CN109038581A - 一种vsg的阻抗重塑型谐波电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法，提升VSG接入弱电网的并网友好性，主要包含无源和有源支路。其中，无源支路通过在PCC与电网侧置入一个小的电感，用于引入附加的电压变量。然后，有源支路通过公共耦合点电压和附加电压两个变量的适当负、正前馈，增加了从电网侧到VSG的谐波阻抗，同时还减小PCC到VSG的输出阻抗，有效地解决了VSG接入弱电网的并网电流畸变严重的难题。

Description

一种VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法

技术领域

本发明涉及VSG的电能质量领域，特别是一种VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法。

背景技术

为了保证电力系统安全运行并提供电压和频率支持，可再生能源系统采用虚拟同步发电机(VSG)技术来模拟同步发电机的转子惯量和下垂特性，可有效降低大规模可再生能源并网对电网的冲击。然而，作为便于环境友好型RES的重要手段，VSG在向电网注入高质量电能方面也应发挥更重要的作用。

含电力电子逆变器的VSG大部分位于沙漠、山区和海岛等偏远地区，该弱电网背景下非线性负荷的渗透率逐渐增加、电网谐波电压畸变日益严重。这些因素均会导致谐波电流馈入至电网，造成并网电流严重畸变，恶化VSG的电能质量，难以保证VSG友好连接到弱电网的适应性。在此背景下，亟需合理设计和控制VSG进而改善并网的电能质量。目前，对并网逆变器的电能质量谐波抑制的研究主要集中在传统并网电流型逆变器(TGCI)。可通过安装无源滤波器或有源电力滤波器来表现为谐波电导，形成特定次谐波旁路，从而吸收非线性负载的谐波电流，但该方法会使得系统谐振问题更加复杂，并额外增加了大容量的电感/电容器件。为了让逆变器能够主动抑制谐波电流，目前国内外学者多采用了一种谐波电流控制补偿方法，使其谐波电流指令具有与非线性负载谐波电流相同的幅度和相位，进而使得逆变器完全吸收负载谐波电流。另一方面，通过适当的PCC电压正前馈，使得逆变器的输出阻抗趋于无穷大，进而消除电网谐波电压对并网电流的不利影响。然而，VSG表现出电压控制特性，这与TGCI的电流控制特性根本不同。在这种情况下，适用于TGCI的传统谐波补偿方案或难以直接用于VSG。

此外，VSG的谐波输出阻抗近似等于滤波器大小，即为较大的谐波阻抗。如果进一步采用PCC电压正前馈控制，则其输出阻抗将变大，这对于负载谐波电流的吸收更为不利，反而将导致并网电流和PCC电压的畸变更加恶化。实际上，考虑到负载谐波电流的影响，期望VSG的输出谐波阻抗极小，便于负载谐波电流被逆变器吸收。对于电网谐波电压而言，则期望VSG的输出阻抗较大，避免电网背景谐波电压导致电网电流失真更严重。因而，在弱电网工况下VSG的电能质量问题比TGCI更加复杂，有必要找到合适的并网电流谐波抑制方法，改善VSG接入弱电网的适应性与友好性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法，解决VSG接入弱电网的并网电流畸变严重的难题，提升VSG接入弱电网的并网友好性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法，VSG的输出端经线路阻抗接入弱电网；所述VSG与所述弱电网相交于公共耦合点；所述公共耦合点作为非线性负载的接入端；包括以下步骤：

1)对VSG输出电压u_o和VSG逆变侧电流i_L进行采样，并通过瞬时功率计算，得出VSG输出有功功率P和无功功率Q；

2)对有功功率P和无功功率Q进行虚拟同步机控制，得到输出电压的基波指令

3)在所述公共耦合点与所述弱电网间置入一个无源支路，即串联小的电感L_s，用于引入附加的电压变量u_s；

4)对所述公共耦合点电压u_PCC和附加电压u_s一并进行谐波检测，分别获得u_PCC和u_s的主要次谐波分量u_PCCh和u_sh；

5)对主要次谐波分量u_sh和u_PCCh通过适当的正、负前馈来分别重塑所述公共耦合点到VSG的输出谐波阻抗以及弱电网到VSG的谐波阻抗，得到输出电压的谐波指令其传递函数为：

其中，-m是u_PCCh的前馈系数，表现为负前馈；而n是u_sh的前馈系数，表现为正前馈；

6)将VSG输出电压的基波指令与谐波指令相加，得到VSG的控制信号

7)控制信号经SPWM调制获得驱动信号。

步骤5)中，PCC到VSG的输出谐波阻抗Z_out,eq及弱电网到VSG的谐波阻抗Z_total,eq分别为：

其中：Z_out为PCC到VSG的原始输出谐波阻抗，Z_total为弱电网到VSG的原始谐波阻抗，s为拉普拉斯因子，b为弱电网阻抗Z_g与Z_g加上电感L_s和的比值。

m和n满足下列关系式：

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提出了一种VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法，解决了常规谐波电流补偿型方法难以改善VSG电能质量的难题，不仅增加了从电网侧到VSG的谐波阻抗，使得非线性负载的谐波电流基本上流向阻抗较小的一侧，被VSG单元吸收；同时还减小PCC到VSG的输出阻抗，完全消除电网谐波电压对并网电流的不利影响，有效地改善了VSG接入弱电网的并网电流畸变情况。

附图说明

图1为本发明一实施例VSG接入弱电网的系统结构图；

图2为本发明一实施例弱电网工况下VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法；

图3为本发明一实施例仅考虑非线性负载下所提方法的谐波等效电路；

图4为本发明一实施例仅考虑电网谐波电压下所提方法的等效谐波域电路；

图5为本发明一实施例弱电网下所提方法的谐波等效电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例所述VSG的输出端经线路阻抗接入所述弱电网；所述VSG与所述弱电网相交于公共耦合点(PCC)；所述公共耦合点作为非线性负载的接入端。其中，U_dc为直流侧电压，在VSG模式下需与储能装备相结合来维持直流侧电压稳定，可视为恒定值；i_o和u_o分别为逆变器的输出电流和电压；i_L为逆变器侧电流；i_Load为非线性负载的电流；i_g和u_g分别为电网电流和电网电压；L_f、C_f和R_f分别为滤波器电感、滤波器电容和阻尼电阻；Z_g为电网的等效阻抗；Z_line为VSG和PCC之间的线路阻抗。统一定义下标含h的电压或电流变量为该变量的谐波分量。

如图2所示，本发明一实施例VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法，主要包括无源和有源抑制支路来设计VSG的输出阻抗与电网侧阻抗。其中，无源支路通过在PCC和电网之间置入一个小电感，使VSG的滤波器近似于LCL型，在一定程度上增加了电网侧阻抗。但为了避免过大的电压降和体积，该电感的感值极小。无源支路的作用仅是引入一个额外的电压前馈变量u_s。在此基础上，有源支路通过谐波检测分别提取出电压变量u_s和u_PCC的主要次谐波分量u_sh和u_pcch，并通过适当的正、负前馈来分别重塑PCC到VSG的输出阻抗以及电网侧到VSG的阻抗。其中，谐波检测采用基于瞬时有功和无功功率理论的检测方案，但dq坐标系下的滤波器为二阶低通滤波器，避免各次谐波电压的提取反复叠加基波分量，造成输出功率增大并引起功率低频振荡，传递函数为：

式中：ξ为二阶低通滤波器的阻尼系数，其值取0.7；ω_c为截止频率，其值取10rad/s。

通过u_PCCh和u_sh前馈来获取VSG的谐波电压指令值其表达式为

其中，-m是u_PCCh的前馈系数，呈负前馈；而n是u_sh的前馈系数，呈正前馈。

如图3所示，本发明一实施例仅考虑非线性负载下所提方法的谐波等效电路。统一定义下标含h的电压或电流变量为该变量的谐波分量。具体推导过程如下：

假设电网谐波电压u_gh为0，仅考虑非线性负载谐波电流i_Loadh的影响。那么，VSG输出谐波电流i_oh的表达式以推导为：

其中，为VSG输出电压的谐波指令，u_VSGh为VSG逆变侧输出电压的谐波分量，Z_out为PCC到VSG的原始输出谐波阻抗。

其中：

那么，根据式(3)和(4)，从PCC到VSG的等效谐波阻抗Z_out,eq可以推导为：

显然，VSG谐波阻抗的大小将被所并联的虚拟阻抗Z_out/(m-bn)限制。同时，通过适当控制增益(m,n)，VSG的谐波输出阻抗可低于电网的谐波阻抗.那么，非线性负载的谐波电流将基本上流向阻抗较小的一侧，被VSG单元吸收，从而改善非线性负载工况下并网电流的畸变率。

如图4所示，本发明一实施例仅考虑电网谐波电压下所提方法的等效谐波域电路。具体推导过程如下：

假设非线性负载谐波电流i_Load为0，仅考虑电网谐波电压u_gh的影响。那么，并网谐波电流i_gh的表达式以推导为：

同时，根据KCL原理，有

也就是：

那么，根据(6)和(8)，可以推导从弱电网到VSG的等效谐波阻抗Z_total,eq为：

Z_total,eq＝-u_sh/i_gh＝HZ_total (9)

其中，Z_total为弱电网到VSG的原始谐波阻抗，H为谐波阻抗放大系数，其表达式为

显然，从弱电网到VSG的等效谐波阻抗将放大H倍。且当n＝1+m时，H的分母将等于0，也就是说Z_total，eq在理论上倾向于无穷大。那么，所提方法能够完全消除电网谐波电压对并网电流的不利影响。

如图5所示，本发明一实施例弱电网下所提方法的谐波等效电路。那么，根据图5，容易推导出流入电网的并网电流谐波分量为：

为了获得更好的并网电流质量，期望不超过1/5的非线性负载谐波电流流入电网；同时仍然期望能够完全消除电网谐波电压对并网电流畸变的影响，获得m和n的范围为

因此，在这种情况下，所提方法不仅增大了电网侧到VSG的谐波阻抗，还降低了PCC到VSG的输出阻抗，有效解决了非线性负载谐波电流和电网谐波电压所引起的并网电流恶化问题，改善了VSG接入弱电网的友好并网性能。

Claims (3)

1.一种VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法，VSG的输出端经线路阻抗接入弱电网；所述VSG与所述弱电网相交于公共耦合点；所述公共耦合点作为非线性负载的接入端；其特征在于，包括以下步骤：

1)对VSG输出电压u_o和VSG逆变侧电流i_L进行采样，并通过瞬时功率计算，得出VSG输出有功功率P和无功功率Q；

2)对有功功率P和无功功率Q进行虚拟同步机控制，得到输出电压的基波指令

3)在所述公共耦合点与所述弱电网间置入一个无源支路，即串联小的电感L_s，用于引入附加的电压变量u_s；

4)对所述公共耦合点电压u_PCC和附加电压u_s一并进行谐波检测，分别获得u_PCC和u_s的主要次谐波分量u_PCCh和u_sh；

5)对主要次谐波分量u_sh和u_PCCh通过适当的正、负前馈来分别重塑所述公共耦合点到VSG的输出谐波阻抗以及弱电网到VSG的谐波阻抗，得到输出电压的谐波指令其传递函数为：

其中，-m是u_PCCh的前馈系数，表现为负前馈；n是u_sh的前馈系数，表现为正前馈；

6)将VSG输出电压的基波指令与谐波指令相加，得到VSG的控制信号

7)控制信号经SPWM调制获得驱动信号。

2.根据权利要求1所述的VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法，其特征在于，步骤5)中，PCC到VSG的输出谐波阻抗Z_out,eq及弱电网到VSG的谐波阻抗Z_total,eq分别为：

其中：Z_out为PCC到VSG的原始输出谐波阻抗，Z_total为弱电网到VSG的原始谐波阻抗，s为拉普拉斯因子，b为弱电网阻抗Z_g与Z_g加上电感L_s和的比值。

3.根据权利要求1或2所述的VSG的阻抗重塑型谐波电流抑制方法，其特征在于，m和n满足下列关系式：