CN110957759B - 用于稳定并网逆变器系统的级联型阻抗适配器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于稳定并网逆变器系统的级联型阻抗适配器控制方法，目的是为了解决传统阻抗适配器拓扑不能直接接入较高电压等级电网的问题。步骤包括直流侧电压上层控制、直流侧电压下层控制、虚拟阻抗控制和网侧电流控制，电流参考值与反馈值经过电流调节器得到输出调制电压，再通过输出电流符号与直流侧同平均电压差值符号与调制信号叠加量，得到各H桥最终调制信号。该方法能够实现单相级联H桥阻抗适配器直接接入较高电压等级电网，并且实现电阻虚拟，省去了升压变压器，算法简单，工程易实现。

Description

用于稳定并网逆变器系统的级联型阻抗适配器控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于稳定并网逆变器系统的级联型阻抗适配器控制方法，属于新能源并网发电稳定控制技术领域。

背景技术

新能源并网发电系统包括太阳能发电以及风力发电均采用并网逆变器作为可再生能源与电网的接口。在多机并联以及电网阻抗变化情况下，系统可能产生谐波甚至发生谐振，采用阻抗适配器进行全局阻抗控制来保证并网系统的稳定性成为研究的热点。

多并网逆变系统接入点通常处于高电压等级，基于传统拓扑的阻抗适配器不能直接并入电网，需要采用升压变压器接入电网。然而，变压器阻抗不可控且可能变化，会对阻抗适配器谐振抑制效果产生影响从而影响整个系统稳定性。采用级联型拓扑的阻抗适配器，可以直接接入电压等级较高的并网点，从而不需要升压变压器，不仅降低了成本，还实现了更加精确的虚拟阻抗的实现。因此，研究用于稳定并网逆变器系统的级联型阻抗适配器控制方法具有突出的工程意义。

目前，国内外学者针对阻抗适配器拓扑及控制方法研究较多。如文献“Wang,Xiongfei,et al."A series-LC-filtered active damper for ac power electronicsbased power systems."Conference Proceedings-IEEE Applied Power ElectronicsConference and Exposition-APEC IEEE,2015.”(“用于电力系统中交流电力电子设备的串联LC滤波阻抗适配器”《IEEE应用电力电子会议暨展览会》)提出了一种采用串联LC滤波器的阻抗适配器拓扑。其中阻抗适配器的输出滤波器由电感与电容串联，滤波电容上可承担较大电压降从而降低阻抗适配器的电压等级。然而，在电压等级较高的情况下，对滤波电容要求非常高从而增加了成本。同时，采用LC串联滤波器使得阻抗适配器自身稳定性变差。

文献“Lu,Dapeng,et al."A series active damper with closed-loop controlfor stabilizing single-phase power-electronics-based power system."2016IEEEEnergy Conversion Congress and Exposition(ECCE)IEEE,2016.”(“用于稳定电力系统中单相电力电子设备稳定的闭环控制的串联阻抗适配器”《IEEE能源转换大会暨展览会》)提出了一种串联形式阻抗适配器，实现了在并网点串联阻抗从而实现逆变侧与电网侧的阻抗解耦，但其采用的滤波器在并网点串入了电容，对整个系统的稳定性会产生不利影响。

发明专利申请《一种用于镇定多台逆变器并网系统的阻抗适配器》(CN106253337A)提出了一种采用LCL滤波器的阻抗适配器拓扑，其开关频率非常高，可以在目标谐振频率内减小数字延时的影响，实现准确的谐波阻抗虚拟。然而这种拓扑并不能直接接入高电压等级的电网，通过升压变压器后还是会影响其谐振抑制效果。

综上所述，现有阻抗适配器拓扑及控制方法主要存在如下问题：

(1)现有技术研究的阻抗适配器拓扑和控制方法中，采用LC串联的滤波器会对阻抗适配器或并网系统带来不稳定因素，违反了采用阻抗适配器进行稳定控制的初衷。

(2)现有技术研究的阻抗适配器拓扑和控制方法中，常规的逆变器拓扑不能直接接入高电压等级的电网，通过升压变压器会影响其对系统稳定性控制效果且增加成本。

发明内容

本发明要解决的问题就是克服上述方案的局限性，针对传统阻抗适配器需要通过升压变压器接入高压并网点的问题，提出了一种级联型拓扑的阻抗适配器及其控制方法。该方法不需要升压变压器即可接入较高电压等级并网点，从而实现全局阻抗控制保证并网系统的稳定性。

为解决本发明的技术问题，本发明提供了一种级联型阻抗适配器控制方法，所述的级联型阻抗适配器为单相级联H桥逆变器，单相级联H桥逆变器由N个带有直流侧电容的H桥单元和电感L_S组成，本控制方法包括直流侧电压上层控制、直流侧电压下层控制、虚拟阻抗控制和网侧电流控制，步骤如下：

步骤1，直流侧电压上层控制

步骤1.1，对每个H桥单元的直流侧电压采样，得到N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_DCi，i＝1,2,3...N；采样并网点电压实际值并记为V_PCC；采样电感电流实际值并记为I_L；

步骤1.2，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi和直流侧电压给定值为

通过上层电压调节器，计算得到有功电流的给定值幅值

其计算式为：

其中，K_VP1为上层电压调节器比例系数，K_VI1为上层电压调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2，直流侧电压下层控制

根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，通过下层电压调节器后得到调节器输出ΔU_Li，i＝1,2,3...N，其计算式为：

其中，K_VP2为下层电压调节器比例系数，K_VI2为下层电压调节器积分系数；

步骤3，虚拟阻抗控制

步骤3.1，对步骤1.1中采样的并网点电压实际值V_PCC进行锁相得到并网点电压的相位θ和并网点基波电压幅值V_g，并计算得到并网点总谐波电压V_PCCh，其计算式为：

V_PCCh＝V_PCC-V_gcosθ

步骤3.2，根据步骤3.1得到的并网点总谐波电压V_PCCh，计算得到谐波电流指令值

其计算式为：

其中，R_V是虚拟电阻值；

步骤4，网侧电流控制

步骤4.1，根据步骤1.2得到的有功电流的给定值幅值

步骤3.1得到的并网点电压的相位θ，步骤3.2得到的谐波电流指令值

计算得到网侧电流给定值

其计算式为：

步骤4.2，根据步骤1.1得到的电感电流实际值I_L，步骤4.1得到的网侧电流给定值

通过电流调节器得到输出U_I，其计算式为：

其中，K_PI为电流调节器系数1，K_RI为电流调节器系数2，ω_c为电流调节器截止频率，ω₀为基波电压角频率；

步骤4.3，根据步骤1.1得到的并网点电压实际值V_PCC，步骤4.2得到的电流调节器输出U_I，计算得到输出调制电压U_m，其计算式为：

U_m＝U_I+V_PCC

步骤4.4，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，步骤4.3得到的输出调制电压U_m，计算得到电压调制信号m，其计算式为：

步骤4.5，根据步骤1.1得到的电感电流实际值I_L，计算得到电感电流方向S_IL，其计算式为：

S_IL＝sign[I_L]

其中，sign为取符号函数；

步骤4.6，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，计算得到各H桥模块直流侧电压偏差符号S_Udci，i＝1,2,3...N，其计算式为：

步骤4.7，根据步骤2得到的下层电压调节器输出ΔU_Li，步骤3.1得到的并网点电压的相位θ，步骤4.5得到的电感电流方向S_IL，步骤4.6得到的各H桥模块直流侧电压偏差符号S_Udci，计算得到各H桥模块调制信号叠加分量Δm_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

Δm_i＝-abs|ΔU_Licosθ|S_ILS_Udci

其中abs为取绝对值函数；

步骤4.8，根据步骤4.4得到的电压调制信号m，步骤4.7得到的各H桥模块调制信号叠加分量Δm_i，i＝1,2,3...N，计算得到各H桥模块实际调制信号m_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

m_i＝Δm_i ⁺m。

与现有技术相比，本发明公开的一种级联型阻抗适配器拓扑和控制方法，采用级联H桥逆变器控制进行谐波阻抗虚拟，同时级联H桥可接入较高电压等级电网的优势可以省略变压器，增强了阻抗适配器的谐振抑制能力。其有益效果具体体现在：

1、本发明提出的方法可以实现级联型阻抗适配器直接接入较高等级电压电网，省略了变压器，降低了成本，增强了谐振抑制能力。

2、本发明提出的方法中阻抗适配器不需要串联高电压等级电容承担较大电压，保证了阻抗适配器自身的稳定性。

附图说明

图1是本发明单相级联H桥阻抗适配器主电路拓扑框图。

图2是本发明单相级联H桥阻抗适配器控制框图。

图3是单相级联H桥阻抗适配器各直流侧电压波形图。

图4是并网系统PCC点电压波形图。

图5是单相级联H桥阻抗适配器输出电流波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步清楚、完整地描述。

图1是本发明实施例单相级联H桥阻抗适配器主电路拓扑框图，如图所示，所述的单相级联H桥阻抗适配器包括由N个带有直流侧电容的H桥单元和电感L_S组成。具体的，直流侧电容为28.2mF连接到各H桥模块，级联系统通过2mH电感L_S连接到并网PCC点，弱电网下电网阻抗L_g为5mH，并网点电压为V_pcc。

本发明的总控制框图如图2所示，包括直流侧电压上层控制、直流侧电压下层控制、虚拟阻抗控制和网侧电流控制四部分。

步骤1，直流侧电压上层控制

步骤1.1，对每个H桥单元的直流侧电压采样，得到N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_DCi，i＝1,2,3...N；采样并网点电压实际值并记为V_PCC；采样电感电流实际值并记为I_L。在本实施例中，以五个H桥单元为例，N＝5。

步骤1.2，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi和直流侧电压给定值为

通过上层电压调节器，计算得到有功电流的给定值幅值

其计算式为：

其中，K_VP1为上层电压调节器比例系数，K_VI1为上层电压调节器积分系数，s为拉普拉斯算子。在本实施例中，直流侧电压给定值为

上层电压调节器比例系数和上层电压调节器积分系数按照常规级联H桥逆变器进行设计，K_VP1＝5，K_VI1＝20。

步骤2，直流侧电压下层控制

根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，通过下层电压调节器后得到调节器输出ΔU_Li，i＝1,2,3...N，其计算式为：

其中，K_VP2为下层电压调节器比例系数，K_VI2为下层电压调节器积分系数。在本实施例中，下层电压调节器比例系数与下层电压调节器积分系数按经典控制理论进行设计，K_VP2＝5，K_VI12＝1。

步骤3，虚拟阻抗控制

步骤3.1，对步骤1.1中采样的并网点电压实际值V_PCC进行锁相得到并网点电压的相位θ和并网点基波电压幅值V_g，并计算得到并网点总谐波电压V_PCCh，其计算式为：

V_PCCh＝V_PCC-V_g cosθ

步骤3.2，根据步骤3.1得到的并网点总谐波电压V_PCCh，计算得到谐波电流指令值

其计算式为：

其中，R_V是虚拟电阻值。在本实施例中，虚拟电阻值按常规阻抗适配器控制方法进行设计，R_V＝15Ω。

步骤4，网侧电流控制

步骤4.1，根据步骤1.2得到的有功电流的给定值幅值

步骤3.1得到的并网点电压的相位θ，步骤3.2得到的谐波电流指令值

计算得到网侧电流给定值

其计算式为：

步骤4.2，根据步骤1.1得到的电感电流实际值I_L，步骤4.1得到的网侧电流给定值

通过电流调节器得到输出U_I，其计算式为：

其中，K_PI为电流调节器系数1，K_RI为电流调节器系数2，ω_c为电流调节器截止频率，ω₀为基波电压角频率。本实施例中，电流调节器系数1、电流调节器系数2、电流调节器截止频率和基波角频率根据常规单相逆变器设计方法得到。K_PI＝10；K_RI＝50，ω_c＝1.57，ω₀＝314。

步骤4.3，根据步骤1.1得到的并网点电压实际值V_PCC，步骤4.2得到的电流调节器输出U_I，计算得到输出调制电压U_m，其计算式为：

U_m＝U_I+V_PCC

步骤4.4，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，步骤4.3得到的输出调制电压U_m，计算得到电压调制信号m，其计算式为：

步骤4.5，根据步骤1.1得到的电感电流实际值I_L，计算得到电感电流方向S_IL，其计算式为：

S_IL＝sign[I_L]

其中，sign为取符号函数。

步骤4.6，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，计算得到各H桥模块直流侧电压偏差符号S_Udci，i＝1,2,3...N，其计算式为：

步骤4.7，根据步骤2得到的下层电压调节器输出ΔU_Li，步骤3.1得到的并网点电压的相位θ，步骤4.5得到的电感电流方向S_IL，步骤4.6得到的各H桥模块直流侧电压偏差符号S_Udci，计算得到各H桥模块调制信号叠加分量Δm_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

Δm_i＝-abs|ΔU_Licosθ|S_ILS_Udci

其中abs为取绝对值函数。

步骤4.8，根据步骤4.4得到的电压调制信号m，步骤4.7得到的各H桥模块调制信号叠加分量Δm_i，i＝1,2,3...N，计算得到各H桥模块实际调制信号m_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

m_i＝Δm_i+m。

图3为单相级联H桥阻抗适配器各直流侧电压波形图。3.0s时，电网阻抗L_g增加，系统开始发生谐振，3.25s时投入虚拟阻抗控制算法。从图中可以看到，各直流侧电压在系统发生谐振及投入虚拟阻抗控制后均能保持稳定和均衡。

图4为并网系统PCC点电压波形图。3.0s时刻并网点电压开始产生谐波且谐波幅值不断增加，3.25s时，投入虚拟阻抗控制算法。从图中可以看出，投入虚拟阻抗算法后，并网点电压谐波幅值开始下降，最后实现了并网系统电压的稳定。

图5为单相级联H桥阻抗适配器输出电流波形图，3.0s后并网系统谐振，阻抗适配器输出电流也开始谐振，而在3.25s投入虚拟阻抗控制算法后，输出电流开始下降，最后阻抗适配器输出电流稳定。

Claims (1)

1.一种用于稳定并网逆变器系统的级联型阻抗适配器控制方法，所述的级联型阻抗适配器为单相级联H桥逆变器，单相级联H桥逆变器由N个带有直流侧电容的H桥单元和电感L_S组成，其特征在于，本控制方法包括直流侧电压上层控制、直流侧电压下层控制、虚拟阻抗控制和网侧电流控制，步骤如下：

步骤1，直流侧电压上层控制

步骤1.1，对每个H桥单元的直流侧电压采样，得到N个H桥单元的直流侧电压实际值并记为V_DCi，i＝1,2,3...N；采样并网点电压实际值并记为V_PCC；采样电感电流实际值并记为I_L；

步骤1.2，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi和直流侧电压给定值为

通过上层电压调节器，计算得到有功电流的给定值幅值

其计算式为：

其中，K_VP1为上层电压调节器比例系数，K_VI1为上层电压调节器积分系数，s为拉普拉斯算子；

步骤2，直流侧电压下层控制

根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，通过下层电压调节器后得到调节器输出ΔU_Li，i＝1,2,3...N，其计算式为：

其中，K_VP2为下层电压调节器比例系数，K_VI2为下层电压调节器积分系数；

步骤3，虚拟阻抗控制

步骤3.1，对步骤1.1中采样的并网点电压实际值V_PCC进行锁相得到并网点电压的相位θ和并网点基波电压幅值V_g，并计算得到并网点总谐波电压V_PCCh，其计算式为：

V_PCCh＝V_PCC-V_gcosθ

步骤3.2，根据步骤3.1得到的并网点总谐波电压V_PCCh，计算得到谐波电流指令值

其计算式为：

其中，R_V是虚拟电阻值；

步骤4，网侧电流控制

步骤4.1，根据步骤1.2得到的有功电流的给定值幅值

步骤3.1得到的并网点电压的相位θ，步骤3.2得到的谐波电流指令值

计算得到网侧电流给定值

其计算式为：

步骤4.2，根据步骤1.1得到的电感电流实际值I_L，步骤4.1得到的网侧电流给定值

通过电流调节器得到输出U_I，其计算式为：

其中，K_PI为电流调节器系数1，K_RI为电流调节器系数2，ω_c为电流调节器截止频率，ω₀为基波电压角频率；

步骤4.3，根据步骤1.1得到的并网点电压实际值V_PCC，步骤4.2得到的电流调节器输出U_I，计算得到输出调制电压U_m，其计算式为：

U_m＝U_I+V_PCC

步骤4.4，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，步骤4.3得到的输出调制电压U_m，计算得到电压调制信号m，其计算式为：

步骤4.5，根据步骤1.1得到的电感电流实际值I_L，计算得到电感电流方向S_IL，其计算式为：

S_IL＝sign[I_L]

其中，sign为取符号函数；

步骤4.6，根据步骤1.1得到的N个H桥单元的直流侧电压实际值V_DCi，计算得到各H桥模块直流侧电压偏差符号S_Udci，i＝1,2,3...N，其计算式为：

步骤4.7，根据步骤2得到的下层电压调节器输出ΔU_Li，步骤3.1得到的并网点电压的相位θ，步骤4.5得到的电感电流方向S_IL，步骤4.6得到的各H桥模块直流侧电压偏差符号S_Udci，计算得到各H桥模块调制信号叠加分量Δm_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

Δm_i＝-abs|ΔU_Licosθ|S_ILS_Udci

其中abs为取绝对值函数；

步骤4.8，根据步骤4.4得到的电压调制信号m，步骤4.7得到的各H桥模块调制信号叠加分量Δm_i，i＝1,2,3...N，计算得到各H桥模块实际调制信号m_i，i＝1,2,3...N，其计算式为：

m_i＝Δm_i+m。

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