CN109787280A - 基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法。该方法通过对逆变器三相LC滤波器电容输出端电流进行采样，并根据坐标变换方程得到三相LC滤波器电容输出端电流的dq轴分量，由起始阻抗角方程得到所需模拟的线路阻抗对应的起始阻抗角正弦值和余弦值，再通过线路阻抗模拟方程，便可实现对逆变器系统线路阻抗的模拟功能。本发明公开的基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法，为微电网的建设提供了可行性依据，方便了对分布式发电系统的负荷需求研究，同时，逆变器系统无需增加额外电力电子设备，降低功耗，节约成本。

Description

基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法

技术领域

本发明属于电能质量分析和控制领域，具体涉及一种基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法。

背景技术

近年来全球气候问题日益严重，二氧化碳排放量过大所导致的温室效应开始引起人们的重视。因此，国家大力发展可再生的能源技术，并将其作为新能源发展战略的重要组成部分，以此来解决传统能源消耗所存在的问题。

微型电网作为近年来兴起的概念，受到国家和政府的高度重视，各地均有微电网与分布式电源项目投入建设。对微电网进行科学、系统的研究，攻克其中的安全性、稳定性及动态控制等难题，也成为紧迫的问题。完整的微电网至少由发电源、变电系统、输电线路和用电负载四个部分组成。在正式建设微电网之前，一般都需要对其可行性进行充分的实验研究，其中一个重要的研究项目就是由发电源输出的电流经过长距离输电线路的损耗之后，还是否能满足负载的需要。众所周知，实验室中架设真正的长距离输电线路是不现实的，同时，对于高渗透率分布式发电系统，单机系统线路阻抗的模拟功能能够提高系统的利用率，降低系统功耗，减少成本。因此，采用线路阻抗模拟的方法来进行模拟实验是很有意义的。

目前，关于线路阻抗模拟的研究已成为分布式发电的重要问题，如中国发明专利《带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器及控制方法》(CN 104852616 A)、《一种线路阻抗模拟装置及系统》(公开号CN 108680809 A)和《一种逆变器虚拟阻抗的矢量图分析方法》(公开号CN 105826950 A)，其中：

中国发明专利(公开号CN 104852616 A)于2015年08月19日公开的《带有线路阻抗模拟功能的电网模拟器及控制方法》，本发明所述的电网模拟器通过对负载电流进行反馈调节来实现线路阻抗模拟的功能，完善了电网模拟器的功能，但该专利仅研究了线路阻抗对电压幅值的衰减，没有对阻感性线路阻抗的相位模拟进行深入研究；

中国发明专利(公开号CN 108680809 A)于2018年10月19日公开的《一种线路阻抗模拟装置及系统》，本发明通过合理设计线路阻抗模拟装置的内部结构，使得一套线路阻抗模拟装置可以同时模拟两条线路的阻抗，最大程度上提高了阻抗的利用率，减小了线路阻抗模拟装置的体积，通过就地控制器可实现就地和远程控制，但本发明没有对系统的功耗进行分析，也没有对系统的成本进行评估；

中国发明专利(公开号CN 105826950 A)于2018年8月3日公开的《一种逆变器虚拟阻抗的矢量图分析方法》，本发明提出了一种逆变器虚拟阻抗的矢量图分析方法，针对加入不同类型虚拟阻抗的情况对逆变器基频处输出阻抗的大小及阻抗性质进行分析，但本发明仅对单相逆变器系统进行分析设计，没有涉及具体的虚拟阻抗控制方法。

纵观现有相关线路阻抗模拟的申请专利，其存在的技术问题如下：

1、关于线路阻抗模拟的方法研究甚少，为了更好地评估微电网建设的可行性，满足分布式发电的负荷需求，提升高渗透率新能源发电系统的利用率，有必要深入且全面的研究线路阻抗模拟的控制方法；

2、线路阻抗模拟相关的实现装置需要考虑装置系统的功耗以及成本，更好地评估装置的可靠性、可行性；

3、线路阻抗的相关模拟方法需要加入相位的控制才更加精确。

发明内容

本发明提出了一种基于起始阻抗角的线路阻抗模拟方法，该方法可根据所需模拟线路阻抗的实际参数，由起始阻抗角方程得到对应的三角函数值，然后通过线路阻抗模拟方程，便可实现逆变器系统线路阻抗的模拟功能。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供了一种基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法，其中该模拟方法所涉及的逆变器系统包括直流源，电压源型逆变器，线路阻抗模拟单元和负载；

所述电压源型逆变器包括直流侧、功率开关管和三相LC滤波器；所述直流侧的输出端与所述功率开关管的输入端相连，所述功率开关管的输出端与所述三相LC滤波器的输入端相连；所述三相LC滤波器的输出端与所述线路阻抗模拟单元的输入端相连，所述线路阻抗模拟单元的输出端与所述负载的输入端相连；

所述基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，采样三相LC滤波器电容输出端电流I_a、I_b、I_c，并通过坐标变换方程得到三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q，采样三相LC滤波器电容输出端相电压U_a、U_b、U_c，并通过坐标变换方程得到三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q；

步骤2，根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q，设线路阻抗模拟单元输入端电压相量为输出端电压相量为输出电流相量为所模拟的线路阻抗参数为Z，其中线路阻抗参数的电阻值为R，电抗值为X；设三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴初始参考分量为当逆变器系统进入稳态时，所述线路阻抗模拟单元有如下相量关系：

X＝ωL_V＝2πf·L_V

其中，j为虚数单位，ω为基波角频率，f为基波频率，L_V为电感值；

步骤3，根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q和三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q以及步骤2中线路阻抗模拟单元的相量关系，并设作为d轴定向，得到线路阻抗模拟方程如下：

步骤4，根据步骤2中所模拟的线路阻抗参数的电抗值X，通过起始阻抗角方程，求得起始阻抗角δ的正弦值和余弦值，令δ∈[0,π/2]；

所述起始阻抗角方程如下：

步骤5，根据步骤3中得到的所述线路阻抗模拟方程和步骤4中得到的所述起始阻抗角方程，得到基于起始阻抗角的线路阻抗模拟方程，并计算得到加入起始阻抗角后三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴当前参考分量

所述基于起始阻抗角的线路阻抗模拟方程如下：

步骤6、根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q和三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q，以及步骤5中得到的加入起始阻抗角后三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴当前参考分量经过电压电流双闭环控制方程得到电压源型逆变器的控制电压dq轴分量U_PWMd、U_PWMq，再通过PWM调制生成驱动信号驱动电压源型逆变器功率开关管进行控制；

所述电压电流双闭环控制方程为：

其中，K₁为电压闭环控制的比例系数，K₂为电压闭环控制的积分系数，K₃为电流闭环控制的比例系数，s为拉普拉斯算子。

相对于现有技术，本发明优点为：

1、本发明所述基于起始阻抗角的逆变器线路阻抗模拟方法，能够给微电网的建设提供可行性依据，方便了对分布式发电系统的负荷需求研究，提升了高渗透率分布式发电系统的利用率；

2、在对等式逆变器型微电网控制中，本发明为实现有功功率和无功功率之间的解耦，以获得更好的下垂效果提供了参考；

3、本发明为解决光伏并网系统中因环流而导致的功率分配不均的问题提供了新的研究思路；

4、本发明所述的基于起始阻抗角的线路阻抗模拟方法可以仅对现有逆变器的控制方法进行改进，无需增加额外电力电子设备，降低功耗，节约成本。

附图说明

图1为本发明基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法控制图。

图2为具体实施例中基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法的三相LC滤波器电容输出端相电压波形图。

图3为逆变器系统接与所需模拟线路阻抗完全相等的实际线路阻抗时三相LC滤波器电容输出端相电压波形图。

具体实施方式

图1给出了基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法控制图，由图1可见。本发明提供了一种基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法，其中逆变器系统包括直流源，电压源型逆变器，线路阻抗模拟单元和负载。所述电压源型逆变器包括直流侧、功率开关管和三相LC滤波器；所述直流侧的输出端与所述功率开关管的输入端相连，所述功率开关管的输出端与所述三相LC滤波器的输入端相连；所述三相LC滤波器的输出端与所述线路阻抗模拟单元的输入端相连，所述线路阻抗模拟单元的输出端与所述负载的输入端相连。

所述基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法包括以下步骤：

步骤1，采样三相LC滤波器电容输出端电流I_a、I_b、I_c，并通过坐标变换方程得到三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q，采样三相LC滤波器电容输出端相电压U_a、U_b、U_c，并通过坐标变换方程得到三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q。

三相LC滤波器电容输出端电流坐标变换方程为：

三相LC滤波器电容输出端相电压坐标变换方程为：

以上四个坐标变换方程中，θ为d轴与q轴的相位差。

步骤2，根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q，设线路阻抗模拟单元输入端电压相量为输出端电压相量为输出电流相量为所模拟的线路阻抗参数为Z，其中线路阻抗参数的电阻值为R，电抗值为X；设三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴初始参考分量为当逆变器系统进入稳态时，所述线路阻抗模拟单元有如下相量关系：

X＝ωL_V＝2πf·L_V

其中，j为虚数单位，ω为基波角频率，f为基波频率，L_V为电感值。

本实施例中，取所需模拟的线路阻抗的电阻值R＝0.01Ω，电感值L_V＝1e-5H，基波频率f＝50Hz；取三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴初始参考分量

步骤3，根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q和三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q以及步骤2中线路阻抗模拟单元的相量关系，并设作为d轴定向，得到线路阻抗模拟方程如下：

步骤4，根据步骤2中所模拟的线路阻抗参数的电抗值X，通过起始阻抗角方程，求得起始阻抗角δ的正弦值和余弦值，令δ∈[0,π/2]。

所述起始阻抗角方程如下：

步骤5，根据步骤3中得到的所述线路阻抗模拟方程和步骤4中得到的所述起始阻抗角方程，得到基于起始阻抗角的线路阻抗模拟方程，并计算得到加入起始阻抗角后三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴当前参考分量

所述基于起始阻抗角的线路阻抗模拟方程如下：

步骤6、根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q和三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q，以及步骤5中得到的加入起始阻抗角后三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴当前参考分量经过电压电流双闭环控制方程得到电压源型逆变器的控制电压dq轴分量U_PWMd、U_PWMq，再通过PWM调制生成驱动信号驱动电压源型逆变器功率开关管进行控制。

所述电压电流双闭环控制方程为：

其中，K₁为电压闭环控制的比例系数，K₂为电压闭环控制的积分系数，K₃为电流闭环控制的比例系数，s为拉普拉斯算子。

本实施例中，取电压闭环控制的比例系数K₁＝10，电压闭环控制的积分系数K₂＝5000，取电流闭环控制的比例系数K₃＝0.05；取LC输出滤波器电感值L＝7.5e-5H，取电容值C＝3.34e-4F；取直流源电压U_dc＝650V，三相PWM逆变器系统功率等级P＝2Mw，开关频率f_s＝2.5KHz。

图2为本实施例中基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法的三相LC滤波器电容输出端相电压波形图。

同时，为了验证本发明基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法的有效性，实施例还对系统接与所需模拟的线路阻抗完全相等的实际线路阻抗的情况进行仿真验证，此时，三相LC滤波器电容输出端相电压波形如图3所示。

通过图2和图3，在相同时刻，由所述基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法得到的三相LC滤波器电容输出端相电压值与接实际线路阻抗得到的三相LC滤波器电容输出端相电压值如下表所示：

表1

由表1可以看出，由所述基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法得到的三相LC滤波器电容输出端相电压值与接实际线路阻抗得到的三相LC滤波器电容输出端相电压值近似相等，误差在1％以内，说明所述基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法能够实现线路阻抗的精确模拟，是有效的。

Claims (1)

1.一种基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法，其中该模拟方法所涉及的逆变器系统包括直流源，电压源型逆变器，线路阻抗模拟单元和负载；

所述电压源型逆变器包括直流侧、功率开关管和三相LC滤波器；所述直流侧的输出端与所述功率开关管的输入端相连，所述功率开关管的输出端与所述三相LC滤波器的输入端相连；所述三相LC滤波器的输出端与所述线路阻抗模拟单元的输入端相连，所述线路阻抗模拟单元的输出端与所述负载的输入端相连；

所述基于起始阻抗角的逆变器系统线路阻抗模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采样三相LC滤波器电容输出端电流I_a、I_b、I_c，并通过坐标变换方程得到三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q，采样三相LC滤波器电容输出端相电压U_a、U_b、U_c，并通过坐标变换方程得到三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q；

步骤2，根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q，设线路阻抗模拟单元输入端电压相量为输出端电压相量为输出电流相量为所模拟的线路阻抗参数为Z，其中线路阻抗参数的电阻值为R，电抗值为X；设三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴初始参考分量为当逆变器系统进入稳态时，所述线路阻抗模拟单元有如下相量关系：

X＝ωL_V＝2πf·L_V

其中，j为虚数单位，ω为基波角频率，f为基波频率，L_V为电感值；

步骤3，根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q和三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q以及步骤2中线路阻抗模拟单元的相量关系，并设作为d轴定向，得到线路阻抗模拟方程如下：

步骤4，根据步骤2中所模拟的线路阻抗参数的电抗值X，通过起始阻抗角方程，求得起始阻抗角δ的正弦值和余弦值，令δ∈[0,π/2]；

所述起始阻抗角方程如下：

步骤5，根据步骤3中得到的所述线路阻抗模拟方程和步骤4中得到的所述起始阻抗角方程，得到基于起始阻抗角的线路阻抗模拟方程，并计算得到加入起始阻抗角后三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴当前参考分量

所述基于起始阻抗角的线路阻抗模拟方程如下：

步骤6、根据步骤1中得到的三相LC滤波器电容输出端电流dq轴分量I_d、I_q和三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴分量U_d、U_q，以及步骤5中得到的加入起始阻抗角后三相LC滤波器电容输出端相电压dq轴当前参考分量经过电压电流双闭环控制方程得到电压源型逆变器的控制电压dq轴分量U_PWMd、U_PWMq，再通过PWM调制生成驱动信号驱动电压源型逆变器功率开关管进行控制；

所述电压电流双闭环控制方程为：

其中，K₁为电压闭环控制的比例系数，K₂为电压闭环控制的积分系数，K₃为电流闭环控制的比例系数，s为拉普拉斯算子。