CN111082440B - 一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，基于组串式光伏逆变集群系统，分析LCL滤波器特性，得到其谐振频率，即得到实时测得的谐振频率：在组串式光伏逆变集群系统中引入二阶陷波器函数：在组串式光伏逆变集群系统中加入自适应系统，实时更新系统参数，得到陷波频率与实时测得的谐振频率比值的平方、自适应准比例谐振函数和优化函数，本发明对运行过程中的电网阻抗值、电流控制器参数进行实时更新，以消除谐振尖峰，实时有效抑制系统谐振。

Description

一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法

技术领域

本发明涉及光伏逆变器谐振抑制技术领域，更具体的说是涉及一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法。

背景技术

目前，随着新能源大规模的接入电网及电网规模的不断扩大，使得电力系统结构越来越复杂，而低频功率振荡的存在严重影响着电网的安全稳定运行。近年来电力系统对电网运行提出更高的要求，而传统方法在抑制速度及更低频/超低频振荡上则不能满足系统运行要求。针对该问题，2018年第25期的《控制工程》中《三相LCL光伏并网逆变器的新型入网控制策略》一文通过级联植入陷波器并采用比例谐振控制器的方法使系统稳定。但是未验证多台逆变器并联时的情况。2018年第15期《International Journal of Automationand Computing》中《The Resonance Suppression for Parallel Photovoltaic Grid-connected Inverters in Weak Grid》一文在不改变逆变器拓扑结构的前提下，提出了分支电压与电流双反馈协同控制的方法，但是仅建立了单相逆变器并联模型，未验证三相逆变器是否适用。2016年第44期《电力系统保护与控制》中《基于陷波控制的LCL型光伏并网逆变器谐波谐振抑制研究》一文从频域角度研究了单台并联逆变器的阻抗模型，并进一步分析多逆变器并联的陷波控制方法，但是没有考虑电网阻抗对系统稳定性的影响。上述方法在一定程度上能够缓解低频振荡，但由于控制量的单一固定，使得控制系统不能跟随系统运行情况变化而变化，动态性能较差，不利于电网安全稳定运行。

因此，如何能够简单有效的抑制组串式光伏逆变器集群系统中的谐振，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，包括以下步骤：

S1、基于组串式光伏逆变集群系统，分析LCL滤波器特性，得到其谐振频率f_resn：

其中，ω_res为LCL滤波器的谐振角频率，L₁₁为逆变器侧电感，L₂₁为电网侧电感，C₁₁为滤波电容，L_g为电网阻抗，n为逆变器并联台数；

得到实时测得的谐振频率f_b：

f_b＝f_resn；

S2、在组串式光伏逆变集群系统中引入二阶陷波器函数G_n(s)：

其中，m₁、m₂为比例系数，f_a为根据谐振频率f_b得到的陷波频率；

S3、在组串式光伏逆变集群系统中加入自适应系统，实时更新系统参数，得到陷波频率f_a与实时测得的谐振频率f_b比值的平方α：

得到自适应准比例谐振函数G_{b_adapt}(s)和优化函数F(α)：

G_{QPR_adapt}(s)＝F(α)G_QPR(s)

优选的，所述步骤S1还包括：单台逆变器形成的LCL滤波器谐振频率f_res为：

优选的，谐振频率f_resn随着逆变器并联台数n(n≥1,且n∈Z)增加或电网阻抗L_g增大而减小，当Min≦n≦Max时，谐振频率f_resn趋于稳定。

优选的，所述步骤S2还包括：通过选取比例系数m₁与m₂的值来调节带宽。

优选的，所述步骤S3还包括：通过自适应准比例谐振控制器跟踪并网电流频率。

优选的，电网阻抗准被动测量方式采用小信号注入法。

优选的，在并网电流闭环的基础上，引入双二阶陷波器环节。

优选的，所述步骤S3还包括：实时更新系统参数包括运行过程中的电网阻抗、电流控制器参数。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，在并网电流闭环的基础上，引入双二阶陷波器环节，然后设计系统控制框图并推导出其开环传递函数，对传递函数中涉及的参数进行优化，最后通过加入自适应系统，对运行过程中的电网阻抗值、电流控制器参数进行实时更新，以消除谐振尖峰，实时有效抑制系统谐振。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为组串式光伏逆变器集群系统电路结构图；

图2附图为LCL滤波电路图；

图3附图为谐振频率与并联台数及电网阻抗间关系对比图；

图4附图为电网阻抗对系统稳定性对比图；

图5附图为系统控制方法框图；

图6附图为不同m₁、m₂的陷波器伯德图；

图7附图为电网阻抗准被动测量方式流程图；

图8附图为两台组串式光伏逆变器并网系统控制图；

图9附图为L_g＝1mH时改进前的并网电压电流波形图；

图10附图为L_g＝1mH时改进后的并网电压电流波形图；

图11附图为未加入自适应陷波的并网电流波形图；

图12附图为加入自适应陷波的并网电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，所述实施例如下：

参见图1，图1为组串式光伏逆变集群系统电路结构图。图1中，光伏并网系统包括光伏电池板、升压电路、逆变器、LCL滤波器和弱电网这5个部分。PV_i为组串式光伏阵列。L_dci、C_dci分别为直流侧电感、稳压电容，DC/DC与DC/AC变换器组成的两级式变换器通过LCL滤波器与电网相连。u_PCC为公共耦合点电压。i_L1n、i_L2n、i_g分别为逆变器侧电感电流、网侧电感电流、并网电流。LCL滤波器由逆变器侧电感L_1i、电网侧电感L_2i和滤波电容C_1i构成，R_L1i与R_L2i为滤波电感的寄生电阻。电网中的阻性分量能够增加系统的阻尼，提高系统稳定性。为验证所提控制方法在系统谐振最严重情况下的抑制能力，假设文中弱电网为纯感性，即阻抗只含有L_g。单台逆变器的LCL滤波电路如图2所示。若忽略寄生电感，由图2得u_inv至并网电流i_g的开环传递函数为：

式中，A＝L₁₁(L₂₁+L_g)C₁₁，B＝(L₁₁+L₂₁+L_g),ω_res为LCL滤波器的谐振角频率，则谐振频率表达式为：

当并网逆变器台数增加到n时，谐振频率为：

通过式(3)可得谐振频率与并联逆变器台数及电网阻抗间关系如图3所示，随着逆变器并联台数n增加或电网阻抗L_g增大，谐振频率f_res减小，在n≥200时，f_res值稳定。

电网阻抗对系统稳定性影响如图4所示，由于弱电网下电网阻抗L_g的不确定性，在L_g逐渐增大的情况下，谐振频率f_res不断减小，系统幅值减小，稳定性降低，相角在f_res处发生-180°跳变，从而引发系统谐振。

由图8可得改进后系统开环传递函数为：

式中，

首先，本文采用QPR控制器能够更好地无静差跟踪并网电流频率，其传递函数为：

式中，k_p、k_r为比例系数、谐振系数，ω₀、ω_i为基波角频率、截止角频率。

然后，对式(6)双二阶陷波器传递函数中涉及到的比例系数m₁、m₂进行选取。

由图6可知，m₁/m₂不变，则陷波深度不变，带宽随m₁、m₂减小而减小；m₁/m₂改变，则带宽不变，陷波深度随m₁/m₂减小而增大。

由于f_a应与谐振频率相同，最后需要将测得的谐振频率f_b给到f_a。

其中二阶陷波器函数引入的具体实施方式为：在组串式光伏逆变集群系统中的控制部分中，电流闭环控制环节的自适应QPR环节后加入陷波环节；陷波环节中的函数为二阶陷波器函数Gn(s)；是在原有的陷波器函数

的基础上进行的改进；其中Q为陷波品质，ωa为陷波角频率。相对于原有的，现在的Gn(s)中带有的m1，m2，能够更有效的选取陷波深度及带宽来消除谐振尖峰对系统稳定性的影响。

电网阻抗值实时变化的特性导致系统需要相应的高精度测量方法以解决其与系统谐振频率的关联性。

电网阻抗准被动测量方式如图7所示，文中采用的是小信号注入法，在检测到电网阻抗变化R_est大于或等于阈值时启动主动测量。分别采集两台并网逆变器电网侧电感电流送入L_g准被动测量模块，得到更新后的L_g等效至L₂中。设实时测得谐振频率为f_b，则有谐振频率f_a与f_b比值的平方为：

在低频段忽略滤波电容带来的高阶项，仅有并网电流反馈系统的开环传递函数为：

将α代入式(8)可得：

则有优化函数F(α)与自适应QPR函数为：

其中，自适应系统包括电网阻抗自适应与电流控制器(即QPR控制器)自适应。电网阻抗自适应采用的是小信号注入法，在控制部分表现为L_g准被动测量模块。在检测到电网阻抗变化Rest大于或等于阈值时启动主动测量。因本文以两台逆变器系统为例，故分别采集两台并网逆变器电网侧电感电流送入L_g准被动测量模块，得到更新后的L_g等效至L₂中。电流控制器自适应是在组串式光伏逆变集群系统中的控制部分，电流闭环控制中加入自适应QPR环节，此环节中的自适应准比例谐振函数为G_{b_adapt}(s)。将准被动测量模块中得到的L_g分别提供给G_n(s)与G_{b_adapt}(s)，进行更新系统参数，更新的系统参数包括L_g以及与L_g有关的传递函数。在组串式光伏逆变集群系统中加入自适应系统能够实时更新系统参数，准确抑制系统谐振。

下面结合仿真和具体实验来验证本发明提供的控制方法的正确性。

为验证改进后集群谐振抑制方法的正确性及有效性，使用Matlab/Simulink搭建了两台组串式光伏逆变器系统的仿真模型，控制原理如图8所示，直流母线电压U_dc为660V，电网电压频率f为50Hz，逆变器侧电感L₁为2mH，滤波电容C为7μF，网侧电感L₂为0.8mH，比例系数m₁，m₂为5×10-4，5×10-1，电网阻抗L_g为0-5mH。以第二台逆变器为例，改进前后并网电压电流波形分别如图9、10所示。改进前并网电流波形畸变严重，谐波含量THD为8.42％，在加入改进后的陷波器及电网阻抗自适应控制后谐波含量THD减小到3.10％，系统谐振得到有效抑制。考虑实际电网运行过程中阻抗值会有波动，当电网阻抗在0.15s由4mH减小为1mH时，为验证系统动态性能，分别对加入自适应陷波前后的系统进行仿真，仿真波形如图11、12所示。由图11可知，未加入自适应陷波的系统并网电流在0.15s后发生波动且系统无法保持稳定，而图12中加入自适应陷波的系统，首先在0.15s时检测到电网阻抗发生改变，然后在0.02s内重新测量和分配电网阻抗值，并更新系统参数，最后并网电流经过短暂波动后恢复稳定，验证了所提方法的正确性和有效性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，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示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于组串式光伏逆变集群系统，分析LCL滤波器特性，得到其谐振频率f_resn：

其中，ω_res为LCL滤波器的谐振角频率，L₁₁为逆变器侧电感，L₂₁为电网侧电感，C₁₁为滤波电容，L_g为电网阻抗，n为逆变器并联台数；

得到实时测得的谐振频率f_b：

f_b＝f_resn；

S2、在组串式光伏逆变集群系统中引入二阶陷波器函数G_n(s)：

其中，m₁、m₂为比例系数，f_a为根据谐振频率f_b得到的陷波频率；

S3、在组串式光伏逆变集群系统中加入自适应系统，实时更新系统参数，通过陷波频率f_a与实时测得的谐振频率f_b得到其比值的平方α：

得到自适应准比例谐振函数G_{b_adapt}(s)和优化函数F(α)：

G_{b_adapt}(s)＝F(α)G_QPR(s)

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：单台逆变器形成的LCL滤波器谐振频率f_res为：

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，其特征在于，谐振频率f_resn随着逆变器并联台数n增加或电网阻抗L_g增大而减小。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：通过选取比例系数m₁与m₂的值来调节带宽。

5.根据权利要求1所述的一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：通过自适应准比例谐振控制器跟踪并网电流频率。

6.根据权利要求1所述的一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，其特征在于，电网阻抗L_g采用小信号注入法的准被动测量方式。

7.根据权利要求1所述的一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，其特征在于，在并网电流闭环的基础上，引入双二阶陷波器环节。

8.根据权利要求1所述的一种基于自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：实时更新系统参数包括运行过程中的电网阻抗、电流控制器参数。

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