CN109638894A - 一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)。SAS通过重塑电网阻抗的方式来解决并网逆变器(GCI)与弱电网之间的不稳定问题。与传统的稳定方法不同，SAS不需要知道关于GCI的信息，因此将其视为一个黑盒稳定模块。SAS与GCI和电网阻抗串联，它只消耗非常小的功率，效率较高，经济性较好。SAS通过非常简单的自适应电流控制器实现，无任何附加的锁相环(PLL)，在实际应用中容易实现。此外，SAS还自动匹配不同的GCI，具有良好的自适应性和鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于分布式发电、微电网技术领域，具体涉及一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)。
背景技术
分布式发电对于高效利用可再生能源，改善能源结构，应对全球气候变化具有重要意义。同时，该技术兼具安装地点灵活、能源利用率高、输电线路损耗少等优点，因而获得了世界各国的广泛关注，并在北欧诸国得到了广泛的应用。在实际应用中，分布式发电机组往往通过并网逆变器(GCI)为电网提供能量，以期达到高度自主化，模块化的目标，同时兼具可扩展性和可维护性的优点。在这一过程中，GCI通常被视作电压源转换器，并通过LCL型滤波器或者经典的L型滤波器与电网直接相连。然而，无论是LCL型GCI还是L型GCI，它们都可能在弱电网情况下导致PCC点电压不稳定的问题。此外，即使单台GCI单独运行稳定，当多台GCI并联运行时，该系统也可能变得不稳定。其主要原因是GCI输出阻抗与电网阻抗不匹配。
为了解决上述稳定性问题，各类新型技术层出不穷，而这些技术的主要关键点均围绕在如何重塑GCI的输出阻抗上。譬如，利用无源和有源阻尼技术来解决输出阻抗的谐振峰值问题。利用有源阻尼器在公共耦合点(PCC)处并联连接，以期重塑GCI输出阻抗。利用电网电压前馈机制并将其集成到GCI控制中，从而减轻可变电网阻抗对GCI输出阻抗的影响。
然而，所有上述现有的改善稳定性的方法都集中于如何重塑GCI阻抗上，换言之，GCI内部信息对于上述方法的成功应用是不可或缺的。而这一要求实际上阻碍了电力电子系统的模块化发展。例如，如果改变GCI，控制器则需要根据来自新GCI的新信息再次重新设计原始稳定方法，这显然增加了研发周期以及时间成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，与上述传统技术相反，SAS不改变GCI的输出阻抗，转而关注如何重塑电网阻抗，无需知道GCI的任何信息，SAS可以被视为黑盒稳定器模块自行匹配不同的GCI；此外，SAS还通过非常简单的电流控制器根据不同的GCI自适应地形成电网阻抗；从效率上讲，由于SAS的固有的串联连接方式，SAS在实际工作中仅产生非常小的功率损耗，也兼具高效率，经济性良好的优点，提高系统暂态稳定性及动态性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：根据并网逆变器与弱电网连接的拓扑推导包含了滤波器的等效阻抗模型，从而给出并网逆变器等效为非理想电流源情形下对应的电流表达式Iinv(s)，并导出等效输出阻抗表达式Zinv(s)以及弱电网侧等效阻抗Zg(s)表达式；
步骤2：在同一个波特图中同时画出并网逆变器输出阻抗与弱电网侧等效阻抗，确定两者交接频率fint及其相位关系，确定频率不稳定区域；
步骤3：设计SAS等效串联阻抗ZSAS，使得ZSAS在(|ZSAS|>>|Zg(s)|)且靠近fint的频率范围内现出高阻性质，同时相位满足在其他频率范围内，理想|ZSAS|波特图幅值部分为小于0dB平行于实轴的直线；
步骤4：根据上述步骤确定交接频率fint，相位关系，以及确定的频率不稳定区域来设计的SAS等效串联阻抗ZSAS，并分别根据设计的ZSAS校准SAS控制器中稳定性检测与判别电路以及对应的电流自适应控制电路。
串联自适应稳定器(SAS)连接方式为作用于并网逆变器和弱电网之间的串联结构，因而SAS仅存在极小的功率损耗。
串联自适应稳定器的工作原理在于利用该等效阻抗重塑弱电网侧阻抗；同时，SAS将并网逆变器侧视作黑盒，无需采集逆变器内部信息，对并网逆变器输出阻抗无任何影响。
SAS串联等效阻抗ZSAS设计准则在于使得ZSAS在(|ZSAS|>>|Zg(s)|)且靠近fint的频率范围内现出高阻性质，同时相位满足在其他频率范围内，理想|ZSAS|波特图幅值部分为小于0dB平行于实轴的直线。
串联自适应稳定器工作触发指令来源于稳定性检测与判别电路，从而使得SAS可以检测PCC点相关电能质量指标并判别并网逆变器和弱电网系统稳定与否；当且仅当系统被判别为不稳定时，SAS被投入使用直到该系统恢复稳定；此后，SAS将进入备用待机状态；稳定性检测与判别电路使得SAS实现按需自适应工作，进一步减小其功率损耗。
串联自适应稳定器(SAS)通过非常简单的自适应电流控制器实现，无任何附加的锁相环(PLL)，还自动匹配不同的GCI，因此在实际应用中容易实现。
SAS等效串联阻抗ZSAS分别校准SAS控制器中稳定性检测与判别电路以及对应的电流自适应控制电路。
一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，所述步骤1中，并网逆变器等效为非理想电流源情形下对应的电流表达式Iinv(s)：
Iinv(s)＝[Ti(s)/(1+Ti(s))]·(iref(s)/Hs(s))
并网逆变器等效为非理想电流源情形下对应的等效输出阻抗Zinv(s)表达式：
其中，Ti(s)表示并网逆变器的环路增益：
弱电网侧等效阻抗：
Zg(s)＝sLg
本发明提出的一种用于并网逆变器和弱电网之间的的串联自适应稳定器(SAS)，SAS可以自动调整弱电网侧阻抗，使其与逆变器等效输出阻抗匹配，从而保证GCI在任何弱电网情况下都能保持稳定；而传统方法大多着眼于重塑并网逆变器侧输出阻抗，因而需要采集逆变器内部相关信息，不利于逆变器模块化集成；本发明为解决并网逆变器和弱电网相连失稳问题提供了一种新的方法；与现有技术相比，该方法优点为：
1、SAS无须采集GCI侧信息，被视作一个黑盒稳定模块，有利于逆变器模块化集成。
2、SAS自动调整弱电网侧阻抗，使其与逆变器等效输出阻抗匹配，鲁棒性强。
3、SAS与GCI和电网串联，因此它只消耗极小的功率，效率高，经济性好。
4、为并网逆变器与弱电网相连失稳问题提供了全新的思路。
附图说明
图1为本发明实施例中SAS投入使用后并网逆变器连接弱电网的示意图及其对应的阻抗模型概念图；
图2为SAS投入使用并重塑电网阻抗前后并网逆变器，弱电网网侧阻抗对应的波特图；
图3为本发明实施例中SAS拓扑图及其控制实现框图；
图4为本发明实施例中SAS投入使用前后的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明涉及一种用于并网逆变器和弱电网之间的的串联自适应稳定器(SAS)；与传统的稳定方法不同，SAS不需要知道关于GCI的信息，因此将其视为一个黑盒稳定模块；SAS通过重塑电网阻抗的方式来解决并网逆变器(GCI)与弱电网之间的不稳定问题；SAS与GCI和电网阻抗串联，因此它只消耗非常小的功率，效率较高，经济性较好；SAS通过非常简单的自适应电流控制器实现，无任何附加的锁相环(PLL)，因此在现实世界中非常容易实现；此外，SAS还自动匹配不同的GCI，自适应性和鲁棒性良好；具体包括如下步骤：
步骤1：根据并网逆变器与弱电网连接的拓扑推导包含了滤波器的等效阻抗模型，从而给出并网逆变器等效为非理想电流源情形下对应的电流表达式Iinv(s)，并导出等效输出阻抗表达式Zinv(s)以及弱电网侧等效阻抗Zg(s)表达式；
步骤2：在同一个波特图中同时画出并网逆变器输出阻抗与弱电网侧等效阻抗，确定两者交接频率fint及其相位关系，确定频率不稳定区域；
步骤3：设计SAS等效串联阻抗ZSAS，使得ZSAS在(|ZSAS|>>|Zg(s)|)且靠近fint的频率范围内现出高阻性质，同时相位满足在其他频率范围内，理想|ZSAS|波特图幅值部分为小于0dB平行于实轴的直线；
步骤4：根据上述步骤所确定的交接频率fint，相位关系，以及确定的频率不稳定区域来设计的SAS等效串联阻抗ZSAS，并分别根据设计的ZSAS校准SAS控制器中稳定性检测与判别电路以及对应的电流自适应控制电路；
SAS连接方式为作用于并网逆变器和弱电网之间的串联结构，因而SAS仅存在极小的功率损耗；
串联自适应稳定器的工作原理在于利用该等效阻抗重塑弱电网侧阻抗，同时，SAS将并网逆变器侧视作黑盒，无需采集逆变器内部信息，对并网逆变器输出阻抗无任何影响；
SAS串联等效阻抗ZSAS设计准则在于使得ZSAS在(|ZSAS|>>|Zg(s)|)且靠近fint的频率范围内现出高阻性质，同时相位满足在其他频率范围内，理想|ZSAS|波特图幅值部分为小于0dB平行于实轴的直线；
串联自适应稳定器工作触发指令来源于稳定性检测与判别电路，从而使得SAS检测PCC点相关电能质量指标并判别并网逆变器和弱电网系统稳定与否；当且仅当系统被判别为不稳定时，SAS被投入使用直到该系统恢复稳定；此后，SAS将进入备用待机状态；稳定性检测与判别电路使得SAS实现按需自适应工作，进一步减小其功率损耗；
串联自适应稳定器(SAS)通过非常简单的自适应电流控制器实现，无任何附加的锁相环(PLL)，还自动匹配不同的GCI，因此在实际应用中容易实现；
SAS等效串联阻抗ZSAS分别校准SAS控制器中稳定性检测与判别电路以及对应的电流自适应控制电路。
一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，所述步骤1中，并网逆变器等效为非理想电流源情形下对应的电流表达式Iinv(s)：
Iinv(s)＝[Ti(s)/(1+Ti(s))]·(iref(s)/Hs(s))
并网逆变器等效为非理想电流源情形下对应的等效输出阻抗Zinv(s)表达式：
其中，Ti(s)表示并网逆变器的环路增益：
弱电网侧等效阻抗：
Zg(s)＝sLg
图1为本发明实施例中接入SAS后并网逆变器连接弱电网的示意图及其对应的阻抗模型概念图；根据图1并网逆变器连接弱电网的电路图可以推得并网逆变器等效为非理想电流源情形下对应的电流表达式Iinv(s)以及对应的等效输出阻抗表达式Zinv(s)；基于此得到对应的阻抗模型概念图，同时画出并网逆变器输出阻抗对应的波特图，见图2。
图2(a)为本发明实施例中用于表明逆变器输出阻抗Zinv，弱电网网侧阻抗Zg，SAS串联等效阻抗ZSAS关系的波特图；图2(b)为本发明实施例中，SAS投入使用后逆变器输出阻抗Zinv，弱电网网侧阻抗Zg对应的波特图；图2并非严格按照实际系统参数作出，而主要着眼于厘清本文创新点，便于阐述；据图2所示，在并网逆变器与弱电网相连的典型不稳定系统中，弱电网侧阻抗Zg(s)的原始波特图和并网逆变器输出阻抗Zinv(s)对应的波特图存在幅值相交点，并且在此交叉点fint频率处，大于180°；因此，系统不稳定；理想的SAS等效阻抗ZSAS对应的波特图如图2右图所示；从中可以看出，ZSAS有两个特点：a)ZSAS在fint附近被视作一个非常大的电阻(|ZSAS|>>|Zg(s)|)，此时b)ZSAS在其他频率范围内幅值非常小；根据图2右图所示，如果SAS与电网串联，则电网阻抗将被重塑；虽然此时Zg(s)仍与Zinv相交，但远小于180°；因此，不稳定问题得以解决。
图3(a)为本发明实施例中SAS拓扑图,图3(b)为本发明实施例中SAS的控制实现框图；由图3(a)可知，SAS的拓扑结构与传统的串联有源电力滤波器(SAPF)相同；此外，与SAPF一样，它与GCI和电网阻抗串联，因而其功率损耗非常小；尽管SAS的拓扑和位置与SAPF相同，但其控制逻辑与SAPF完全不同，并具有以下特征：a)SAS专注于稳定性问题而不是谐波问题；b)SAS的主控制模块只是一个开环电感电流(iLa)控制器：它的目的只是为了增加一个与电网串联的虚拟阻抗ZSAS来重塑电网阻抗，以达到图2中的效果；c)图3(b)中iLa控制器是一个自适应控制器：它自动检测fint。如果原始系统稳定，则虚拟阻抗ZSAS将被设置为零。
图4为本发明实施例中SAS投入使用前后的实验结果图；其中图4(a)表示SAS未投入使用时PCC点电压，并网电流以及电容电压波形图；图4(b)表示SAS投入使用之后PCC点电压，并网电流以及电容电压波形图；图4(c)反应了SAS投入使用前后瞬间动态波形图；由图4可知，本发明提出的方法使得PCC点电压，并网电流以及电容电压波形的扰动，纹波，畸变均大大减少，成功解决了并网逆变器与弱电网相连的失稳问题。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。
Claims (7)
1.一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：根据并网逆变器与弱电网连接的拓扑推导包含了滤波器的等效阻抗模型，从而给出并网逆变器等效为非理想电流源情形下对应的电流表达式Iinv(s)，并导出等效输出阻抗表达式Zinv(s)以及弱电网侧等效阻抗Zg(s)表达式；
步骤2：在同一个波特图中同时画出并网逆变器输出阻抗与弱电网侧等效阻抗，确定两者交接频率fint及其相位关系，确定频率不稳定区域；
步骤3：设计SAS等效串联阻抗ZSAS，使得ZSAS在(|ZSAS|>>|Zg(s)|)且靠近fint的频率范围内现出高阻性质，同时相位满足在其他频率范围内，理想|ZSAS|波特图幅值部分为小于0dB平行于实轴的直线；
步骤4：根据上述步骤确定交接频率fint，相位关系，以及确定的频率不稳定区域来设计SAS等效串联阻抗ZSAS，并分别根据设计的ZSAS校准SAS控制器中稳定性检测与判别电路以及对应的电流自适应控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，其特征在于：串联自适应稳定器(SAS)的SAS连接方式为作用于并网逆变器和弱电网之间的串联结构，因而SAS仅存在极小的功率损耗。
3.根据权利要求1所述的一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，其特征在于：串联自适应稳定器的串联等效阻抗的工作原理在于利用该等效阻抗重塑弱电网侧阻抗；同时，SAS将并网逆变器侧视作黑盒，无需采集逆变器内部信息，对并网逆变器输出阻抗无任何影响。
4.根据权利要求1所述的一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，其特征在于：SAS串联等效阻抗ZSAS的设计准则在于使得ZSAS在(|ZSAS|>>|Zg(s)|)且靠近fint的频率范围内现出高阻性质，同时相位满足在其他频率范围内，理想|ZSAS|波特图幅值部分为小于0dB平行于实轴的直线。
5.根据权利要求1所述的一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，其特征在于：串联自适应稳定器的工作触发指令来源于稳定性检测与判别电路，使得SAS可以检测PCC点相关电能质量指标并判别并网逆变器和弱电网系统稳定与否；当且仅当系统被判别为不稳定时，SAS被投入使用直到该系统恢复稳定；此后，SAS将进入备用待机状态；稳定性检测与判别电路使得SAS实现按需自适应工作，进一步减小其功率损耗。
6.根据权利要求1所述的一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，其特征在于：串联自适应稳定器(SAS)通过非常简单的自适应电流控制器实现，无任何附加的锁相环(PLL)，还自动匹配不同的GCI，因此在实际应用中容易实现。
7.根据权利要求1所述的一种用于并网逆变器和弱电网之间的串联自适应稳定器(SAS)，其特征在于：SAS等效串联阻抗ZSAS分别校准SAS控制器中稳定性检测与判别电路以及对应的电流自适应控制电路。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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