CN109510200B - 光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，包括下述步骤：S1，根据虚拟同步机控制或者下垂控制计算逆变器输出电压幅值及相角参考指令计算电压参考值的分量；S2，采集逆变器滤波电容电压和滤波电感电流数据，建立电压电流双环模型；S3，建立广义受控对象模型，采集逆变器滤波电容电压数据，采用扰动观测器估测出直流电压扰动量；S4，直流电压扰动量估测值通过前馈补偿于调制电压信号，形成改进型电压电流双环控制结构，实现逆变器输出电压直流分量的有效抑制，本方法参数设计简单已操作，便于工程实现，且不会影响到常规电压反馈控制外环电压跟随性能的优点，抑制性效果佳，稳定性强。

Description

光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法

技术领域

本发明属于新能源发电并网控制领域，具体涉及一种光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法。

背景技术

分布式发电技术因能充分利用地区丰富的清洁和可再生能源，向用户提供“绿色电力”，实现“节能减排”而得到了广泛关注，分布式光伏发电作为一种能够高效利用新能源的发电技术目前已成为该领域的研究热点。

分布式光伏通常经过无变压器非隔离型逆变器接入配网，因为省去了隔离变压器，其能够降低成本，减少功率损耗，但同时也会带来逆变器输出电压中含有直流分量的问题。因为逆变器功率开关器件的非理想特性，脉冲宽度调制的死区效应，器件导通及截止延迟等问题，会导致逆变器输出端电压中出现直流分量，直流分量的存在不仅会影响逆变器本身的正常工作，而且会对其直接负载造成损害，并给电网带来直流注入的问题，导致各级变电站变压器直流偏磁、铁芯磁饱和、输出波形失真、损耗增大、使用寿命缩短，也会加剧导线腐蚀，产生偶次谐波电流，损害电网负载，而且在并联运行的逆变器之间会产生直流环流，严重影响并联逆变器的均流效果和工作效率。

目前世界很多国家和组织都对光伏并网逆变器并网发电时存在的输出直流分量制定了相关标准，对于这个问题，有文献从改进逆变器并网拓扑结构的角度提出了一种直流电流的抑制方法，但相比于现有成熟的逆变器拓扑结构，其控制难度和硬件成本都会明显增加；有文献通过在逆变器交流侧串入电容阻断直流电流，但实际中为避免产生过大的基波压降，交流电容取值一般较大，故成本较高；有研究提出一种基于虚拟电容的直流抑制方法，既可实现零直流注入，又可避免串入电容损耗，但当逆变器采用LCL型滤波器时，串联的电容将带来新的谐振问题；一些研究采用重复控制的方法检测出输出电压中的直流分量，一些研究通过检测逆变器直流侧的电流，并经过傅里叶算法分解出直流电流分量，还有其他采用低通滤波器将输出电流中的直流分量进行分离，并通过适当的补偿算法产生补偿信号补偿至电压调制信号中，以达到直流抑制的目的，但基于检测补偿思路的直流注入抑制方法的直流分量检测补偿算法参数设置复杂，且检测补偿控制环路对控制系统整体动态性能和稳定性的影响未知，因此，研究具有直流电压分量消除的并网逆变器控制方法变的异常重要，极具研究价值和意义。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，通过电压参考值的分量计算—电压电流双环控制模型的建立--预估判断直流电压扰动量--建立改进型电压电流双环控制结构这四个步骤，实现逆变器输出电压直流分量的有效抑制，针对现有的改进逆变器并网拓扑结构或者采用电容隔直的技术路线带来的成本过高的问题，以及现有的基于检测补偿思路存在的检测补偿算法参数设置复杂，且检测补偿控制环路对控制系统整体动态性能和稳定性的影响未知等问题对光伏并网逆变器输出电压直流分量的抑制方法做出改进，方法简单易操作，抑制性效果佳，稳定性强。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，包括以下步骤：

S1，电压参考值的分量计算：根据虚拟同步机控制或者下垂控制计算逆变器输出电压幅值及相角参考指令，计算其在αβ参考坐标系下电压参考值的α轴分量与β轴分量；

S2，电压电流双环控制模型的建立：采集逆变器滤波电容电压和滤波电感电流数据，结合步骤S1中分量，建立电压电流双环模型，计算并网逆变器SPWM的调制电压信号；

S3，预估判断直流电压扰动量：建立广义受控对象模型，采集逆变器滤波电容电压数据，采用扰动观测器估测出直流电压扰动量；

S4，建立改进型电压电流双环控制结构：将步骤S3得到的直流电压扰动量估测值通过前馈补偿于调制电压信号，形成改进型电压电流双环控制结构。

作为本发明的一种改进，所述步骤S1中，αβ参考坐标系下的电压参考值的α轴分量

与β轴分量

为：

其中，u_a、u_b、u_c分别为U sin(θ)、U sin(θ+120°)、U sin(θ+240°)；U与θ分别为根据虚拟同步机控制或者下垂控制计算的逆变器输出电压幅值及相角参考指令，式中abc参考坐标系到αβ参考坐标系的转换矩阵为：

作为本发明的一种改进，步骤S2中电压电流双环模型包括电压外环模型和电流内环模型，所述电压外环模型为：

其中，i_iαref为在αβ参考坐标系下的电流参考值的α轴分量；u_oα为αβ参考坐标系下逆变器输出电压测量值的α轴分量；i_iβref为在αβ参考坐标系下的电流参考值的β轴分量；u_oβ为αβ参考坐标系下逆变器输出电压测量值的β轴分量；G_pr(s)为准比例谐振控制器；k_up为准比例谐振控制器的比例项系数；k_ur为准比例谐振控制器的谐振项系数；ω_c为截止频率；ω₀为谐振频率；

所述电流内环模型为：

其中，u_mα为逆变器电流控制器输出的调制电压在αβ参考坐标系下α轴分量；i_iα为逆变器滤波电感电流测量值的α轴分量；u_mβ为逆变器电流控制器输出的调制波电压在αβ参考坐标系下β轴分量；i_iβ为逆变器滤波电感电流测量值的β轴分量；G_p(s)为比例控制器；k_ip为电流比例控制器中的比例项系数。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S3中广义受控对象模型为：

其中，k_pwm表示逆变器电压增益；G_f(s)表示滤波电感；L_f为滤波电感值；R_f表示滤波器电阻值；G_c(s)表示滤波电容；C_f为滤波电容值。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S3中直流电压扰动量估测值为：

其中，

为直流电压扰动量估测值；u_o为逆变器滤波电容电压测量值；Q(s)为低通滤波器；u′_m为改进型调制波电压；T_f为滤波时间常数。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S4中改进型电压电流双环控制结构为：

其中，u′_mα为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的α轴分量；u′_mβ为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的β轴分量；

为直流电压扰动量估测值在αβ参考坐标系下α轴分量；

为直流电压扰动量估测值在αβ参考坐标系下β轴分量。

作为本发明的更进一步改进，在αβ参考坐标系下的直流电压扰动量估测值的α轴分量

与β轴分量

分别为：

其中，u_oα为滤波电容电压在αβ参考坐标系下α轴分量；u′_mα为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的α轴分量；u_oβ为滤波电容电压在αβ参考坐标系下β轴分量；u′_mβ为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的β轴分量。

与现有技术相比，本发明专利提出了一种光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，针对现有的改进逆变器并网拓扑结构或者采用电容隔直的技术路线带来的成本过高的问题，以及现有的基于检测补偿思路存在的检测补偿算法参数设置复杂，且检测补偿控制环路对控制系统整体动态性能和稳定性的影响未知等问题对光伏并网逆变器输出电压直流分量的抑制方法做出改进，方法简单易操作，抑制性效果佳，稳定性强；扰动观测环节实时估计出由逆变器功率开关器件的非理想特性、脉冲宽度调制的死区效应、器件导通及截止延迟扰动导致的直流电压扰动，并前馈补偿以动态消除扰动对逆变器输出电压影响，实现逆变器输出电压直流分量的有效抑制，参数设计简单，可通过调节滤波时间常数T_f得到较好的扰动抑制动态性能和稳定性，便于工程实现，且不会影响到常规电压反馈控制外环电压跟随性能的优点。

附图说明

图1是本发明方法步骤流程图；

图2是本发明实施例1的系统控制框图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1，电压参考值的分量计算：根据虚拟同步机控制或者下垂控制计算逆变器输出电压幅值、相角参考指令U与θ，计算其在αβ参考坐标系下电压参考值的α轴分量

与β轴分量

式中u_a、u_b、u_c分别为U sin(θ)、U sin(θ+120°)、U sin(θ+240°)，式中abc参考坐标系到αβ参考坐标系的转换矩阵为：

S2，电压电流双环控制模型的建立：采集逆变器滤波电容电压和滤波电感电流数据，结合步骤S1中分量，建立电压电流双环模型，计算并网逆变器SPWM的调制电压信号，所述电压外环模型为：

式中，i_iαref为在αβ参考坐标系下的电流参考值的α轴分量，

为在αβ参考坐标系下的电压参考值的α轴分量，u_oα为αβ参考坐标系下逆变器输出电压测量值的α轴分量，i_iβref为在αβ参考坐标系下的电流参考值的β轴分量，

为在αβ参考坐标系下的电压参考值的β轴分量，u_oβ为αβ参考坐标系下逆变器输出电压测量值的β轴分量，G_pr(s)为准比例谐振控制器，k_up为准比例谐振控制器的比例项系数，k_ur为准比例谐振控制器的谐振项系数，ω_c为截止频率，ω₀为谐振频率；

所述电流内环模型为：

式中，u_mα为逆变器电流控制器输出的调制波电压在αβ参考坐标系下α轴分量，i_iα为逆变器滤波电感电流测量值的α轴分量，u_mβ为逆变器电流控制器输出的调制波电压在αβ参考坐标系下β轴分量，i_iβ为逆变器滤波电感电流测量值的β轴分量，G_p(s)为比例控制器，k_ip为电流比例控制器中的比例项系数。

S3，预估判断直流电压扰动量：建立广义受控对象模型，所述广义受控对象模型G(s)为；

式中，k_pwm表示逆变器电压增益，G_f(s)表示滤波电感，L_f为滤波电感值，R_f表示滤波器电阻值，G_c(s)表示滤波电容，C_f为滤波电容值；

采集逆变器滤波电容电压数据，采用扰动观测器估测出直流电压扰动量，计算在αβ参考坐标系下的直流电压扰动估计量的α轴分量与β轴分量：

式中

为直流电压扰动估计量在αβ参考坐标系下α轴分量，u_oα为滤波电容电压在αβ参考坐标系下α轴分量。u′_mα为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的α轴分量，

为直流电压扰动估计量在αβ参考坐标系下β轴分量，u_oβ为滤波电容电压在αβ参考坐标系下β轴分量。u′_mβ为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的β轴分量，G_n(s)为对应于标称参数值的广义受控对象标称模型，Q(s)为低通滤波器，T_f为滤波时间常数。

S4，将直流电压扰动量估测值通过前馈补偿于调制电压信号，形成改进型电压电流双环控制结构，如下式所示：

式中，u′_mα为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的α轴分量，u′_mβ为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的β轴分量，

为直流电压扰动估计量在αβ参考坐标系下α轴分量，

为直流电压扰动估计量在αβ参考坐标系下β轴分量。

以上步骤，形成了基于扰动观测器的虚拟同步机直流注入抑制策略，其整体控制框图如图2所示，将逆变器输出电压的直流分量视为外部扰动，提出采用扰动观测器估计出直流电压扰动，并前馈补偿以动态消除扰动对逆变器输出电压影响的方法，实现了逆变器输出电压直流分量的有效抑制，消除了无变压器非隔离型逆变器并网潜在的直流注入对并网电能质量的影响，参数设计简单，可通过调节滤波时间常数T_f得到较好的扰动抑制动态性能和稳定性，便于工程实现，且不会影响到常规电压反馈控制外环电压跟随性能的优点，抑制效果佳，稳定性强。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，电压参考值的分量计算：根据虚拟同步机控制或者下垂控制计算逆变器输出电压幅值及相角参考指令，计算其在αβ参考坐标系下电压参考值的α轴分量与β轴分量；

S2，电压电流双环控制模型的建立：采集逆变器滤波电容电压和滤波电感电流数据，结合步骤S1中分量，建立电压电流双环模型，计算并网逆变器SPWM的调制电压信号；

S3，预估判断直流电压扰动量：建立广义受控对象模型，采集逆变器滤波电容电压数据，采用扰动观测器估测出直流电压扰动量，所述直流电压扰动量估测值为：

其中，

为直流电压扰动量估测值；u_o为逆变器滤波电容电压测量值；Q(s)为低通滤波器；u′_m为改进型调制波电压；T_f为滤波时间常数；

S4，建立改进型电压电流双环控制结构：将步骤S3得到的直流电压扰动量估测值通过前馈补偿于调制电压信号，形成改进型电压电流双环控制结构，所述改进型电压电流双环控制结构为：

其中，u′_mα为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的α轴分量；u′_mβ为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的β轴分量；

为直流电压扰动量估测值在αβ参考坐标系下α轴分量；

为直流电压扰动量估测值在αβ参考坐标系下β轴分量；G_p(s)为比例控制器；i_iα为逆变器滤波电感电流测量值的α轴分量；i_iβ为逆变器滤波电感电流测量值的β轴分量。

2.如权利要求1所述的光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，其特征在于所述步骤S1中，αβ参考坐标系下的电压参考值的α轴分量

与β轴分量

为：

其中，u_a、u_b、u_c分别为Usin(θ)、Usin(θ+120°)、Usin(θ+240°)；U与θ分别为根据虚拟同步机控制或者下垂控制计算的逆变器输出电压幅值及相角参考指令，式中abc参考坐标系到αβ参考坐标系的转换矩阵为：

3.如权利要求1或2所述的光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，其特征在于步骤S2中电压电流双环模型包括电压外环模型和电流内环模型，所述电压外环模型为：

其中，i_iαref为在αβ参考坐标系下的电流参考值的α轴分量；u_oα为αβ参考坐标系下逆变器输出电压测量值的α轴分量；i_iβref为在αβ参考坐标系下的电流参考值的β轴分量；u_oβ为αβ参考坐标系下逆变器输出电压测量值的β轴分量；G_pr(s)为准比例谐振控制器；k_up为准比例谐振控制器的比例项系数；k_ur为准比例谐振控制器的谐振项系数；ω_c为截止频率；ω₀为谐振频率；

所述电流内环模型为：

其中，u_mα为逆变器电流控制器输出的调制电压在αβ参考坐标系下α轴分量；i_iα为逆变器滤波电感电流测量值的α轴分量；u_mβ为逆变器电流控制器输出的调制波电压在αβ参考坐标系下β轴分量；i_iβ为逆变器滤波电感电流测量值的β轴分量；G_p(s)为比例控制器；k_ip为电流比例控制器中的比例项系数。

4.如权利要求1所述的光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，其特征在于所述步骤S3中广义受控对象模型为：

其中，k_pwm表示逆变器电压增益；G_f(s)表示滤波电感；L_f为滤波电感值；R_f表示滤波器电阻值；G_c(s)表示滤波电容；C_f为滤波电容值。

5.如权利要求4所述的光伏并网逆变器输出电压直流分量的扰动观测抑制方法，其特征在于在αβ参考坐标系下的直流电压扰动量估测值的α轴分量

与β轴分量

分别为：

其中，u_oα为滤波电容电压在αβ参考坐标系下α轴分量；u′_mα为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的α轴分量；u_oβ为滤波电容电压在αβ参考坐标系下β轴分量；u′_mβ为改进型电压调制信号在αβ参考坐标系下的β轴分量。

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