CN108390394A - 消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法 - Google Patents

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顾师达
杨友耕
邹小明
时颖
孙鹏菊
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籍勇亮
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Abstract

本发明公开了一种消除并网逆变器‑弱电网振荡的控制方法，包括以下步骤：S1：在同步旋转坐标系下，采用复变量表示方法，建立包含不对称电流控制器的逆变器的阻抗模型；S2：根据所述阻抗模型，采用阻抗分析法和Nyquist判据，计算得出电网系统中不同锁相环带宽下使电网系统处于振荡临界点的不对称因子的临界值，并建立锁相环带宽和不对称因子的临界值之间的对应关系；S3：将电网系统中不同锁相环带宽下使电网系统处于稳定状态的不对称因子带入不对称电流控制器中，分析逆变器自身的动态性能和稳定性，获取最优不对称因子；S4：将最优不对称因子加载到电网系统中的不对称电流控制器中实现不对称控制。

Description

消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法
技术领域
本发明涉及一种消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法。
背景技术
随着新能源发电技术的大量应用，电压源型逆变器(voltage-source inverters，VSIs)是新能源发电和分布式发电电网系统的重要接口，比如在风电、光伏发电 和高压直流输电等现代电力电网系统中作为重要的接口单元。其拓扑和控制设 计均是在强电网下进行，即忽略电网阻抗，因此VSIs可以再强电网下正常运行。 弱电网主要表现为电网阻抗较大，电压源型逆变器在弱电网下，会与电网阻抗 相互影响，产生振荡问题。因此，电压源型逆变器需要在弱电网下抑制振荡的 能力。
根据实现方法的不同，已有的提高逆变器电网系统的振荡抑制能力控制方 法包括：①降低锁相环带宽；②增加电网系统阻尼；③改变逆变器阻抗。
已有研究表明，锁相环的参数与并网变流器电网系统的稳定性有紧密的联 系。相频域下的阻抗模型反映出锁相环在逆变器阻抗中引入负电阻特性，且锁 相环带宽越大，负电阻的频率范围越大，产生振荡的风险越高。降低锁相环的 带宽能有效避免振荡的产生，保证逆变器电网系统的安全运行，但同时逆变器 电网系统的动态响应能力也降低。增加阻尼可以提高电网系统抑制振荡的能力， 如增加无源阻尼和有源阻尼，但增加无源阻尼会降低电网系统效率；增加有源 阻尼需要对控制结构重新设计。改变逆变器阻抗可以通过改变控制器参数和在 控制结构中增加复杂前馈结构，提高逆变器阻抗的相位和幅值，进而降低电网 系统振荡的风险，但该方法仍需重新设计控制参数和增加复杂控制，对电网系 统的动态性能有较大影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，以解决 现有控制方法对电网系统的动态性能影响较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种消除并网逆变器-弱电网振荡的控制 方法，包括以下步骤：
S1：在同步旋转坐标系下，采用复变量表示方法，建立包含不对称电流控 制器的逆变器的阻抗模型；
S2：根据所述阻抗模型，采用阻抗分析法和Nyquist判据，计算得出电网 系统中不同锁相环带宽下使电网系统处于振荡临界点的不对称因子的临界值， 并建立锁相环带宽和不对称因子的临界值之间的对应关系；
S3：将电网系统中不同锁相环带宽下使电网系统处于稳定状态的不对称因 子带入不对称电流控制器中，分析逆变器自身的动态性能和稳定性，获取最优 不对称因子；
S4：将最优不对称因子加载到电网系统中的不对称电流控制器中实现不对 称控制。
进一步地，所述步骤S1具体包括：
S11：在同步旋转坐标系下，采用复变量表示电网系统中的不对称电流控制 器的参数；
S12：根据逆变器控制结构建立不对称电流控制器输出信号的数学关系式， 根据逆变器的拓扑结构构建复变量的数学模型；
S13：根据所述数学关系式和数学模型建立逆变器的阻抗模型。
进一步地，所述步骤S11中所述电网系统的不对称电流控制器的参数表示 具体包括：
采用复变量表示方法，得到的d轴电流控制器的参数和q轴电流控制器的 参数的具体方程为：
d轴电流控制器的参数：
q轴电流控制器的参数：Gcq(s)＝(1+k)Gc(s)
其中，k为不对称因子，kp和ki为电流控制器的PI参数；
采用复变量表示，将不对称电流控制器等效成两个不同频率下对称控制器 的叠加，得到通过正频率的电流控制器的参数和通过负频率的电流控制器的参 数，具体方程为：
通过正频率的电流控制器的参数：
通过负频率的电流控制器的参数：
进一步地，步骤S12中所述不对称电流控制器输出信号的数学关系式为：
其中，Gfi和Gfv分别为电流传感器和电压传感器输出信号的采样滤波器的传 递函数，Ip和Vp分别是复变量表示的小信号的三相电流和电压量，Idqr为复变量 表示的电流的给定值，Gd为电网系统PWM延时引起的传递函数， 为锁相环结构的电压输入和相角输出之间的传递函数，V1为 基波电压幅值，为同步旋转坐标系锁相环的控制参数，kpp和kpi为q轴电流控制器的PI参数，HPLL(s)输入为q轴电压分量，输出为相位, s＝jω为传递函数的变量。
5、根据权利要求4所述的消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特 征在于，步骤S12中根据逆变器的拓扑结构构建的复变量的数学模型，具体方 程为：
其中，L为电网系统中的滤波电感，RL为滤波电感的内阻，Vdc为直流母线 电压，2Vcr为调制波幅值。
进一步地，所述步骤S13具体包括：
其中，符号A、B、C、D分别为：
A*、B*、C*、D*分别为A、B、C、D的共轭量。
进一步地，所述步骤S2具体包括：
S21：根据所述阻抗模型对不对称电流控制的逆变器的模型进行分析，得到 不对称电流控制的并网逆变器-弱电网系统的等效阻抗电路，根据两个频率下的 自导纳和伴随导纳之间的并联关系，计算出并网逆变器的等效导纳模型，具体 方程为：
其中，表示耦合频率下的电网阻抗的共轭量，表示 同步旋转坐标系下耦合频率的伴随导纳的共轭量，表示同步旋转坐 标系下耦合频率的自导纳的共轭量。
S22：依据阻抗分析方法，对电网系统等效环路增益H(s)＝Zg(s)Yinv(s)进行Nyquist稳定性分析，计算得出电网系统中不同锁相环带宽条件下使电网系统处 于振荡临界点的不对称因子的临界值，具体方程为：
H(ωp,k)＝1+j0；
S23：重复步骤S22，建立锁相环带宽和不对称因子的临界值之间的对应关 系。
进一步地，所述步骤S4具体包括：
不改变电网系统中电流控制器的参数，将最优不对称因子加载到在同步旋 转坐标系下的q轴分量中实现不对称控制。
本发明的有益效果为：本申请通过在不改变锁相环和控制参数的基础上， 改变电网系统的电流控制不对称因子，能够提高电网系统的抑制振荡能力，同 时本发明可降低锁相环引入的振荡风险，同时保证锁相环的锁相速度，使并网 逆变器拥有较快的动态性能和较低的振荡风险。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分， 在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性 实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为不对称电流控制的并网逆变器-弱电网系统图；
图2为不对称电流控制的并网逆变器-弱电网系统图的等效阻抗电路；
图3为不同锁相环带宽与计算的不对称因子之间的关系曲线图。
具体实施方式
一种消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，包括以下步骤：
S1：在同步旋转坐标系下，采用复变量表示方法，建立包含不对称电流控 制器的逆变器的阻抗模型；
S2：根据所述阻抗模型，采用阻抗分析法和Nyquist判据，计算得出电网 系统中不同锁相环带宽下使电网系统处于振荡临界点的不对称因子的临界值， 并建立锁相环带宽和不对称因子的临界值之间的对应关系；
S3：将电网系统中不同锁相环带宽下使电网系统处于稳定状态的不对称因 子带入不对称电流控制器中，分析逆变器自身的动态性能和稳定性，获取最优 不对称因子；
S4：将最优不对称因子加载到电网系统中的不对称电流控制器中实现不对 称电流控制器，通过提高电网系统稳定裕量，使电网系统在较大锁相环速度下 消除电网系统的振荡。
下面分别对各个步骤进行详细描述：
上述步骤S1具体包括：
S11：在同步旋转坐标系下，采用复变量表示电网系统中的不对称电流控制 器的参数。其中，d轴电流控制器的参数为和q轴电流控制 器的参数为Gcq(s)＝(1+k)Gc(s)，其中，k为不对称因子，kp和ki为电流控制器的 PI参数。当k＝0时，电流控制为对称控制；当k≠0时，电流控制为不对称控制。 通过设计k的大小，提高电网系统对振荡的抑制能力。
采用复变量表示，将不对称电流控制器等效成两个不同频率下对称控制器 的叠加，得到通过正频率的电流控制器的参数和通过负频率的电流控制器的参数和
S12：根据逆变器控制结构建立不对称电流控制器输出信号的数学关系式， 根据逆变器的拓扑结构构建复变量的数学模型；
上述不对称电流控制器输出信号的数学关系式为：
其中，Gfi和Gfv分别为电流传感器和电压传感器输出信号的采样滤波器的传 递函数，Ip和Vp分别是复变量表示的小信号的三相电流和电压量，Idqr为复变量 表示的电流的给定值，Gd为电网系统PWM延时引起的传递函数， 为锁相环结构的电压输入和相角输出之间的传递函数，V1为 基波电压幅值，为同步旋转坐标系锁相环的控制参数，kpp和kpi为q轴电流控制器的PI参数，HPLL(s)输入为q轴电压分量，输出为相位, s＝jω为传递函数的变量。
上述根据逆变器的拓扑结构构建的复变量的数学模型为：
其中，L为电网系统中的滤波电感，RL为滤波电感的内阻，Vdc为直流母线 电压，2Vcr为调制波幅值。
S13：通过求解S12中的数学表达式，得到含不平衡电流控制器的并网逆 变器在同步旋转坐标系下的自导纳模型和伴随导纳模型
其中，符号A*、B*、C*、D*分别为A、B、C、D的共轭量，A、B、C、 D分别为：
上述步骤S2具体包括：
S21：根据所述阻抗模型对不对称电流控制逆变器的模型进行分析，得到不 对称电流控制的并网逆变器-弱电网系统图的等效阻抗电路(图2)，根据两个频 率下的自导纳和伴随导纳之间的并联关系，计算出并网逆变器的等效导纳模型， 具体方程为：
其中，表示耦合频率下的电网阻抗的共轭量，表示同步旋转坐标系下耦合频率的伴随导纳的共轭量，表示同步旋转坐标系 下耦合频率的自导纳的共轭量。
S22：依据阻抗分析方法，对电网系统等效环路增益H(s)＝Zg(s)Yinv(s)进行Nyquist稳定性分析，计算得出电网系统中不同锁相环带宽条件下使电网系统处 于振荡临界点的不对称因子的临界值，具体方程为：
H(ωp,k)＝1+j0；
S23：重复步骤S21，建立锁相环带宽和不对称因子的临界值之间的对应关 系。如图3所示，k取曲线上方时，电网系统不会产生振荡；当k取值在曲线 下方，电网系统会出现振荡的风险，所以依据不同锁相环带宽，取曲线上方的 k值。
上述步骤S4具体包括：
不改变电网系统中电流控制器的参数，将最优不对称因子加载到在同步旋 转坐标系下的q轴分量中实现不对称电流控制器，通过提高电网系统稳定裕量， 使电网系统在较大锁相环速度下消除电网系统的振荡，使电网系统无振荡运行。
本发明采用基于阻抗的分析方法，对不对称电流控制器阻抗模型和弱电网 阻抗，进行Nyquist稳定性分析，分析不对称因子稳定的临界值。所述方法可 设计出不同锁相环带宽下的临界不对称因子，在较快锁相环的动态性能下，选 取最佳不对称因子。所述最佳不对称因子是不改变原电流环控制器，通过控制 q轴分量进行锁相，仅在q轴增加一个可变的不对称因子，使电流控制不对称， 以消除锁相环不对称带来的电网系统裕量降低的缺点，提高电网系统的稳定裕 量。
该方法采用不对称电流控制方法，消除同步旋转坐标系的锁相环引入的频 率耦合产生的不利影响。通过在同步旋转坐标系下，使dq分量的控制器由相同 的控制器参数，变为不同的控制器参数，使传统电流控制变为不对称电流控制， 可降低锁相环引入的振荡风险，同时保证锁相环的锁相速度，使并网逆变器拥 有较快的动态性能和较低的振荡风险。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在同步旋转坐标系下，采用复变量表示方法，建立包含不对称电流控制器的逆变器的阻抗模型；
S2：根据所述阻抗模型，采用阻抗分析法和Nyquist判据，计算得出电网系统中不同锁相环带宽下使电网系统处于振荡临界点的不对称因子的临界值，并建立锁相环带宽和不对称因子的临界值之间的对应关系；
S3：将电网系统中不同锁相环带宽下使电网系统处于稳定状态的不对称因子带入不对称电流控制器中，分析逆变器自身的动态性能和稳定性，获取最优不对称因子；
S4：将最优不对称因子加载到电网系统中的不对称电流控制器中实现不对称控制。
2.根据权利要求1所述的消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11：在同步旋转坐标系下，采用复变量表示电网系统中的不对称电流控制器的参数；
S12：根据逆变器控制结构建立不对称电流控制器输出信号的数学关系式，根据逆变器的拓扑结构构建复变量的数学模型；
S13：根据所述数学关系式和数学模型建立逆变器的阻抗模型。
3.根据权利要求2所述的消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤S11中所述电网系统的不对称电流控制器的参数表示具体包括：
采用复变量表示方法，得到的d轴电流控制器的参数和q轴电流控制器的参数的具体方程为：
d轴电流控制器的参数：
q轴电流控制器的参数：Gcq(s)＝(1+k)Gc(s)
其中，k为不对称因子，kp和ki为电流控制器的PI参数；
采用复变量表示方法，将不对称电流控制器等效成两个不同频率下对称控制器的叠加，得到通过正频率的电流控制器的参数和通过负频率的电流控制器的参数，具体方程为：
通过正频率的电流控制器的参数：
通过负频率的电流控制器的参数：
4.根据权利要求3所述的消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特征在于，步骤S12中所述不对称电流控制器输出信号的数学关系式为：
其中，Gfi和Gfv分别为电流传感器和电压传感器输出信号的采样滤波器的传递函数，Ip和Vp分别是复变量表示的小信号的三相电流和电压量，Idqr为复变量表示的电流的给定值，Gd为电网系统PWM延时引起的传递函数，为锁相环结构的电压输入和相角输出之间的传递函数，V1为基波电压幅值，为同步旋转坐标系锁相环的控制参数，kpp和kpi为q轴电流控制器的PI参数，HPLL(s)输入为q轴电压分量，输出为相位,s＝jω为传递函数的变量。
5.根据权利要求4所述的消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特征在于，步骤S12中根据逆变器的拓扑结构构建的复变量的数学模型，具体方程为：
其中，L为电网系统中的滤波电感，RL为滤波电感的内阻，Vdc为直流母线电压，2Vcr为调制波幅值。
6.根据权利要求5所述的消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤S13具体包括：
通过求解S12中的数学表达式，得到含不平衡电流控制的并网逆变器在同步旋转坐标系下的自导纳模型和伴随导纳模型
其中，符号A、B、C、D分别为：
A*、B*、C*、D*分别为A、B、C、D的共轭量。
7.根据权利要求6所述的消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21：根据所述阻抗模型对不对称电流控制的逆变器的模型进行分析，得到不对称电流控制的并网逆变器-弱电网系统的等效阻抗电路，根据两个频率下的自导纳和伴随导纳之间的并联关系，计算出并网逆变器的等效导纳模型，具体方程为：
其中，表示耦合频率下的电网阻抗的共轭量，表示同步旋转坐标系下耦合频率的伴随导纳的共轭量，表示同步旋转坐标系下耦合频率的自导纳的共轭量。
S22：依据阻抗分析方法，对电网系统等效环路增益H(s)＝Zg(s)Yinv(s)进行Nyquist稳定性分析，计算得出电网系统中不同锁相环带宽条件下使电网系统处于振荡临界点的不对称因子的临界值，具体方程为：
H(ωp,k)＝1+j0；
S23：重复步骤S22，建立锁相环带宽和不对称因子的临界值之间的对应关系。
8.根据权利要求7所述的消除并网逆变器-弱电网振荡的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
不改变电网系统中电流控制器的参数，将最优不对称因子加载到在同步旋转坐标系下的q轴分量中实现不对称控制。
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