CN109617119A - 一种基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，以对光伏发电并网系统进行模态分析为基础，识别系统的锁相环主导振荡模态，进而引入电流内环附加控制并形成新的状态空间方程，改变附加控制系数观察锁相环振荡模态下的特征根轨迹，从而确定控制系数的临界值，同时分析系统其他模态下的特征根轨迹，得到当前锁相环参数设置下的附加控制系数范围。进一步改变锁相环参数设置，得到阻尼控制系数的可行域。该方法能够在光伏并网系统中锁相环参数设置不当引起并网点功率振荡时提供有效的阻尼控制，保障电力系统的安全稳定运行。

Description

一种基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法

技术领域

本发明涉及光伏并网技术领域，特别是涉及基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法。

背景技术

随着分布式发电技术的广泛应用，新能源产业在我国发展迅速，其中对光伏发电技术的开发和研究逐渐深入，光伏发电在能源战略中的地位日渐突出。随着光伏发电系统接入电网的情况增加，其对电力系统动态稳定有着显著的影响。目前已有研究表明，在弱电网情况下，光伏发电系统中的锁相环动态特性可能引发系统的小干扰失稳现象，此外，在风电并网系统和直流输电系统中均已发现锁相环控制参数将影响系统的稳定运行，引起并网点功率振荡和直流电压失稳。因此，对锁相环采取有效的控制方法，具有重大的经济和社会效益。

目前针对锁相环参数引起的稳定问题常用的方法是优化参数设置，这在一定程度上避免了所带来的问题。但在弱交流系统条件下，光伏逆变器的各个控制环路间交互影响，例如系统中锁相环和逆变器控制的相互作用会给系统带来稳定性隐患，因此现有的优化设计方法可能并不适用。

因此针对光伏发电系统中锁相环引起的电力系统功率振荡等问题，希望有一种基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法能有效解决，从而为光伏并网系统的安全稳定运行提供保障。

发明内容

本发明公开了一种基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：对含锁相环的光伏并网系统进行锁相环主导模态识别；

步骤2：利用锁相环输出变量修正电流内环控制状态方程，得到修正后的电流内环控制状态方程；

步骤3：分析新状态空间方程下的振荡模态，确定附加控制系数的可行域。

优选地,所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：将光伏并网系统小信号模型线性化，得到系统状态空间方程；

步骤1.2：对光伏并网系统进行锁相环主导模态识别。

优选地,所述步骤1.1中光伏并网系统小信号模型包括：光伏电池模型、三相逆变器及其控制器模型、锁相环模型和线路模型。

优选地,所述三相逆变器控制采用电流内环及电压外环比例积分调节器，三相逆变器电流内环控制的状态方程为：

式中，u_dt、u_qt为逆变器输出电压在d-q坐标下的表示，u_dg、u_qg为光伏并网点电压在d-q坐标下的表示，L_g为逆变器输出滤波电感，i_dg、i_qg为电网电流在d-q坐标下的表示，上标^*表示变量的参考值，K_P1、K_I1为电流内环比例、积分系数，ω₀为额定角频率，x₁、x₂为状态变量。

优选地，所述锁相环模型的锁相环路新增状态变量x₃并选取锁相环输出相角θ^P作为状态变量，其状态方程为：

式中，K_PPLL为锁相环比例增益、K_IPLL为锁相环积分增益。

优选地,所述步骤1.1的系统状态空间方程为：

式中，A为n×n阶原始状态矩阵，Δx为n维状态变量，其中包含Δx₁、Δx₂、Δx₃。Δu为m维输出变量，B为n×m阶控制或输入矩阵。

优选地，所述步骤1.2对光伏并网系统进行锁相环主导模态识别的具体方法：

①计算系统的振荡模态；

②改变光伏并网系统中的锁相环比例增益，绘制各个模态下的特征根轨迹；

③特征根中实部最先由负变为正的一组共轭特征根所对应的模态即为光伏并网系统锁相环主导振荡模态。

优选地，所述步骤2利用锁相环输出变量修正电流内环控制状态方程，得到修正后的电流内环控制状态方程的具体步骤包括：

①引入所述附加控制系数k，将锁相环输出角频率差值ω-ω₀与控制系数k的乘积作为阻尼分量反馈到所述三相逆变器电流内环控制；

②所述修正后的电流内环控制状态方程为：

式中ω为锁相环输出角频率；

③基于步骤②修正后的非线性状态空间方程，线性化后可得如下的小信号模型：

式中，A′为n×n阶新状态矩阵。

优选地，所述步骤3分析新状态空间方程下的振荡模态，确定附加控制系数的可行域的具体步骤：

①根据系统锁相环振荡模态下的特征根轨迹，所述附加控制系数k从零逐渐增加，当振荡模态下的共轭特征根实部由正变负时，所述附加控制系数k为临界值；

②分析系统除锁相环振荡模态外，在逆变器控制主导模态、最大功率追踪主导模态、LCL滤波器主导模态下的特征根轨迹，确定所述附加控制系数k在当前锁相环增益设置下的范围；

③改变锁相环增益，确定系统在不同锁相环增益下所述附加控制系数k的可行域。

本发明公开的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，将锁相环输出角频率差值与所引入的控制系数k的乘积作为阻尼分量反馈到逆变器电流内环控制环节上，提供有效阻尼以抑制由锁相环参数设置不当引起的并网点功率振荡，保障了电力系统安全稳定运行。

附图说明

图1是光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法流程图。

图2是光伏并网系统拓扑结构图。

图3是改变锁相环比例增益时各振荡模态下的特征根轨迹图。

图4是引入附加阻尼控制后的控制框图。

图5是增大控制系数时主导振荡模态的特征根轨迹图。

图6是附加阻尼控制系数的可行域示意图。

图7是未投入附加阻尼控制时并网点A相电流与有功功率曲线图。

图8是投入附加阻尼控制时并网点A相电流与有功功率曲线图。

图9是投入附加阻尼控制前后系统特征根位置图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：对含锁相环的光伏并网系统进行锁相环主导模态识别；

步骤1.1：将光伏并网系统小信号模型线性化，得到系统状态空间方程；

光伏并网系统小信号模型包括：光伏电池模型、三相逆变器及其控制器模型、锁相环模型和线路模型。所述三相逆变器控制采用电流内环及电压外环比例积分调节器；所述锁相环模型的锁相环路新增状态变量x₃并选取锁相环输出相角θ^P作为状态变量。

步骤1.2：对光伏并网系统进行锁相环主导模态识别的具体方法：

①计算系统的振荡模态；

②改变光伏并网系统中的锁相环比例增益，绘制各个模态下的特征根轨迹；

③特征根中实部最先由负变为正的一组共轭特征根所对应的模态即为光伏并网系统锁相环主导振荡模态。

步骤2：利用锁相环输出变量修正电流内环控制状态方程，得到修正后的电流内环控制状态方程的具体步骤包括：

①引入所述附加控制系数k，将锁相环输出角频率差值ω-ω₀与控制系数k的乘积作为阻尼分量反馈到所述三相逆变器电流内环控制；

②所述修正后的电流内环控制状态方程为：

式中ω为锁相环输出角频率；

③基于步骤②修正后的非线性状态空间方程，线性化后可得如下的小信号模型：

式中，A′为n×n阶新状态矩阵

步骤3：分析新状态空间方程下的振荡模态，确定附加控制系数的可行域的具体步骤：

①根据系统锁相环振荡模态下的特征根轨迹，所述附加控制系数k从零逐渐增加，当振荡模态下的共轭特征根实部由正变负时，所述附加控制系数k为临界值；

②分析系统除锁相环振荡模态外其他模态下的特征根轨迹，其他模态主要包括逆变器控制主导模态、最大功率追踪主导模态、LCL滤波器主导模态。确定所述附加控制系数k在当前锁相环增益设置下的范围；

③改变锁相环增益，确定系统在不同锁相环增益下所述附加控制系数k的可行域。

以某并网功率为100kW的光伏电站经直流斩波环节、三相逆变器及升压变压器连接至电网为例，光伏阵列辐照度为1000W/m²，温度为25℃。

如图2为光伏并网系统拓扑结构图，PV为光伏电池组件，C_PV、U_PV为光伏阵列出口侧稳压电容及出口侧电压，L、i_L为Boost电路储能电感及其电流，C_dc、U_dc为Boost电路的输出电容及输出电压，DC/AC为三相逆变器，L_g为逆变器输出滤波阻抗，U_g为并网电压，Z_s＝R_s+jwL_s为系统阻抗，U_s为交流系统电压。

1.计算系统各个振荡模态，如下表所示；

由表可知，系统有三个振荡模态，其振荡频率分别为169.00、41.35和10.22Hz，阻尼比分别为0.0812、0.1052和0.1003。

2.锁相环主导模态识别，如图3所示。令光伏并网系统中的锁相环比例增益在60至1的范围内变化，绘制各个模态下的特征根轨迹。当锁相环比例增益为14时，模态3下的一组共轭特征根最先由负变正，即模态3为该系统的锁相环主导振荡模态。

3.引入附加频率阻尼控制，控制框图如图4所示。保持锁相环比例增益为14不变，令附加控制系数k在0～10的范围内变化，绘制主导模态的特征根轨迹如图5。由图可知，系统随着系数k的增大，振荡模态3下的特征根逐渐向左半平面移动，且当k增大到0.2时，特征根越过虚轴，而后系统进入稳定状态。即系数k的临界值为0.2。其他模式下的特征根在k从0到20的变化范围内始终维持在左半复平面，没有威胁到系统的稳定性。可知在当前的短路比和锁相环参数设置下，系数k在0.2～20的范围内取值可提高系统稳定性。

4.改变锁相环比例增益，在不同增益值下，控制系数k的下限值变化规律如图6。图中白色区域即为控制系数k的可行域。由图可知，随着锁相环比例增益的增大，控制系数k的下限值随之降低。

5.对电流内环附加阻尼控制的效果进行测试。锁相环比例增益设置为15，此时系统处于弱阻尼状态。设置在1s时，光伏电站并网点处发生三相短路接地故障，故障持续时间为0.05s。未投入附加控制时并网点A相电流和有功功率如图7所示，两者均呈现增幅振荡趋势，且功率振荡频率约为9.9Hz，与模态分析结果相同。投入k＝1的附加阻尼控制后，并网点A相电流和有功功率如图8所示，可以看出附加阻尼控制对振荡起到了阻尼抑制作用。

在锁相环增益设置为15时，加入附加阻尼控制前后，锁相环振荡模态下的特征根分布如图9所示。在加入电流内环附加阻尼控制后，该振荡模态下的特征根明显向左半复平面移动，阻尼特性增强，与仿真结果一致。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：对含锁相环的光伏并网系统进行锁相环主导模态识别；

步骤2：利用锁相环输出变量修正电流内环控制状态方程，得到修正后的电流内环控制状态方程；

步骤3：分析新状态空间方程下的振荡模态，确定附加控制系数的可行域。

2.根据权利要求1所述的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：将光伏并网系统小信号模型线性化，得到系统状态空间方程；

步骤1.2：对光伏并网系统进行锁相环主导模态识别。

3.根据权利要求2所述的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤1.1中光伏并网系统小信号模型包括：光伏电池模型、三相逆变器及其控制器模型、锁相环模型和线路模型。

4.根据权利要求3所述的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于：所述三相逆变器控制采用电流内环及电压外环比例积分调节器，三相逆变器电流内环控制的状态方程为：

式中，u_dt、u_qt为逆变器输出电压在d-q坐标下的表示，u_dg、u_qg为光伏并网点电压在d-q坐标下的表示，L_g为逆变器输出滤波电感，i_dg、i_qg为电网电流在d-q坐标下的表示，上标^*表示变量的参考值，K_P1、K_I1为电流内环比例、积分系数，ω₀为额定角频率，x₁、x₂为状态变量。

5.根据权利要求3所述的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于：所述锁相环模型的锁相环路新增状态变量x₃并选取锁相环输出相角θ^P作为状态变量，其状态方程为：

式中，K_PPLL为锁相环比例增益、K_IPLL为锁相环积分增益。

6.根据权利要求2所述的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤1.1的系统状态空间方程为：

式中，A为n×n阶原始状态矩阵，Δx为n维状态变量，其中包含Δx₁、Δx₂、Δx₃，Δu为m维输出变量，B为n×m阶控制或输入矩阵。

7.根据权利要求2所述的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤1.2对光伏并网系统进行锁相环主导模态识别的具体方法：

①计算系统的振荡模态；

②改变光伏并网系统中的锁相环比例增益，绘制各个模态下的特征根轨迹；

③特征根中实部最先由负变为正的一组共轭特征根所对应的模态即为光伏并网系统锁相环主导振荡模态。

8.根据权利要求4所述的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤2利用锁相环输出变量修正电流内环控制状态方程，得到修正后的电流内环控制状态方程的具体步骤包括：

①引入所述附加控制系数k，将锁相环输出角频率差值ω-ω₀与控制系数k的乘积作为阻尼分量反馈到所述三相逆变器电流内环控制；

②所述修正后的电流内环控制状态方程为：

式中ω为锁相环输出角频率；

③基于步骤②修正后的非线性状态空间方程，线性化后可得如下的小信号模型：

式中，A′为n×n阶新状态矩阵。

9.根据权利要求4所述的基于光伏并网系统的电流内环附加阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤3分析新状态空间方程下的振荡模态，确定附加控制系数的可行域的具体步骤：

①根据系统锁相环振荡模态下的特征根轨迹，所述附加控制系数k从零逐渐增加，当振荡模态下的共轭特征根实部由正变负时，所述附加控制系数k为临界值；

②分析系统除锁相环振荡模态外，在逆变器控制主导模态、最大功率追踪主导模态、LCL滤波器主导模态下的特征根轨迹，确定所述附加控制系数k在当前锁相环增益设置下的范围；

③改变锁相环增益，确定系统在不同锁相环增益下所述附加控制系数k的可行域。