CN110912182A - 并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法，该方法通过获得的电网阻抗与新能源发电系统阻抗模型，在谐振频率处提取阻抗模型的RLC电路参数后，计算新能源发电系统连接电网阻抗前后的阻尼比，通过设计虚拟电阻参数调整新能源发电系统连接电网阻抗后的阻尼比，实现并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计。该设计方法实现简单，只需获得电网阻抗与新能源发电系统的阻抗模型就可以根据对应的阻抗特性实现并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计，因此具有明显的优越性。

Description

并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法

技术领域

本发明涉及并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法，具体是一种根据获得的电网阻抗与新能源发电系统阻抗模型，在谐振频率处提取相应的RLC电路参数后，计算新能源发电系统连接电网阻抗前后的阻尼比，通过设计虚拟电阻参数调整新能源发电系统连接电网阻抗后的阻尼比，实现并联型阻抗适配器虚拟电阻参数设计的方法。

背景技术

在电力系统高度电力电子化的背景下，为了避免弱网情况下新能源发电系统中出现谐波交互，防止谐振发生，提高系统的谐波稳定性，学术界提出了阻抗适配器装置，阻抗适配器本质上是输出阻抗可控的逆变器，通常阻抗适配器的输出阻抗会被虚拟为电阻，如何设计阻抗适配器的主要参数即虚拟电阻参数，具有十分重要的研究价值。

相关的研究中，已有文献1《Xu J,Zhang B,Qian Q,et al.Robust co ntrol anddesign based on impedance-based stability criterion for improving stabilityand harmonics rejection of inverters in weak grid[C]//2017 IEEE Applied PowerElectronics Conference and Exposition(APEC).IEEE,2017:3619-3624.》(为提高弱电网下逆变器稳定性与谐波抑制的基于阻抗稳定判据的鲁棒控制与设计——2017年IEEE应用电力电子会议与展览)；文献2《Bai H,Wang X,Blaabjerg F.Passivity enhancement byseries LC filtered active damper with zero current reference[C]//2016 IEEE8th International Power Electronics and Motion Control Conference(IPEMC-ECCEAsia).I EEE,2016:2937-2944.》(零电流参考的经串联型LC滤波器提高无源性的阻抗适配器——2016年第八届国际电力电子与运动控制会议)；文献3《Jia L,Ruan X,Zhao W,etal.An adaptive active damper for improving the sta bility of grid-connectedinverters under weak grid[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33(11):9561-9574.》(提高弱电网下并网逆变器稳定性的自适应阻抗适配器——2018年IEEE电力电子期刊)对相关问题进行了研究。

文献1提出了用于并网逆变器的鲁棒性设计准则，该方法基于稳定裕度实现，要求相位裕度大于60°，以使得并网逆变器输出的电能质量即使在弱电网下仍与强网下稳定裕度相当。文献2则是通过绘制一系列不同虚拟电阻参数下阻抗适配器的输出阻抗特性，挑选其中在某个频段下看起来阻尼效果最好的虚拟电阻参数值进行设置。文献3利用阻抗判据得到虚拟电阻参数的边界条件，在此范围内，通过实时采样计算新能源发电系统的并网点电压总谐波失真，动态调整虚拟电阻的参数，得到能够将新能源发电系统的总谐波失真降至最小的虚拟电阻参数。文献1所提出的方法为使得系统稳定的充分不必要条件，由于条件过于苛刻所以实现起来十分困难，更难以应用于阻抗适配器参数设计的指导；文献2所提出的方法，由于需要人来进行辨别且难以对虚拟电阻参数值进行穷举，只是在确保阻抗适配器输出阻抗稳定的前提下，设计出尽可能为系统提供阻尼的参数，方法缺少通用性；文献3所提出的方法，虽然以变化的并网点电压总谐波失真来对虚拟电阻的参数值进行调整，但对于阻抗适配器来说，由于适配的对象是新能源发电系统的阻抗特性，仅仅考虑并网点电压总谐波失真，无法实现参数的最优设计。

综上所述，上述的文献存在以下不足：

1)提出的方法由于条件苛刻，实际应用中难以实现；

2)提出的方法未能考虑到阻抗适配器的阻抗适配特性，仅仅通过采样电压或其他方法间接调整参数，所设计的参数并非最优设计。

发明内容

本发明的目的，是为并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计提供指导，使阻抗适配器能够按照新能源发电系统的谐振点阻抗特性实现适配。本发明提出的并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法，基于待适配的新能源发电系统阻抗特性进行设计，不仅设计的参数准确，能够反映实际的物理特性，且易于实现，降低了参数设计的难度，即本发明提供了一种简单准确的并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法，包括获得当前电网阻抗、新能源发电系统阻抗模型、在谐振频率处提取RLC电路参数计算新能源发电系统连接电网阻抗前后的阻尼比，具体的，通过调整新能源发电系统连接电网阻抗后的阻尼比，实现阻抗适配器虚拟电阻参数的设计，具体步骤如下：

步骤1，采样获得当前的电网阻抗Z_g，并通过测量获得新能源发电系统的阻抗模型，将新能源发电系统的阻抗模型记为阻抗模型Z_s；

步骤2，将步骤1获得的电网阻抗Z_g与阻抗模型Z_s并联，获得新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后的阻抗模型及相应的幅频特性与相频特性，并将新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后的阻抗模型记为阻抗模型Z；

具体的，所述幅频特性用幅频曲线表述，其横坐标和纵坐标分别为频率和幅值，所述相频特性用相频曲线表述，其横坐标和纵坐标分别为频率和相位；

步骤3，根据步骤2得到的幅频曲线和相频曲线，对阻抗模型Z的谐振方式进行如下定义：

当相位曲线穿越0°时对应的幅频曲线向上凸起则定义为并联谐振，将穿越点记为并联谐振点，进入步骤4；

当相位曲线穿越0°时对应的幅频曲线向下凹陷则定义为串联谐振，将穿越点记为串联谐振点，进入步骤6；

步骤4，使用并联RLC电路在步骤3确定的并联谐振点频率处分别对步骤1与步骤2得到的阻抗模型Z_s和阻抗模型Z进行等效，得到对应的等效RLC并联电路中的参数R_sp、L_sp、C_sp和R_p、L_p、C_p并进入步骤5，其中R_sp、L_sp、C_sp为对阻抗模型Z_s进行等效得到的等效RLC并联电路中的电阻、电感和电容，R_p、L_p、C_p为对阻抗模型Z进行等效得到的等效RLC并联电路中的电阻、电感和电容；

步骤5，分别计算新能源发电系统连接电网阻抗Z_g前对应并联谐振点频率处的阻尼系数δ_sp和新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后对应并联谐振点频率处的阻尼系数δ_p，并进入步骤8；

步骤6，使用串联RLC电路在步骤3确定的串联谐振点频率处分别对步骤1与步骤2所得到的阻抗模型Z_s和阻抗模型Z进行等效，得到对应的等效串联RLC电路参数R_ss、L_ss、C_ss和R_s、L_s、C_s，并进入步骤7，其中R_ss、L_ss、C_ss为对阻抗模型Z_s进行等效得到的等效RLC串联电路中的电阻、电感和电容，R_s、L_s、C_s为对阻抗模型Z进行等效得到的等效RLC串联电路中的电阻、电感和电容；

步骤7，分别计算新能源发电系统连接电网阻抗Z_g前对应串联谐振点频率处的阻尼系数δ_ss和新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后对应串联谐振点频率处的阻尼系数δ_s，并进入步骤8；

步骤8，计算并联型阻抗适配器的虚拟电阻参数，记并联谐振时的虚拟电阻参数为R_hp、串联谐振时的虚拟电阻参数为R_hs，计算公式如下：

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1)根据实际需要调整的新能源发电系统阻抗特性进行相应的调整，不存在条件过于苛刻难以实现的问题；

2)由于从阻抗特性出发，设计出的参数准确，物理含义清晰，适合工程应用。

附图说明

图1为本发明的具体实例中含有1台并联型阻抗适配器的50kW逆变器并网发电系统示意图；

图2为新能源发电系统阻抗模型连接电网阻抗前后阻抗模型的对比示意图；

图3为按照本设计方法所设计的阻抗适配器接入前后的阻抗模型对比示意图；

图4为阻抗适配器未接入新能源发电系统时并网点的电压波形图；

图5为阻抗适配器未接入新能源发电系统时并网点电压的FFT分析结果示意图；

图6为按照本设计方法所设计的阻抗适配器接入新能源发电系统后并网点电压的波形图；

图7为按照本设计方法所设计的阻抗适配器接入新能源发电系统后并网点电压的FFT分析结果示意图；

图8为本发明所述设计方法的流程图。

具体实施方式

本实例以一个仿真软件Matlab/Simulink中的含有1台并联型阻抗适配器的50kW逆变器并网发电系统为例，阐明一种并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法。

图1是本实例中所涉及的50kW逆变器并网发电系统的拓扑结构图。由该图可见，所述的50kW逆变器并网发电系统是由两台电力电子变换器并联构成，两台电力电子变换器分别包含直流源、三相全桥与LC滤波器，分别经过各自的LC滤波器与电网相连。所述50kW逆变器并网发电系统含有的两台电力电子变换器的开关频率均为8kHz记为f_s，使用的直流源分别是U_dc1为800V，U_dc2为800V；使用的LC滤波器中滤波电感分别是L₁为3mH，L₂为3mH，滤波电容分别是C₁为12.3μF，C₂为12.3μF；额定功率P₁、P₂均为50kW即50kW逆变器并网发电系统的额定容量P_N为100kW，电网的额定电压U_N为380V，额定频率f₀为50Hz。所述的1台并联型阻抗适配器包含直流母线电容、三相全桥与LC滤波器，通过LC滤波器与50kW逆变器并网发电系统的并网点相连，开关频率f_ad为40kHz，使用的直流母线电容C_dc为6340μF，使用的LC滤波器中滤波电感L_ad为0.16mH，滤波电容C_ad为5.5μF，本实例中电网阻抗Z_g等效为1mH电感。

使用扫频方式获得本实例所涉及的50kW逆变器并网发电系统的阻抗模型，对扫频结果进行处理，提取对应的RLC电路参数计算阻尼比并完成虚拟电阻参数的设计。

图8为本发明所述设计方法的流程图，下面根据图8，对本发明的实施例进行详细表述。

本发明所述一种并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法，包括获得当前电网阻抗、新能源发电系统阻抗模型、在谐振频率处提取RLC电路参数计算新能源发电系统连接电网阻抗前后的阻尼比，具体的，通过调整新能源发电系统连接电网阻抗后的阻尼比，实现阻抗适配器虚拟电阻参数的设计，具体步骤如下：

步骤1，采样获得当前的电网阻抗Z_g，并通过测量获得新能源发电系统的阻抗模型，将新能源发电系统的阻抗模型记为阻抗模型Z_s；

步骤2，将步骤1获得的电网阻抗Z_g与阻抗模型Z_s并联，获得新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后的阻抗模型及相应的幅频特性与相频特性，并将新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后的阻抗模型记为阻抗模型Z；

具体的，所述幅频特性用幅频曲线表述，其横坐标和纵坐标分别为频率和幅值，所述相频特性用相频曲线表述，其横坐标和纵坐标分别为频率和相位；

步骤3，根据步骤2得到的幅频曲线和相频曲线，对阻抗模型Z的谐振方式进行如下定义：

当相位曲线穿越0°时对应的幅频曲线向上凸起则定义为并联谐振，将穿越点记为并联谐振点，进入步骤4；

当相位曲线穿越0°时对应的幅频曲线向下凹陷则定义为串联谐振，将穿越点记为串联谐振点，进入步骤6；

步骤4，使用并联RLC电路在步骤3确定的并联谐振点频率处分别对步骤1与步骤2得到的阻抗模型Z_s和阻抗模型Z进行等效，得到对应的等效RLC并联电路中的参数R_sp、L_sp、C_sp和R_p、L_p、C_p并进入步骤5，其中R_sp、L_sp、C_sp为对阻抗模型Z_s进行等效得到的等效RLC并联电路中的电阻、电感和电容，R_p、L_p、C_p为对阻抗模型Z进行等效得到的等效RLC并联电路中的电阻、电感和电容；

步骤5，分别计算新能源发电系统连接电网阻抗Z_g前对应并联谐振点频率处的阻尼系数δ_sp和新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后对应并联谐振点频率处的阻尼系数δ_p，并进入步骤8；

步骤6，使用串联RLC电路在步骤3确定的串联谐振点频率处分别对步骤1与步骤2所得到的阻抗模型Z_s和阻抗模型Z进行等效，得到对应的等效串联RLC电路参数R_ss、L_ss、C_ss和R_s、L_s、C_s，并进入步骤7，其中R_ss、L_ss、C_ss为对阻抗模型Z_s进行等效得到的等效RLC串联电路中的电阻、电感和电容，R_s、L_s、C_s为对阻抗模型Z进行等效得到的等效RLC串联电路中的电阻、电感和电容；

步骤7，分别计算新能源发电系统连接电网阻抗Z_g前对应串联谐振点频率处的阻尼系数δ_ss和新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后对应串联谐振点频率处的阻尼系数δ_s，并进入步骤8；

步骤8，计算并联型阻抗适配器的虚拟电阻参数，记并联谐振时的虚拟电阻参数为R_hp、串联谐振时的虚拟电阻参数为R_hs，计算公式如下：

图2是新能源发电系统阻抗模型连接电网阻抗前后的阻抗模型对比图。由图2可见，在本实施例中，当相位曲线穿越0°时，对应的幅频曲线向上凸起，为并联谐振，将该穿越点记为并联谐振点A，并进行如下计算：

1)使用并联RLC电路在并联谐振点A频率处分别对阻抗模型Z_s和阻抗模型Z进行等效，得到对应的等效RLC并联电路中的参数R_sp、L_sp、C_sp和R_p、L_p、C_p。本实施例中，R_sp＝107Ω、L_sp＝0.18mH、C_sp＝42.5μF、R_p＝45Ω、L_p＝0.31mH、C_p＝34.5μF。

2)计算新能源发电系统连接电网阻抗Z_g前对应并联谐振点A频率处的阻尼系数

计算新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后对应并联谐振点A频率处的阻尼系数

3)计算虚拟电阻参数R_hp，

图3是按照本方法所设计的阻抗适配器接入与电网阻抗连接的新能源发电系统后所对应的阻抗模型示意图。图4是阻抗适配器未接入新能源发电系统时并网点的电压波形图。图5是阻抗适配器未接入新能源发电系统时并网点电压的FFT分析结果。图6是按照本设计方法所设计的阻抗适配器接入新能源发电系统后并网点电压的波形图。图7是按照本设计方法所设计的阻抗适配器接入新能源发电系统后并网点电压的FFT分析结果。

通过对本实例所涉及的含有1台并联型阻抗适配器的50kW逆变器并网发电系统进行验证，可以得到本方法理论上期望的结果，证明了本方法的有效性。

综上所述，该方法实现简单，只需获得电网阻抗与新能源发电系统的阻抗模型就可以根据对应的阻抗特性实现并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计，具有一定的可行性。

Claims (1)

1.一种并联型阻抗适配器虚拟电阻参数的设计方法，包括获得当前电网阻抗、新能源发电系统阻抗模型、在谐振频率处提取RLC电路参数计算新能源发电系统连接电网阻抗前后的阻尼比，其特征在于，通过调整新能源发电系统连接电网阻抗后的阻尼比，实现阻抗适配器虚拟电阻参数的设计，具体步骤如下：

步骤1，采样获得当前的电网阻抗Z_g，并通过测量获得新能源发电系统的阻抗模型，将新能源发电系统的阻抗模型记为阻抗模型Z_s；

步骤2，将步骤1获得的电网阻抗Z_g与阻抗模型Z_s并联，获得新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后的阻抗模型及相应的幅频特性与相频特性，并将新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后的阻抗模型记为阻抗模型Z；

具体的，所述幅频特性用幅频曲线表述，其横坐标和纵坐标分别为频率和幅值，所述相频特性用相频曲线表述，其横坐标和纵坐标分别为频率和相位；

步骤3，根据步骤2得到的幅频曲线和相频曲线，对阻抗模型Z的谐振方式进行如下定义：

当相位曲线穿越0°时对应的幅频曲线向上凸起则定义为并联谐振，将穿越点记为并联谐振点，进入步骤4；

当相位曲线穿越0°时对应的幅频曲线向下凹陷则定义为串联谐振，将穿越点记为串联谐振点，进入步骤6；

步骤4，使用并联RLC电路在步骤3确定的并联谐振点频率处分别对步骤1与步骤2得到的阻抗模型Z_s和阻抗模型Z进行等效，得到对应的等效RLC并联电路中的参数R_sp、L_sp、C_sp和R_p、L_p、C_p并进入步骤5，其中R_sp、L_sp、C_sp为对阻抗模型Z_s进行等效得到的等效RLC并联电路中的电阻、电感和电容，R_p、L_p、C_p为对阻抗模型Z进行等效得到的等效RLC并联电路中的电阻、电感和电容；

步骤5，分别计算新能源发电系统连接电网阻抗Z_g前对应并联谐振点频率处的阻尼系数δ_sp和新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后对应并联谐振点频率处的阻尼系数δ_p，并进入步骤8；

步骤6，使用串联RLC电路在步骤3确定的串联谐振点频率处分别对步骤1与步骤2所得到的阻抗模型Z_s和阻抗模型Z进行等效，得到对应的等效串联RLC电路参数R_ss、L_ss、C_ss和R_s、L_s、C_s，并进入步骤7，其中R_ss、L_ss、C_ss为对阻抗模型Z_s进行等效得到的等效RLC串联电路中的电阻、电感和电容，R_s、L_s、C_s为对阻抗模型Z进行等效得到的等效RLC串联电路中的电阻、电感和电容；

步骤7，分别计算新能源发电系统连接电网阻抗Z_g前对应串联谐振点频率处的阻尼系数δ_ss和新能源发电系统连接电网阻抗Z_g后对应串联谐振点频率处的阻尼系数δ_s，并进入步骤8；

步骤8，计算并联型阻抗适配器的虚拟电阻参数，记并联谐振时的虚拟电阻参数为R_hp、串联谐振时的虚拟电阻参数为R_hs，计算公式如下：

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