U_b、U_c输入abc/dq0模块，得到并网点电压d、q轴分量U_d和U_q；

③将注入电网三相电流I_a、I_b、I_c输入abc/dq0模块，得到并网点电流d、q轴分量i_d和i_q；

④给定并网有功功率P_ref，并网无功功率Q_ref；

⑤经过功率外环控制计算此时电流有功参考值电流无功参考值

⑥经过电流内环并网电流PI调节器计算并网点电压d、q轴分量其中，K_p、K_i为各部分所对应的PI参数；

⑦将d、q、0轴分量U’_d、U’_q及U’₀＝0输入dq0/abc模块，得到并网点电压a、b、c轴分量U’_a、U’_b、U’_c；

⑧将数字滤波器阻尼环节G_f(s)级联在控制回路中，所述数字滤波器为三阶低通滤波器，再将上述计算得出的a、b、c轴分量U’_a、U’_b、U’_c经过该阻尼环节G_f(s)，阻尼环节如下：

其中D为阻尼系数；ω_f为截止频率，400Hz≤ω_f≤610Hz；

⑨再将上述计算结果经过逆变桥传递函数G_inv和入网电流到并网换流器的输出电压传递函数得到换流器三相调制波a、b、c轴分量U_am、U_bm、U_cm，其中

其中K_pwm为逆变器的等效增益，为调制波幅值与载波幅值之比，T_s为系统开关周期；

其中，Z₁、Z_c和Z₂分别为逆变侧电感L₁、滤波电容C和网侧电感L₂阻抗值，Z_l为变压器等效漏感，Z_line为线路入端阻抗；

⑩将a、b、c轴分量U_am、U_bm、U_cm，输入matlab的PWM脉冲发生器PWM Generator得到控制逆变器输出的PWM脉冲信号，最终实现对并网换流器输出功率的控制。

本发明针对计及线路分布电容的系统多谐振问题，在常规控制系统中采用了一种前向通路串联数字滤波器的有源阻尼方法，即通过在系统原有控制回路中级联一个滤波环节，从而有效抑制并网系统的多谐振尖峰。如图10所示，为基于前向通路附加数字滤波器阻尼的控制框图。常规操作中，数字滤波环节G_f(s)可以为低通滤波器和陷波器，二者均可使谐振尖峰在一定程度上衰减，但是考虑到线路参数的波动会引起谐振频率点偏移，前向通路附加陷波器会使其存在阻尼失效、离散化困难、计算量大等问题，因此本发明采用基于低通滤波器的谐振抑制策略，通过合理设置低通滤波器的阶数和截止频率，从而有效地抑制系统的谐振现象。

低通滤波器按照阶数的不同分为一阶、二阶及高阶低通滤波器。高阶低通滤波器由一阶、二阶低通滤波器组合实现。当截止频率ω_f相同时，在某一特定频率f(f>ω_f)处，高阶低通滤波器的衰减幅度大于二阶低通滤波器，且随着f增大，衰减差逐步扩大，因而可以更快地削减高频信号。高阶低通滤波器阶数越高，其所设计的截止频率值可适当增加，有利于提高系统的动态响应和低频增益；但过高的阶数又会增加滤波电路损耗和系统控制复杂度。基于阶数和截止频率的折中考虑，本发明采用三阶低通滤波器作为抑制谐振的有效阻尼策略，其滤波器结构如下式所示，式中D为阻尼系数，ω_f为截止频率：

针对系统在无阻尼情况下的谐振特性曲线，选取合适的低通滤波器的截止频率。对于固定阶数的高阶低通滤波器而言，截止频率的设置值越低，其对高频信号的衰减程度越大。增加阻尼环节后的系统开环传递函数为G_open＝G_iG_LPF3G_invG_inv-i2。对比分析三阶低通滤波器在不同截止频率800Hz、600Hz及400Hz时的幅频特性，如图11所示，从图中可知，当截止频率ω_f>610Hz时，无法完全消除系统主谐振峰的峰值，系统谐振现象仍存在；而当截止频率ω_f为400Hz～610Hz区间内时，系统的谐振尖峰幅度被抵消，系统谐振得到抑制。

优选的，考虑到截止频率过低对系统动态响应的不良影响，其截止频率的优选范围为590Hz-610Hz。

优选的，考虑到动态响应和阻尼效果，阻尼系数D取0.707。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)远距离输电线路送出线较长，线路分布电容较大而不能忽视，当与线路电感相互作用时可能导致系统发生谐振。相比于仅考虑LCL型滤波器谐振特性的传统换流器谐振抑制方法，本发明设计的引入高阶低通滤波器的光伏并网逆变器谐振阻尼技术，可以有效抑制输电线路分布电容导致的系统谐振特性恶化现象；

(2)相对于现有技术，本发明在实际数字控制中离散化简单，极大减少了系统计算量，且无需额外的传感器，不会产生额外的功率损耗；

(3)本发明所提技术针对外界环境变化引起的输电线路参数波动，从而导致系统的谐振特性偏移问题亦具有较强的鲁棒性和良好的动态响应。

附图说明

图1是本发明所涉及的基于远距离输电的分布式并网发电系统拓扑结构。

图2是本发明所涉及的输电线路分布参数等值模型。

图3是本发明所涉及的线路末端短路的阻抗幅频特性。

图4是本发明所涉及的并网换流器控制框图。

图5是本发明所涉及的G_inv-i2在不同等效线路阻抗下的幅频特性。

图6是背景技术所涉及的开环传递函数G_open1＝G_iG_invG_inv-i2的幅频特性。

图7是背景技术所涉及的G_open1在电感波动情况下的幅值特性。

图8是背景技术所涉及的G_open1在电容波动情况下的幅值特性。

图9是背景技术所涉及的G_open1在电感和电容同时波动情况下的幅值特性。

图10是本发明所涉及的基于前向通路附加数字滤波器阻尼的系统控制框图。

图11是本发明所涉及的高阶低通滤波器在不同截止频率ω_f下的幅频特性。

图12是本发明所涉及的采取阻尼环节后的系统开环传递函数G_open幅频特性。

图13是本发明所涉及的无阻尼时并网电流波形。

图14是本发明所涉及的采取阻尼策略后的并网电流波形。

图15是本发明所涉及的基于线路参数变化的谐振抑制前的系统仿真波形。

图16是本发明所涉及的基于线路参数变化的谐振抑制后的系统仿真波形。

图17是本发明所涉及的系统半载到满载的系统动态响应仿真结果。

图18是本发明所涉及的系统满载到半载的系统动态响应仿真结果。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法，包括如下步骤：

①检测并采集并网点三相电压U_a、U_b、U_c以及注入电网三相电流I_a、I_b、I_c；检测网侧三相电压U_sa、U_sb、U_sc以及网侧三相电流I_sa、I_sb、I_sc；

②将并网点三相电压U_a、U_b、U_c输入abc/dq0模块，得到并网点电压d、q轴分量U_d和U_q；

③将注入电网三相电流I_a、I_b、I_c输入abc/dq0模块，得到并网点电流d、q轴分量i_d和i_q；

④给定并网有功功率P_ref，并网无功功率Q_ref；

⑤经过功率外环控制计算此时电流有功参考值电流无功参考值

⑥计算出的电流经过电流内环并网电流PI调节器计算并网点电压d、q轴分量其中，K_p、K_i为各部分所对应的PI参数；

⑦将d、q、0轴分量U’_d、U’_q及U’₀＝0输入dq0/abc模块，得到并网点电压a、b、c轴分量U’_a、U’_b、U’_c；

⑧将数字滤波器阻尼环节G_f(s)级联在控制回路中，所述数字滤波器为三阶低通滤波器，再将上述计算得出的a、b、c轴分量U’_a、U’_b、U’_c经过该阻尼环节G_f(s)，阻尼环节如下：

其中D为阻尼系数；ω_f为截止频率，400Hz≤ω_f≤610Hz；

⑨再将上述计算结果经过逆变桥传递函数G_inv和入网电流到并网换流器的输出电压传递函数得到换流器三相调制波a、b、c轴分量U_am、U_bm、U_cm，其中

其中K_pwm为逆变器的等效增益，为调制波幅值与载波幅值之比，T_s为系统开关周期；

其中，Z₁、Z_c和Z₂分别为逆变侧电感L₁、滤波电容C和网侧电感L₂阻抗值，Z_l为变压器等效漏感，Z_line为线路入端阻抗；

⑩将a、b、c轴分量U_am、U_bm、U_cm，输入matlab的PWM脉冲发生器PWM Generator得到控制逆变器输出的PWM脉冲信号，最终实现对并网换流器输出功率的控制。

本实施例在MATLAB/Plecs中搭建系统仿真模型，如图2所示，采用7个π型等值电路级联的形式模拟输电线路分布参数，且控制框图如图10所示。同时采用了优选方案，截止频率ω_f的范围是590Hz～610Hz，具体取值为600Hz；开关周期T_s＝0.0001s，即开关频率为10KHz；阻尼系数D＝0.707。对比分析有无阻尼环节、线路参数波动、系统并网功率突变三种情形下的系统并网情况，分析如下：

图11为高阶低通滤波器在不同截止频率ω_f下的幅频特性。可看出：当截止频率ω_f>610Hz时，无法完全消除系统主谐振峰的峰值；当截止频率ω_f为400Hz时，可以完全抵消系统的谐振峰值，但过低的截止频率会影响系统的动态响应和低频增益；当选取截止频率为600Hz时，系统的谐振尖峰可以得到有效抑制，同时又避免了系统的动态响应受到影响，具有很好的抑制效果。

图12为开环传递函数G_open在不同线路参数下的幅值特性，考虑阻尼后的系统开环传递函数为G_open＝G_iG_LPF3G_invG_inv→i2。由图见：当线路参数为原有参数时，系统的各个谐振峰峰值均阻尼到0dB以下，系统谐振消失，处于稳定情况；考虑线路波动的最恶劣情况，线路电容电感参数分布均增大20％，各谐振峰幅值仍在0dB以下，本发明提出的阻尼技术依然有效。

如图13所示，在无阻尼情况下进行系统仿真，从并网电流波形可以看出系统发生谐振，导致入网电流发生畸变，其频谱分析波形呈现多个谐振峰，其主要谐振点频率分别位为1000Hz和1700Hz附近，与图6理论分析结果相吻合。

图14为采用低通滤波阻尼后的系统仿真波形及频谱分析结果。可看出：入网电流各次谐波含量大幅度降低，系统谐振得到抑制，电流波形呈现标准的正弦波形，其谐波畸变率THD降至0.22％，很好地满足了并网标准，仿真验证了阻尼策略的有效性。

图15和图16为输电线路单位长度等效电感及电容均增加20％的系统仿真情况。可看出：未进行谐振抑制时，图15中入网电流波形震荡，系统处于不稳定情况，其FFT频谱图显示系统谐振频率分别从1000Hz和1700Hz降为950Hz和1550Hz，验证了系统谐振频率随着电感电容的增大而降低。图16采用本发明所提的阻尼技术后，入网电流总谐波畸变率THD为0.5％，小于5％，满足并网标准，验证了该阻尼策略针对线路参数的波动具有一定的强鲁棒性。

图17和图18表示系统动态响应仿真结果：0-0.4s为初始条件，系统初始状态处于满载(P_ref为20000W、Q_ref为0Var)或半载(P_ref为10000W、Q_ref为0Var)；在0.4s时系统并网功率发生变化(满载变化为半载、半载变为满载)，仿真结果可看出：仅经过0.01s后并网电流即可以达到新的稳定状态，具有良好的动态响应。

从上述分析中可以看出，计及输电线路分布电容的加入了三阶低通滤波器的并网换流器控制方法，有效的抑制了谐振尖峰，满足了并网的要求，具有一定的鲁棒性，而且还具有良好的动态响应。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施例，对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：

①检测并采集并网点三相电压U_a、U_b、U_c以及注入电网三相电流I_a、I_b、I_c；检测网侧三相电压U_sa、U_sb、U_sc以及网侧三相电流I_sa、I_sb、I_sc；

②将并网点三相电压U_a、U_b、U_c输入abc/dq0模块，得到并网点电压d、q轴分量U_d和U_q；

③将注入电网三相电流I_a、I_b、I_c输入abc/dq0模块，得到并网点电流d、q轴分量i_d和i_q；

④给定并网有功功率P_ref，并网无功功率Q_ref；

⑤经过功率外环控制计算此时电流有功参考值电流无功参考值

⑥计算出的电流经过电流内环并网电流PI调节器计算并网点电压d、q轴分量其中，K_p、K_i为各部分所对应的PI参数；

⑦将d、q、0轴分量U’_d、U’_q及U’₀＝0输入dq0/abc模块，得到并网点电压a、b、c轴分量U’_a、U’_b、U’_c；

⑧将数字滤波器阻尼环节G_f(s)级联在控制回路中，所述数字滤波器为三阶低通滤波器，再将上述计算得出的a、b、c轴分量U’_a、U’_b、U’_c经过该阻尼环节G_f(s)，阻尼环节如下：

其中D为阻尼系数；ω_f为截止频率，400Hz≤ω_f≤610Hz；

⑨再将上述计算结果经过逆变桥传递函数G_inv和入网电流到并网换流器的输出电压传递函数得到换流器三相调制波a、b、c轴分量U_am、U_bm、U_cm，其中

其中K_pwm为逆变器的等效增益，为调制波幅值与载波幅值之比，T_s为系统开关周期；

其中，Z₁、Z_c和Z₂分别为逆变侧电感L₁、滤波电容C和网侧电感L₂阻抗值，Z_l为变压器等效漏感，Z_line为线路入端阻抗；

⑩将a、b、c轴分量U_am、U_bm、U_cm，输入matlab的PWM脉冲发生器PWM Generator得到控制逆变器输出的PWM脉冲信号，最终实现对并网换流器输出功率的控制。

2.根据权利要求1所述的一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法，其特征在于：所述截止频率ω_f的范围是590Hz～610Hz。

3.根据权利要求1所述的一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法，其特征在于：所述开关周期T_s＝0.0001s。

4.根据权利要求1所述的一种计及输电线路分布电容的并网换流器谐振抑制方法，其特征在于：所述阻尼系数D＝0.707。