CN111463785A - 抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法，具体的步骤包括：S1：通过并网逆变器的数学模型得到光伏逆变器集群系统谐振特性；S2：从谐振特性中分析得出光伏逆变器集群系统的谐振频率集中在低频区域，根据谐振频率设计有源阻尼的电流控制器，增加谐振频率处阻尼；S3：在S2的基础上增加自适应控制方法，使有源阻尼器能根据谐波电压含量调节虚拟电导大小。本发明降低有源阻尼器运行时所消耗的功率，根据母线处谐波电压含量调节虚拟电导数值，从而用较小的容量抑制系统的谐振，相较于电导值恒定的控制方法，该方法能够降低有源阻尼器的运行成本。

Description

抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法

技术领域

本发明涉及电网电能质量控制技术领域，更具体的说是涉及一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法。

背景技术

大量光伏逆变器和电网相互耦合所构成的高阶网络使得光伏逆变器集群存在多个谐振点。为抑制谐振问题，大量文献以单台逆变器为对象进行研究。但随着逆变器数量的增加，逆变器集群谐振的问题逐渐显现。在谐振频率处，较小的谐波电流会使电压发生严重的畸变。

2014年第27期的《中国电机工程学报》中《光伏并网逆变器的阻抗重塑与谐波谐振抑制》一文中利用基于二阶广义积分器的陷波器滤去基波分量的方法。所得到的信号经过输出阻抗控制后反馈到调制信号中重塑系统的阻抗特性，从而达到增加系统阻尼的效果。2017年第11期的《电测与仪表》中《基于有源阻尼器的并联逆变器集群集中式谐振抑制策略》一文中提出了一种基于有源阻尼器的集中式谐振抑制策略，可以在不改变原有逆变器控制策略和结构的情况下抑制高频谐振。

上述论文可以抑制系统的谐振问题，但是其控制器参数为给定值。有源阻尼器需要较大的容量来满足不同工况下的抑制效果。

因此，如何根据系统不同的运行工况调节控制器中的参数是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种有源阻尼器自适应控制方法，在光伏逆变器集群系统中接入有源阻尼器可以抑制系统的谐振，降低有源阻尼器运行时所消耗的功率，该方法可以根据母线处谐波电压含量调节虚拟电导数值，从而用较小的容量抑制系统的谐振，相较于电导值恒定的控制方法，该方法能够降低有源阻尼器的运行成本。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法，具体的步骤包括：

S1：通过并网逆变器的数学模型得到光伏逆变器集群系统谐振特性；

S2：从谐振特性中分析得出光伏逆变器集群系统的谐振频率集中在低频区域，并且部分谐振频率会随并网逆变器台数的增加而减小；根据谐振频率设计有源阻尼的电流控制器，使谐波电压与谐波电导相乘得到参考电流的谐波部分，等效于在母线处接入一虚拟电导，从而增加谐振频率处阻尼；

S3：在S2的基础上增加自适应控制方法，使有源阻尼器能根据谐波电压含量调节虚拟电导大小。

优选的，在上述的一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法中，所述S1中，当光伏逆变器采用电容电流反馈时，求出光伏逆变器的戴维南等效电路，其等效电压、等效电阻为等效电压为U_eq(s)；等效电阻为Z_eq(s)；U_eq(s)、Z_eq(s)如下式：

根据光伏逆变器的等效电路光伏逆变器集群的节点导纳矩阵为：

式中，V_f、I_f为频率为f下的节点电压、节点电流矩阵；Y_f是在频率f下系统的节点导纳矩阵；此时对节点导纳矩阵进行特征值分解，如下式：

根据所述节点导纳矩阵特征值得到，模态电压、模态电流与模态阻抗之间的关系：

其中，U_f为模态电压，U_f＝TV_f；定义J_f为模态电流，J_f＝TI_f；

为模态阻抗。

优选的，在上述的一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法中，所述S2的具体步骤包括如下：首先测量公共母线的电压大小U_abc，通过谐波检测模块提取出其中的谐波分量U_habc；其次，将谐波分量与给定的电导值G_v相乘得到输出谐波电流的参考值；最后，通过有源阻尼器的直流稳压模块得到有源阻尼器输出电流的基波参考值，将输出谐波电流与基波电流参考值相加再通过电流闭环系统得到有源阻尼器的调制信号。

优选的，在上述的一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法中，所述S2的有源阻尼器的数学模型表示为：

根据简化后的有源阻尼器数学模型，求出其环路增益为

由于有源阻尼器在谐振频率处添加了一个虚拟电导，计算出其容量为

式中λ_{h_max}为谐振分量与基波分量比值的最大值，G_v为自适应算法输出电导值。

优选的，在上述的一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法中，所述自适应控制方法传递函数为：

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有源阻尼器的自适应控制方法该方法可以根据母线处谐波电压含量调节虚拟电导数值，从而用较小的容量抑制系统的谐振。相较于传统的控制方法，该方法能够降低有源阻尼器的运行成本。

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附图为含有源阻尼器的光伏逆变器集群结构图；

图2附图为三相LCL型并网逆变器控制结构图；

图3附图为LCL型并网逆变器数学模型；

图4附图为多逆变器并网等效电路；

图5附图为光伏逆变器集群模态阻抗图；

图6附图为含有源阻尼器的光伏逆变器集群模型；

图7附图为有源阻尼器自适应控制方法；

图8附图为自适应调节方法；

图9附图为电流控制器；

图10附图为有源阻尼器数学模型；

图11附图为简化后有源阻尼器数学模型；

图12(a)附图为工况一下未加入有源阻尼器时公共母线电压；

图12(b)附图为工况二下未加入有源阻尼器时公共母线电压；

图13(b)附图为工况一下加入有源阻尼器后公共母线电压；

图13(a)附图为工况二下加入有源阻尼器后公共母线电压；

图14(a)附图为工况一未加入有源阻尼器时电压总谐波畸变；

图14(b)附图为工况二未加入有源阻尼器时电压总谐波畸变；

图15(a)附图为工况一加入有源阻尼器后电压总谐波畸变；

图15(b)附图为工况二加入有源阻尼器后电压总谐波畸变；

图16附图为有源阻尼器直流侧电压。

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有源阻尼器自适应控制方法。该方法可以根据母线处谐波电压含量调节虚拟电导数值，从而用较小的容量抑制系统的谐振。相较于电导值恒定的控制方法，该方法能够降低有源阻尼器的运行成本。

含有源阻尼器的光伏逆变器集群结构图如图1所示，光伏集群中n台光伏逆变器与有源阻尼器接入公共母线。其中U_s为电网电压，i_s为电网电流，Z_s为电网阻抗。L₁和L₂分别为桥臂侧滤波电感和网侧滤波电感，C为逆变器滤波电容。U_dc为有源阻尼器电容电压。

有源阻尼器是用于抑制谐振的电力电子设备，不同于有源电力滤波器，有源阻尼器通过在公共母线添加虚拟电导增加系统阻尼，从而实现谐振抑制。有源阻尼器需要检测公共母线的谐波电压分量，并根据谐波电压和虚拟电导大小控制其输出电流，直流侧电压闭环控制用于稳定电容电压U_dc，并通过控制算法在公共母线处添加虚拟电导，i_f为有源阻尼器输出电流，输出电流中包含基波成分和谐波成分；当虚拟电导较大时，有源阻尼器能较好抑制光伏逆变器集群的谐振，但这会增加有源阻尼器的容量。本发明通过电压谐波含量自适应调节虚拟电导数值，当公共母线谐波电压含量增加时则增加虚拟电导数值，当谐波电压含量较低时则减小虚拟电导数值。这使有源阻尼器在不同工况下均能以较小的容量抑制光伏逆变器集群的谐波谐振。

图2为三相LCL并网逆变器控制结构。图中L₁、L₂分别为逆变器侧电感和网侧电感；C为滤波电容；L_g、U_g为电网电抗和电网电压逆变器采用电容电流反馈控制。

电流控制器采用准比例谐振控制(quasi proportional resonant，QPR)，G_QPR(s)为控制器的传递函数，表达式为

K_P、K_R、ω_c为比例控制和谐振积分控制的系数ω_r为电网基波频率；ω_c用于控制准PR控制器的带宽。QPR控制框图如图3所示。

根据图2，可以求得图2中网侧电感左侧的等效电路。当系统采用准PR控制时，等效电压为U_eq(s)；等效电阻为Z_eq(s)。U_eq(s)、Z_eq(s)如式(2)、(3)所示。

频率为f时，系统的电压电流关系可以表示为

式中，V_f、I_f为频率为f下的节点电压、节点电流矩阵。Y_f是在频率f下系统的节点导纳矩阵。此时对节点导纳矩阵进行特征值分解，则式(4)可以表示为

TV_f＝Λ^-1TI_f (5)

定义U_f为模态电压，U_f＝TV_f；定义J_f为模态电流，J_f＝TI_f。

为模态阻抗。

此时式(5)可以表示为

根据以上分析，以n台逆变器并联接入公共母线为例建立如图4所示的等效电路图，系统包含n+1个节点，n台逆变器连接于公共母线。

在光伏逆变器集群系统中，通常选用同一型号逆变器，逆变器通常具有相同的参数。系统中电网阻抗L_g＝0.8mH、R_g＝0.8Ω；电网频率f_g＝50Hz；逆变器参数：L₁＝10mH、L₂＝4mH、C＝13μF；QPR控制器参数K_P＝1、K_R＝1000、ω_r＝314、K_c＝6。根据逆变器的等效电路光伏逆变器集群系统的节点导纳矩阵。对该矩阵进行特征值分解可以求得该电路频率—模态阻抗曲线如图5所示。系统存在多个谐振尖峰，在相同逆变器构成的网络中，不同模式下存在两种谐振频率，其中一种为固定谐振频率，另一种谐振频率随着并网逆变器台数的增加而减小。

一个包含有源阻尼器的光伏逆变器集群结构如图6所示，图中n台光伏逆变器与一台有源阻尼器接于公共节点。公共节点通过电网阻抗Z_g连接大电网。Z_g为线路阻抗；Z_n逆变器滤波阻抗；U_g为电网电压；G_v为虚拟电导。

在公共母线处接入有源阻尼器增加光伏逆变器集群的阻尼，从而削减公共母线的谐波电压，有源阻尼器从系统中吸收谐波电流，再以基波的形式输送给公共母线，通过直流稳压模块可以得到基波电流，此过程直流侧电容电压稳定在700V左右，在系统谐振频率处输入虚拟电导。下面给出本发明提出的有源阻尼器自适应控制方法，如图7所示；

在公共母线处接入有源阻尼器增加光伏逆变器集群的阻尼，从而削减公共母线的谐波电压，有源阻尼器从系统中吸收基波电流，再以谐波的形式输送给公共母线。下面给出本发明提出的有源阻尼器自适应控制方法，如图7所示。由于有源阻尼器没有无功补偿的功能，所以无功参考值为0。为了稳定直流侧电容电压，需比较直流侧电容电压值与电压参考值。将差值送入比例积分控制器后可以得到有功参考值。通过有功参考值、无功参考值与电压传感器测得的母线电压可以计算出dq0坐标系下的基波电流参考值。根据谐波电压乘上自适应控制算法得到的虚拟电导可以得到有源阻尼器输出电流的谐波成分。

有源阻尼器由逆变器和滤波器组成。阻尼电导G_v由自适应调节方法给出，传统有源阻尼器的虚拟电导往往是固定量。为了满足系统不同工况，一般需要一个较大的虚拟电导来增强有源阻尼器对谐振的抑制效果，但是这会增加有源阻尼器的容量。本发明通过自适应调节虚拟电导大小抑制光伏集群谐振。当电压谐波含量较大时，增大虚拟电导数值；电压谐波含量较小时，减小虚拟电导数值。这使有源阻尼器能以较小的容量使光伏逆变器集群的电压总谐波畸变率降到IEEE规定值5％以下。自适应调节方法如图8所示，其中V_abch为公共母线谐波电压有效值；该方法将谐波电压有效值的平方与临界值的差值送入比例控制器得到虚拟电导数值，进行限幅后送入低通滤波环节，减小虚拟电导的波动。

控制策略中的坐标变换采用恒功率变换，相位角θ由锁相环产生，电流计算中，有功参考值P用于维持直流侧电压稳定，通过u_d、u_q以及有功和无功参考值计算出电流指令i_d、i_q为

电流控制器采用如图9所示的控制方式。电流控制器中，采用PI控制与PR控制实现对基波电流的控制。部分谐振频率会随系统运营参数改变而发生变化，对此使用带通滤波器提取出电流中谐振频率处分量，并通过比例环节进行控制。对频率不发生改变的谐振采用PR控制以提高控制精度。其中K_p＝25和K_i＝4000，ω₀为基波角频，ω_c用于控制带宽，其目的是控制频率为50Hz的电流，用于维持直流侧电容电压稳定，ω_B为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数，ω_res为固定谐振频率。根据以上分析可以得到有源阻尼器数学模型，如图10所示。其中G_iA(s)为电流控制器,G_NA为谐波检测模块，G_d(s)为延时环节。有源阻尼器数学模型较复杂，其简化模型如图11所示，图中

根据简化后的有源阻尼器数学模型，可以求出其环路增益为

环路增益较高则说明有源阻尼器能较好的跟踪电流参考值。由于有源阻尼器在谐振频率处添加了一个虚拟电导，可以计算出其容量为

式中λ_{h_max}为谐振分量与基波分量比值的最大值，G_v为自适应算法输出电导值。

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。

为了验证所提控制方法的正确性，采用matalab/simulink进行仿真。两台光伏逆变器并联接入系统，其控制方法采用电容电流反馈，如图2所示。有源阻尼器接于公共母线，其控制方式如图7所示。有源阻尼器滤波器参数L₁＝14mH、L₂＝4mH、C＝13μF；直流侧电容电压额定值U_dcref＝700V。

在未加入有源阻尼器时，不同工况下公共母线电压如图12所示；

工况一：电网阻抗R_g＝1.5Ω、L_g＝1.5mH；

工况二：电网阻抗R_g＝1Ω、L_g＝1mH。

谐波电流流经谐振点后使公共母线电压发生了明显的畸变。

加入有源阻尼器后，光伏逆变器集群公共母线电压如图13所示；此时有源阻尼器给光伏逆变器集群增加了阻尼。公共母线上电压波形得到了明显的改善。

在未加入有源阻尼器时，不同工况下，公共母线电压总谐波畸变率如图14所示，由图可知光伏逆变器集群发生了谐振，谐振频率在650Hz附近。线路阻抗较小时，公共母线的电压总谐波畸变率也随之减小，但是依旧高于IEEE的规定值5％。

加入有源阻尼器后，光伏逆变器集群公共母线电压总谐波畸变率如图15所示，此时公共母线上谐波电压含量明显降低，在有源阻尼器增加了光伏逆变器集群的阻尼后，谐振得到了抑制，电压总谐波畸变率降到了5％以下。

图16为有源阻尼器直流母线侧电压，有源阻尼器接入交流母线后，有源阻尼器吸收基波电流，向直流侧电容充电，同时直流侧电容将谐波电流输出至公共母线，此过程通过直流稳压模块保证直流侧电容电压稳定，0.1秒内直流母线电压稳定在700V，有源阻尼器能够稳定运行。

从以上分析可以看出本文设计的有源阻尼器自适应控制方法可以减少光伏集群系统的谐振风险，所以在公共母线处接入一个小容量的有源阻尼器为电网提供阻尼，可以抑制集群谐振的产生。

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 (5)

1.一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法，其特征在于，具体的步骤包括：

S1：通过并网逆变器的数学模型得到光伏逆变器集群系统谐振特性；

S2：从谐振特性中分析得出光伏逆变器集群系统的谐振频率集中在低频区域，并且部分谐振频率会随并网逆变器台数的增加而减小；根据谐振频率设计有源阻尼的电流控制器，使谐波电压与谐波电导相乘得到参考电流的谐波部分，等效于在母线处接入一虚拟电导，从而增加谐振频率处阻尼；

S3：在S2的基础上增加自适应控制方法，使有源阻尼器能根据谐波电压含量调节虚拟电导大小。

2.根据权利要求1所述的一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法，所述S1中，当光伏逆变器采用电容电流反馈时，求出光伏逆变器的戴维南等效电路，其等效电压、等效电阻为等效电压为U_eq(s)；等效电阻为Z_eq(s)；U_eq(s)、Z_eq(s)如下式：

根据光伏逆变器的等效电路光伏逆变器集群的节点导纳矩阵为：

式中，V_f、I_f为频率为f下的节点电压、节点电流矩阵；Y_f是在频率f下系统的节点导纳矩阵；此时对节点导纳矩阵进行特征值分解，如下式：

TV_f＝Λ^-1TI_f；

根据所述节点导纳矩阵特征值得到，模态电压、模态电流与模态阻抗之间的关系：

其中，U_f为模态电压，U_f＝TV_f；定义J_f为模态电流，J_f＝TI_f；

为模态阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法，其特征在于，所述S2的具体步骤包括如下：首先测量公共母线的电压大小U_abc，通过谐波检测模块提取出其中的谐波分量U_habc；其次，将谐波分量与给定的电导值G_v相乘得到输出谐波电流的参考值；最后，通过有源阻尼器的直流稳压模块得到有源阻尼器输出电流的基波参考值，将输出谐波电流与基波电流参考值相加再通过电流闭环系统得到有源阻尼器的调制信号。

4.根据权利要求1所述的一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法，其特征在于，所述S2的有源阻尼器的数学模型表示为：

根据简化后的有源阻尼器数学模型，求出其环路增益为

由于有源阻尼器在谐振频率处添加了一个虚拟电导，计算出其容量为

式中λ_{h_max}为谐振分量与基波分量比值的最大值，G_v为自适应算法输出电导值。

5.根据权利要求1所述的一种抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法，其特征在于，所述自适应控制方法传递函数为：

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