CN108390381B - 统一阻抗适配器系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种统一阻抗适配器的控制方法。本发明所述控制方法包括：分别对串、并联阻抗适配器进行电压、电流采样；串、并联型阻抗适配器实现方式是分别设定虚拟谐波阻抗得到虚拟谐波电压指令值和虚拟谐波电流指令值，分别经过控制器得到PWM调制波，实现对指令值得无差跟踪。本发明能够对并网系统与电网阻抗实现完全解耦，比并联型阻抗适配器抑制系统谐波和谐波放大的效果更为明显，并且统一阻抗适配器系统串联部分可以更好地抑制谐波电压源激励下的串联谐振，而并联部分对于谐波电流源激励下的并联谐振效果更为显著。仿真对比证明本发明具有明显的优越性。
Description
技术领域
本发明涉及一种串联和并联相结合的统一阻抗适配器系统的控制方法。
背景技术
随着以光伏和风电为代表的可再生能源并网发电系统的装机规模越来越大，由于电网阻抗的存在，并网发电系统与电网之间会产生交互谐振现象。同时并网发电系统的谐波由于众多并联逆变器的存在而变得更加复杂，更容易激起系统中的谐波震荡，造成谐波放大，导致系统不稳定问题。故而探索用更有效的形式和方法来从全局上对并网发电系统的谐振进行有效抑制是具有十分重要的研究价值。阻抗适配器通过对系统阻抗进行适配从系统级的角度对谐波进行抑制。
目前，已有多篇国内外学术论文进行分析并提出解决方案，例如：
文献1《He J,Li Y W,Bosnjak D,et al.Investigation and active damping ofmultiple resonances in a parallel-inverter-based microgrid[J].PowerElectronics,IEEE Transactions on,2013,28(1):234-246.》(《基于并联逆变器的微电网多谐振的与主动阻尼研究》——2013年IEEE电力电子期刊)；
文献2《Li F,Zhang X,Zhu H,et al.Harmonic reduction through resistiveand inductive harmonic impedance[C].Electrical Machines and Systems(ICEMS),2014 17th International Conference on.IEEE,2014:1385-1388.》(《通过电阻和电感谐波阻抗降低谐波》——2014年IEEE第17次国际会议论文集)；
文献3《提高LCL型并网逆变器对电网阻抗鲁棒性的阻抗调节方法》(中国电机工程学报,2015,35,179-204.)；
文献4《提高LCL型并网逆变器对弱电网适应能力的虚拟阻抗方法》(中国电机工程学报[J],2014,15(34):2327-2335)；
文献5《Cespedes M,Sun J.Impedance shaping of three-phase grid-parallelvoltage-source converters[C].Applied Power Electronics Conference andExposition(APEC),2012:754-760.》(《三相电网并联电压源型逆变器的阻抗塑造》——2012年APEC会议论文集)；
文献6《Wang X,Blaabjerg F,Liserre M.An active damper to suppressmultiple resonances with unknown frequencies[J].IEEE Press,2014:2184-2191.》(《阻抗适配器抑制多个未知频率的的共振》——2014年IEEE出版论文集)；
文献7《Wang X,Blaabjerg F,Liserre M,et al.An active damper forstabilizing powerelectronics-based AC systems[J].Power Electronics,IEEETransactions on,2014,29(7):3318-3329.》(《用于稳定交流电力系统的阻抗适配器》——2014年IEEE电力电子期刊)；
文献8《Wang X,Pang Y,Loh P C,et al.ASeries-LC-Filtered Active Damperwith Grid Disturbance Rejection for AC Power-Electronic-Based Power Systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(8):4037-4041.》(《基于交流电力系统具有电网抗扰性能的串联LC滤波阻抗适配器》——2014年IEEE电力电子期刊)。
在上述研究文献中，文献1提出全局阻抗适配器的方法，即将一个电力电子变换器作用于并网发电系统的并网点上，通过控制变换器虚拟出一个谐波电阻，实现对电网阻抗的重塑，增加系统的稳定性。文献2提出了一种新的电阻和电感串联谐波阻抗，相比于电阻谐波阻抗，该方法的谐波抑制能力更强。文献3提出了一种在公共耦合点并联RC支路的电网阻抗调节方法，该方法能够确保并网逆变器适应电网阻抗宽范围变化，使调整后的电网阻抗与并网逆变器的输出阻抗始终满足基于阻抗的稳定性判据。文献4通过虚拟阻抗增加输出阻抗的校正自由度，采用虚拟的并联阻抗和串联阻抗分别对逆变器输出阻抗的模值和相位进行校正，可以同时兼顾鲁棒性和抗扰性能的要求。文献5提出阻抗重塑的概念实现对系统谐振的抑制，并在此基础上研究了逆变器控制性能对抑制效果的影响，在电网兼容性和逆变器控制性能之间取了折衷。文献6提出使用阻抗适配器来抑制多个频率未知的谐振。文献7对比分析了阻抗适配器的两种控制方案，使用直接谐振电压补偿方法简化了对谐振频率处电阻值的控制过程。文献8提出使用带有LC串联滤波器的小功率逆变器来实现阻抗适配器，增加串联滤波器的电容值有助于承受大部分系统电压，因此降低了阻抗适配器所需的直流侧电压。
通过对以上文献的研究，我们认为现有技术还存在以下问题：
(1)并联型阻抗适配器实现了对电网阻抗的重塑，但并没有实现高渗透并网发电系统与电网阻抗之间的完全解耦；
(2)上述研究的阻抗适配器仅仅限于并联形式，没有考虑其他形式的阻抗适配器对发电系统的谐波抑制效果。
发明内容
本发明的目的，是采用串联和并联相结合的统一阻抗适配器对并网点阻抗进行适配，实现并网发电系统与电网阻抗之间的完全解耦，抑制系统的谐波，具体的，本发明提供了一种并网发电系统下统一阻抗适配器的控制实现方法。即在传统的并联型阻抗适配器系统结构的基础上，通过变压器将串联型阻抗适配器串联在公共耦合点PCC点共同组成统一阻抗适配器。串联部分采用电压源型逆变器控制模式可以虚拟阻抗减小电网阻抗的影响并抑制并网点的串联谐振；并联部分采用电流源型逆变器控制模式可以为并网发电系统提供阻尼，并抑制并网点的并联谐振，两者共同实现对电网阻抗的适配，使其达到期望的电网阻抗形态，抑制并网系统的谐振和谐波放大。
本发明的目的是这样实现的。
本发明提供了一种统一阻抗适配器系统的控制方法，本控制方法通过并联型阻抗适配器和串联型阻抗适配器的组合，对电流指令值和电压指令值进行无差跟踪，实现并网点阻抗的适配，具体步骤如下：
步骤1，采样；
实时采样并联型阻抗适配器输出电流i1p和输出电压ucp，实时采样串联型阻抗适配器输出电流i1s和输出电压ucs；
步骤2，根据步骤1采样得到的并联型阻抗适配器输出电压ucp经滤波器得到并联型阻抗适配器谐波电压ucph，根据步骤1采样得到的串联型阻抗适配器输出电流i1s经滤波器得到串联型阻抗适配器谐波电流i1sh；
步骤3，根据步骤2中所得到的并联型阻抗适配器谐波电压谐波电压ucph和串联型阻抗适配器谐波电流i1sh，分别计算得到并联型阻抗适配器虚拟谐波电流指令值
和串联型阻抗适配器虚拟谐波电压指令值
其计算式如下：
其中，Zadp是并联型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗，Zads是串联型阻抗适配器的虚拟谐波阻抗；
步骤4，将步骤3得到的并联型阻抗适配器虚拟谐波电流指令值
与步骤1采样得到的并联型阻抗适配器输出电流i1p相减的结果设定为电流误差
将步骤3得到的串联型阻抗适配器虚拟谐波电压指令值
与步骤1采样得到的串联型阻抗适配器输出电压ucs相减的结果设定为电压误差
步骤5，将步骤4所得到的电流误差
通过电流控制器输出PWM调制波实现对电流指令值的无差跟踪；将步骤4所得电压误差
通过电压控制器输出PWM调制波实现对电压指令值的无差跟踪；
步骤6，返回步骤1，进入下一个循环的电流指令值和电压指令值的无差跟踪。
优选地，所述的统一阻抗适配器系统包括并联型阻抗适配器和串联型阻抗适配器，所述并联型阻抗适配器是电压源型变换器并联在并网发电系统的公共耦合点PCC点，所述串联型阻抗适配器是电压源型变换器通过变压器T串联在公共耦合点PCC点。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1)采用串联和并联相结合的统一阻抗适配器对并网点阻抗的进行适配，可以有效实现并网发电系统与电网阻抗之间的完全解耦，抑制系统的谐波；
2)串联部分可以抵消电网阻抗的影响，并联部分为并网发电系统提供阻尼，从而抑制系统谐振；
3)统一阻抗适配器串联部分可以更好的抑制谐波电压源激励下的串联谐振，而并联部分对于谐波电流源激励下的并联谐振效果更为显著。
附图说明
图1是本发明实施例中统一阻抗适配器系统的拓扑结构图；
图2是本发明统一阻抗适配器系统的控制方法实现流程图；
图3是并网发电系统谐振的波形图及THD分析；
图4是并联型阻抗适配器对并网发电系统谐振抑制的波形图及THD分析；
图5是统一阻抗适配器系统对并网发电系统谐振抑制的波形图及THD分析。
具体实施方式
本实例以一个仿真软件Matlab/Simulink中的单机并网逆变器、串联型阻抗适配器和并联型阻抗适配器构成由并网发电系统和统一阻抗适配器系统相连接的谐振抑制系统为例，阐明一种并网发电系统统一阻抗适配器的控制实现方法。
图1是本发明实施例中的统一阻抗适配器系统的拓扑结构图。由该图可见，本发明提出的统一阻抗适配器系统包括并联型阻抗适配器和串联型阻抗适配器，所述并联型阻抗适配器是电压源型变换器#1并联在并网发电系统的公共耦合点PCC点，所述串联型阻抗适配器是电压源型变换器#2通过变压器T串联在公共耦合点PCC点；所述并联型阻抗适配器包括直流侧电容C1、三相全桥和LpCp滤波电路，所述直流侧电容C1、三相全桥和滤波电路LpCp依次顺序连接；所述串联型阻抗适配器包括直流侧电容C2、三相全桥、LsCs滤波电路和变压器T，所述直流侧电容C2、三相全桥、滤波电路LsCs和变压器T依次顺序连接；所述串联型阻抗适配器中的LsCs滤波电路与变压器T的初级线圈的抽头相连接，变压器T的次级线圈的抽头和公共耦合点PCC点的导线相连。
具体的，首先在仿真软件Matlab/Simulink中按照图1搭建本发明所提出的统一阻抗适配器系统的拓扑结构。采用单机10KW逆变器并网系统代替图1中所述并网发电系统，使用10KW电流源性逆变器实现并联型阻抗适配器和用10KW电压源型逆变器实现串联型阻抗适配器。在构建统一型阻抗适配器系统的仿真模型时，单机并网逆变器开关频率fwi＝4000Hz、基波频率foi＝50Hz，直流侧电压Udc＝850V,使用LC型滤波器，其中桥臂侧电感Li＝3mH、滤波电容Ci＝40uF；并联型阻抗适配器开关频率fw1＝16000Hz、基波频率fo1＝50Hz，使用LC型滤波器，其中桥臂侧电感Lp＝0.9mH、滤波电容Cp＝12.3uF；串联型阻抗适配器开关频率fw2＝16000Hz、基波频率fo2＝50Hz，使用LC型滤波器，其中桥臂侧电感Ls＝0.24mH、波电容Cs＝80uF。并联型阻抗适配器直接接入并网发电系统模型仿真中的公共耦合点，串联型阻抗适配器通过变比n＝3的变压器T串联在并网发电系统模型中的公共耦合点。其中，并联型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗Zadp＝3.3Ω，串联型阻抗适配器的虚拟谐波阻抗Zads＝0.15Ω。网侧线电压的有效值为Ug＝380V，电网阻抗Zg＝0.9mH。
图2是本发明提出的统一阻抗适配器系统的控制方法实现流程图，由该图可见，本控制方法通过并联型阻抗适配器和串联型阻抗适配器的组合，对电流指令值和电压指令值进行无差跟踪，实现并网点阻抗的适配，具体步骤如下：
步骤1，采样。
实时采样并联型阻抗适配器输出电流i1p和输出电压ucp，实时采样串联型阻抗适配器输出电流i1s和输出电压ucs。
步骤2，根据步骤1采样得到的并联型阻抗适配器输出电压ucp经滤波器得到并联型阻抗适配器谐波电压ucph，根据步骤1采样得到的串联型阻抗适配器输出电流i1s经滤波器得到串联型阻抗适配器谐波电流i1sh。
步骤3，根据步骤2中所得到的并联型阻抗适配器谐波电压ucph和串联型阻抗适配器谐波电流i1sh，分别计算得到并联型阻抗适配器虚拟谐波电流指令值
和串联型阻抗适配器虚拟谐波电压指令值
其计算式如下：
其中，Zadp是并联型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗，Zads是串联型阻抗适配器的虚拟谐波阻抗，Zadp和Zads均为设定值，在本实施例中，Zadp＝3.3Ω，
Zads＝0.15Ω。
步骤4，将步骤3得到的并联型阻抗适配器虚拟谐波电流指令值
与步骤1采样得到的并联型阻抗适配器输出电流i1p相减的结果设定为电流误差
将步骤3得到的串联型阻抗适配器虚拟谐波电压指令值
与步骤1采样得到的串联型阻抗适配器输出电压ucs相减的结果设定为电压误差
步骤5，将步骤4所得到的电流误差
通过电流控制器输出PWM调制波实现对电流指令值的无差跟踪；将步骤4所得电压误差
通过电压控制器输出PWM调制波实现对电压指令值的无差跟踪。
步骤6，返回步骤1，进入下一个循环的电流指令值和电压指令值的无差跟踪。
图3是并网发电系统谐振的波形图及THD分析，图4是并联型阻抗适配器对并网发电系统谐振抑制的波形图及THD分析，图5是统一阻抗适配器系统对并网发电系统谐振抑制的波形图及THD分析。即在并网逆变器系统发生谐振的情况下、在相同的参数和仿真条件下分别投切并联型阻抗适配器和串、并联构成的统一阻抗适配器，观察两种方式对光伏并网系统谐振抑制效果的差异，可以发现统一阻抗适配器对光伏并网系统谐振的抑制效果优于并联型阻抗适配器，证明了本发明所提统一阻抗适配器控制实现的有效性。
综上所述，统一阻抗适配器可以呈现出比并联型阻抗适配器更可观的解耦效果，更优越的抑制谐波能力，具有一定的可行性。
Claims (2)
1.一种统一阻抗适配器系统的控制方法，其特征在于，本控制方法通过并联型阻抗适配器和串联型阻抗适配器的组合，对电流指令值和电压指令值进行无差跟踪，实现并网点阻抗的适配，具体步骤如下：
步骤1，采样；
实时采样并联型阻抗适配器输出电流i1p和输出电压ucp，实时采样串联型阻抗适配器输出电流i1s和输出电压ucs；
步骤2，根据步骤1采样得到的并联型阻抗适配器输出电压ucp经第一滤波器得到并联型阻抗适配器谐波电压ucph，根据步骤1采样得到的串联型阻抗适配器输出电流i1s经第二滤波器得到串联型阻抗适配器谐波电流i1sh；
步骤3，根据步骤2中所得到的并联型阻抗适配器谐波电压ucph和串联型阻抗适配器谐波电流i1sh，分别计算得到并联型阻抗适配器虚拟谐波电流指令值
和串联型阻抗适配器虚拟谐波电压指令值
其计算式如下：
其中，Zadp是并联型阻抗适配器虚拟的谐波阻抗，Zads是串联型阻抗适配器的虚拟谐波阻抗；
步骤4，将步骤3得到的并联型阻抗适配器虚拟谐波电流指令值
与步骤1采样得到的并联型阻抗适配器输出电流i1p相减的结果设定为电流误差
将步骤3得到的串联型阻抗适配器虚拟谐波电压指令值
与步骤1采样得到的串联型阻抗适配器输出电压ucs相减的结果设定为电压误差
步骤5，将步骤4所得到的电流误差
通过电流控制器输出PWM调制波实现对电流指令值的无差跟踪；将步骤4所得电压误差
通过电压控制器输出PWM调制波实现对电压指令值的无差跟踪；
步骤6，返回步骤1，进入下一个循环的电流指令值和电压指令值的无差跟踪。
2.根据权利要求1所述的统一阻抗适配器系统的控制方法，其特征在于，所述的统一阻抗适配器系统包括并联型阻抗适配器和串联型阻抗适配器，所述并联型阻抗适配器是电压源型变换器并联在并网发电系统的公共耦合点PCC点，所述串联型阻抗适配器是电压源型变换器通过变压器T串联在公共耦合点PCC点。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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