CN109698502A - 一种自适应虚拟阻抗重塑的多逆变器微电网谐波谐振抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明在逆变器机侧电流反馈控制策略基础上，提出了一种自适应虚拟阻抗重塑的多逆变器微电网谐波谐振抑制方法，该方法包括虚拟阻抗重塑单元、参数自适应调整单元、电网阻抗在线检测单元。虚拟阻抗重塑单元可改善并网逆变器的输出阻抗特性，向微电网注入一定的阻尼分量；参数自适应调整单元根据电网阻抗参数，自适应调整虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数，维持系统稳定。电网阻抗在线检测单元提供电网等效阻抗作为参数自适应调整单元的输入。此方法改善了电流环特性，使得逆变器在各种电网阻抗条件下都可以维持稳定。该方法能解决现有多逆变器微电网系统中存在的控制系统复杂、控制参数固定、调节过程效率低等问题。

Description

一种自适应虚拟阻抗重塑的多逆变器微电网谐波谐振抑制 方法

技术领域

本发明属于电力电子及新能源发电领域，具体涉及一种自适应虚拟阻抗重塑的多逆变器微电网谐波谐振抑制方法。

背景技术

随着全球能源危机与环境问题的不断加剧，激励了可再生能源(如太阳能、风能、生物能等)并网技术的快速发展。微电网是由本地多分布式电源、储能装置和用电单元等组成的统一整体，是未来能源链的关键技术之一。并网逆变器作为连接分布式发电系统与公共电网的关键设备，其性能和控制方式好坏直接决定了并网电能的质量。

出现在LCL型并网逆变器中的谐波谐振问题会严重威胁微电网系统的稳定运行，目前很多研究主要是针对单台并网逆变器谐波谐振抑制，然而微电网中的谐波交互和谐振问题，在容量不断扩大的多机并网系统中尤其复杂，对多并网逆变器中存在的谐波谐振进行抑制是一个极具研究价值的问题。在微电网领域，随着多逆变器并联入网结构被广泛采用，建立更加符合实际系统的并网模型，通过自适应虚拟阻抗重塑控制策略，使并网逆变器根据电网阻抗不同情况，向微电网注入不同阻尼量，结合电流控制策略，达到抑制谐波谐振的目的，是本发明致力解决的问题。

发明内容

因网侧电流反馈的LCL滤波并网逆变器无法做到单闭环控制稳定，在网侧电流反馈控制中还需引入其他反馈控制量，本发明采用的是逆变器机侧电流反馈控制策略(如图1所示)，该算法简单，在控制器设计合适，控制参数选择合适的条件下，逆变器机侧电流控制能使系统保持稳定，避免逆变器谐振现象的发生，本发明的目的是针对现有多逆变器微电网系统中存在的控制系统复杂、控制参数固定、调节过程效率低等问题，提出一种自适应虚拟阻抗重塑的多逆变器微电网谐波谐振抑制方法，该方法不仅可以有效抑制多逆变器并联导致的串并联谐波谐振，而且能根据微电网系统情况，自适应调整虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种自适应虚拟阻抗重塑的多逆变器微电网谐波谐振抑制方法，在采用逆变器机侧电流反馈控制的基础上，其特征在于：虚拟阻抗重塑单元、参数自适应调整单元、电网阻抗在线检测单元，这三个单元在控制器中以数字化程序实现，其中，虚拟阻抗重塑单元可改善并网逆变器的输出阻抗特性，向微电网注入一定的阻尼分量；参数自适应调整单元根据电网阻抗情况，自适应调整虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数，维持闭环系统的稳定；电网阻抗在线检测单元提供电网等效阻抗作为参数自适应调整单元的输入。

在并网逆变器控制系统中，将逆变器机侧电感电流和滤波电路电容电压等作为状态反馈量，来改变并网逆变器等效输出阻抗，达到与并网逆变器机侧电感、滤波电容串并联实际阻抗相同谐波谐振抑制效果的目的，不仅可以改善并网逆变器的输出阻抗，而且当多逆变器并联时，还可以改善分布式微电网的网络阻抗。但是，控制环节中的虚拟阻抗在抑制高次谐波谐振的同时，也会对工频的基波电流分量产生一些影响，进而影响并网功率的跟踪精度，特别是滤波电感串联阻抗会降低LCL滤波器的低频增益。为了只重塑网络内除工频外的其他频率分量，需要先获得并网逆变器的谐波输出电压和电流，本发明在虚拟阻抗重塑单元中引入基频陷波器，使其消除该单元中不需要的基频分量，该基频陷波器传递函数为：

其中，k为阻尼系数，ω₀为电网基波角频率。式一特点是：基频的电压(或电流)分量会得到很大的衰减，而其他频率的分量可以无损地通过该基频陷波器。

基于虚拟阻抗重塑的单台并网逆变器控制等效框图如图2所示。其中，虚拟阻抗重塑单元的控制参数主要有虚拟阻抗R_sc、R_pc，电流调节控制器的控制参数主要有比例系数k_p、谐振系数k_r。图2所示控制系统的开环传递函数是：

其中，H_i是电流增益系数；H_i1是逆变器机侧电感电流反馈采样系数；G_i(s)是准比例谐振电流调节控制器；是逆变器增益；m指并网逆变器的台数，mL_g由电网阻抗在线检测技术获得。

本发明中采用准比例谐振(Quasi-Proportional Resonance，QPR)电流调节控制器，其传递函数为：

其中，k_p是比例系数；k_r是谐振系数；w_c是截止频率；w₀是谐振频率。

电网阻抗不仅是影响单台并网逆变器稳定性的因素，也是影响多台并网逆变器并联组成的系统稳定性的因素，由分析可知，多台并网逆变器并联时，其中任意一台并网逆变器在公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)处的等效电网阻抗，其数值等于电网阻抗值与PCC处并联的并网逆变器台数乘积，因此，并网逆变器并联台数的变化会使单台逆变器等效电网阻抗发生变化，而并网逆变器之间会通过电网阻抗发生串并联谐波谐振，此时的电流控制器控制参数不是最合适的，而本发明的系统稳定运行依赖于电流控制器的控制参数选取，本发明针对上述问题提出了自适应虚拟阻抗重塑方法，该方法可以自适应调整虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数，使得并网逆变器在各种电网阻抗条件下都可以保持稳定的控制特性。针对电流调节控制器中的比例系数k_p、谐振系数k_r，以及虚拟阻抗重塑单元中的虚拟阻抗R_sc、R_pc，设计过程如下：

比例系数k_p，截止频率设计一般取10倍基频，小于1/5开关频率，本发明将系统的截止频率设计为1kHz。在考虑小于截止频率之前的频域特性时，可以忽略电容支路。此时，LCL滤波器可以被简化为单L滤波器。同时，在穿越频率f_c处QPR电流调节器主要受k_p的影响，此时，控制系统的开环传递函数可以简化为：

由截止频率f_c的定义可以得到：

经过反推，得到比例系数k_p的自适应调整计算式为：

谐振系数k_r，为了实现电网电流对电网电压的有效跟踪，设计50Hz处系统的低频增益T_f0为60dB。在基准频率f₀处，由于f₀＜f_r，系统仍旧可以被简化为单L滤波器，此时QPR电流调节器主要受k_r的影响，控制系统的开环传递函数可以简化为：

由基频增益T_f0的定义得到：

整理式八，得到关于谐振系数k_r的二元一次方程为：

其中：

可知，谐振系数k_r的自适应调整计算式为：

在本发明中，控制策略的阻尼系数是谐振系统的关键参数，其取值过大可能会降低系统的稳定裕度，取值过小则无法有效抑制谐波谐振，在工程上一般取0.5～1之间。为了保证在各种电网阻抗条件下，系统仍然具有一定的稳定裕度，将系统阻尼系数ξ_IP设计在0.707，在此，考虑到LCL滤波器的滤波效果和系统的效率，因为电网阻抗的变化对虚拟串联阻抗R_sc谐波谐振抑制能力的影响不大，在电网阻抗大幅度变化范围内，都能保证各次谐波得到很好的抑制，所以在虚拟阻抗重塑环节中事先设定好R_sc的值，只调节虚拟阻抗R_pc的值，根据式二，可得到控制系统的闭环传递函数如下：

本发明对于R_pc的求解思路，以保证系统阻尼系数不变为原则，对G_cl的分母进行分析，定义阻尼系数ξ_IP和谐振频率w_IP，求解出ξ_IP关于R_pc的函数关系式，根据此关系式经过反推得到虚拟阻抗R_pc关于mL_g的自适应调整函数计算式，在本发明中据此对R_pc进行调整。

可根据电网阻抗参数，利用对应的自适应调整计算式进行计算，自适应调整虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数，维持控制系统的截止频率、基频增益和阻尼不变，以保持系统稳定性。

电网阻抗在线检测单元对电网阻抗情况进行检测，本发明采用成熟的小信号注入法，在电流调节器的基准电流i_ref上注入一定幅值的高频测量电流i_m，造成并网电压u_pcc和并网电流i_g在测量频率f_m处产生响应，对并网电压和并网电流进行快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)分析，分别得到它们在测量频率f_m处的幅值和相位信息，则可计算得到电网阻抗为：

根据式十二，可得到电网感抗L_g和电网阻抗R_g为：

由于上述技术方案的运用，因此，本发明具有如下特点：

1、本发明采用虚拟阻抗重塑技术，改善了并网逆变器的输出阻抗特性，当多并网逆变器并联接入微电网时，采用该控制策略有效地改变微电网的网络阻抗，尤其是增强网络的串并联阻性分量，抑制网络内高次谐波的串并联谐振，并且在一定程度上改善系统的电流环特性，提高系统的稳定性；

2、本发明的参数自适应调整单元，根据电网阻抗参数，自适应调整虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数，既保证理想电网情况下系统的稳定性，又保证弱电网情况下系统的稳定性；

3、本发明采用基于小信号注入法的电网阻抗在线检测技术，能够实时获取电网阻抗，将该参数实时自动送至参数自适应调整单元，避免人工不断修正控制器参数，节省了人力物力，提高了整个并网控制系统的智能化控制。

附图说明

图1为本发明中采用的三相LCL型并网逆变器机侧电流反馈控制系统框图；

图2为本发明中基于虚拟阻抗重塑的单台并网逆变器控制等效框图；

图3为本发明中的加入自适应虚拟阻抗重塑功能的并网逆变器控制框图；

图4为本发明中参数自适应调整过程的流程图；

图5为本发明的谐波谐振抑制效果仿真图。

具体实施方式

以下将结合本发明的优选实例和附图对技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，优选实例仅仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护范围。

本发明提供了一种自适应虚拟阻抗重塑的多逆变器微电网谐波谐振抑制方法，采用逆变器机侧电流反馈控制策略使并网逆变器避免发生谐振，一旦检测到微电网系统PCC处发生谐振，对电网阻抗参数进行检测，启动参数自适应调整单元，对虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数进行调节，使得系统在短时间内达到稳定状态，改善系统的电流环特性，使得逆变器在各种电网阻抗条件下都可以维持稳定，提高了多逆变器微电网系统的可靠性。

一种实施例的控制结构示意图如图3所示、流程图如图4所示，本实施例的主要内容包括：

自适应控制方案包括：虚拟阻抗重塑单元、参数自适应调整单元、电网阻抗在线检测单元，采用电网阻抗在线检测技术获得每个并网逆变器在PCC处的等效电网阻抗，该技术是在参考电流上叠加一定频率和幅值的谐波电流，造成并网电压和并网电流在该频率下的响应，采用FFT算法对PCC的并网电压电流进行分析，获得测量频率下的并网电压u_pcc和并网电流i_g的幅值和相位信息，从而得到实时等效电网阻抗值，通过该值，计算得到电网电感L_g。根据并网逆变器拓扑参数和电网阻抗参数，计算虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数，并对控制参数进行修正，以保证在各种电网阻抗和逆变器参数条件下，并网逆变器始终能稳定高效地运行。

以两台采用图3控制方案的并网逆变器并联系统为例，分析微电网谐波谐振抑制效果，效果如图5所示。并网逆变器、电网、控制环节部分参数如表1所示，通过逆变器的固有谐振特性发现系统存在一个频率为4.16kHz左右的谐振点。

表1是并网逆变器、电网、控制环节部分参数

按照图3在Matlab中搭建仿真系统，按照表1设置预定控制参数，开始运行仿真。首先单台逆变器并网运行，其输出电流波形如图5中的i_g1所示，在t＝0.06s时给电网电压中加入5％的4.16kHz的谐波，在t＝0.12s时加入逆变器机侧电流反馈进行谐振抑制，在t＝0.18s时加入虚拟阻抗重塑单元进行谐波抑制，控制框图如图2所示。由图5可见：加入逆变器机侧电流反馈和虚拟阻抗重塑单元后，单台并网逆变器的谐波谐振得到有效的抑制。

在加入虚拟阻抗重塑单元的并网逆变器运行稳定后，t＝0.24s时，在PCC处接入第2台LCL型并网逆变器，其滤波器参数和控制参数与第1台完全相同，此时单台并网逆变器在PCC处的等效电网阻抗mL_g发生变化，PCC处电压U_pcc和电流i_g出现谐波谐振现象，t＝0.30s时投入参数自适应调整单元和电网阻抗在线检测单元，先后对QPR电流调节控制器、虚拟阻抗重塑单元中的控制参数进行修正。

参数自适应调整实现的过程如下：

步骤S110：单台投入虚拟阻抗重塑单元的并网逆变器稳定工作，执行步骤S120；

步骤S120：多台LCL型并网逆变器并联后，检测并网逆变器微电网谐振是否发生，若发生，执行步骤S130，否则，执行步骤S110；

步骤S130：投入电网阻抗在线检测单元，通过该单元得到mL_g，计算式为：

执行步骤S140；

步骤S140：将步骤S130中的mL_g数值传入参数自适应调整单元中，在DSP控制器中计算控制参数k_p、k_r、R_pc，计算式为：

k_r中，

根据ξ_IP关于R_pc的函数关系式，求出的虚拟阻抗R_pc关于mL_g的自适应调整函数关系式；得到新的控制参数k_p、k_r、R_pc，执行步骤S150；

步骤S150：对虚拟阻抗重塑单元中的控制参数R_pc，以及电流调节控制器中的控制k_p、k_r进行修正，执行步骤S160；

步骤S160：完成修正虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器主要控制参数后，执行步骤S120，判断并网逆变器微电网系统中的谐波谐振现象是否得到有效抑制，若得到有效抑制，则可以断开参数自适应调整单元和电网阻抗在线检测单元，以释放系统控制器资源，提高控制器的工作效率。

由图5仿真波形表明：在加入参数自适应调整单元后，在无手动修正控制器参数的情况下，逆变器输出的并网电压、并网电流以及电网电压、电流波形畸变小，系统具有较高的稳定裕度，可看出，本发明中的自适应虚拟阻抗重塑技术，结合逆变器机侧电流控制策略，能对多并网逆变器微电网谐波谐振进行自适应有效抑制。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所展示的实施例，而是要符合于本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自适应虚拟阻抗重塑的多逆变器微电网谐波谐振抑制方法，其特征在于，所述方法包括：

在单台LCL型并网逆变器并网或多台并联并网时，采用虚拟阻抗重塑策略，能改善并网逆变器的输出阻抗，向微电网注入一定的阻尼分量，若微电网内的每台光伏并网逆变器都采用虚拟阻抗重塑策略，能有效地改变微电网的网络阻抗，尤其是能增强网络的串并联阻性分量，抑制网络内高次谐波的串并联谐振；

参数自适应调整单元与电网阻抗在线检测技术相结合，根据电网阻抗参数，自适应调整虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数，既能保证理想电网情况下系统的稳定性，又能保证弱电网情况下系统的稳定性；

电网阻抗在线检测单元采用小信号注入法，能够实时获取电网阻抗，将该参数实时自动送至参数自适应调整单元，避免人工不断修正控制器参数，节省了人力物力，提高了整个并网控制系统的智能化控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一种虚拟阻抗重塑策略包括：

将并网逆变器机侧电感电流作为状态变量，以该状态变量为反馈量的负反馈环节，通过基频陷波器和虚拟阻抗系数，达到在并网逆变器机侧电感串联实际阻抗相同谐波谐振抑制效果的目的；

将并网逆变器滤波电容电压作为状态变量，以该状态变量为反馈量的负反馈环节，通过基频陷波器和虚拟阻抗系数，达到在逆变器滤波电容两端并联实际阻抗相同谐波谐振抑制效果的目的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，参数自适应调整实现的过程：

单机运行或多机并联后，若检测到并网逆变器或PCC处谐波谐振现象发生，则投入电网阻抗在线检测单元和参数自适应调整单元，利用电网阻抗在线检测单元，获取各并网逆变器在PCC处的等效电网阻抗值；

将等效电网阻抗作为参数自适应调整单元的输入，该单元通过自适应调整计算式，得到新的虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数，其中包括：虚拟阻抗R_pc，电流调节控制器比例系数k_p、谐振系数k_r；

对虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数R_pc、k_p、k_r进行修正，从而实现控制参数的自适应调整，使得并网逆变器在各种电网阻抗条件下都可以保持稳定的控制特性，从而提高多台LCL型并网逆变器并联运行的稳定性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，参数自适应调整的实现原理在于：从满足控制系统稳定性的系统截止频率、基频增益和阻尼出发，通过计算，得到等效电网阻抗与虚拟阻抗重塑单元、电流调节控制器中的控制参数之间的函数关系式，以该关系式进行计算，得到更新的控制参数。