CN111490539B - 一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法 - Google Patents

一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，具体步骤如下：S1：通过光伏单逆变器到多逆变器系统等效模型，得到单逆变器到逆变器集群的谐振特性；S2：通过基于PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制；S3：在步骤S2的基础上，在光伏并网系统中加入有源滤波电导，抑制光伏逆变器集群谐振。本发明提供了一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，在PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制下，加入有源谐波电导，通过加入电导回路，系统有效抑制逆变器低频谐波电流汇入网侧系统，提高逆变器抗扰动能力，达到了抑制逆变器集群引起的谐振问题，使光伏并网系统运行更稳定。

Description

一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法
技术领域
本发明涉及光伏逆变器集群谐振抑制技术领域，更具体的说是涉及一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法。
背景技术
为了减少光伏并网逆变器集群谐振，系统大多采用LCL滤波器，和网侧阻抗形成高阶电网络系统，存在系统固有谐振尖峰，称其为自身谐振；当逆变器集群接入电网后，多逆变器并联还会导致系统发生并联谐振。
2008年第27期的《中国电机工程学报》中《一种用于配电系统谐振抑制及谐波治理的新型PAPF控制方法.》一文中提出了一种有源滤波器并联的控制方式，在谐波补偿的同时再对系统谐振进行抑制。2015年第35期的《中国电机工程学报》中《光伏并网逆变器集群的谐振原因及其抑制方法》一文中提出有源电导法抑制逆变器低次谐波电流，并对系统谐振进行抑制。2018年第42期的《电网技术》中《光伏集群逆变器的谐振机理及抑制技术研究》一文中提出在PCC 点处加入RC阻尼器，对光伏多逆变器系统谐振尖峰进行了抑制。
上述前两个方法都是只对单逆变器光伏系统进行验证，没有研究多逆变器下并网产生的谐振。第三个方法增加了经济运行成本，很可能会造成系统更大的损耗。
因此，如何提供一种有效抑制逆变器低频谐波电流汇入网侧系统，提高逆变器抗扰动能力，使光伏并网系统运行更稳定的光伏逆变器集群谐振抑制方法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有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，在PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制下，加入有源谐波电导，通过加入电导回路，系统有效抑制逆变器低频谐波电流汇入网侧系统，提高逆变器抗扰动能力，达到了抑制逆变器集群引起的谐振问题，使光伏并网系统运行更稳定。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，具体步骤如下：
S1：通过光伏单逆变器到多逆变器系统等效模型，得到单逆变器到逆变器集群的谐振特性；
S2：通过基于PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制；
S3：在步骤S2的基础上，在光伏并网系统中加入有源滤波电导，抑制光伏逆变器集群谐振。
优选的，在上述的一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法中，所述S1中，根据单光伏逆变器的谐振特性：
Figure GDA0003374008360000021
其中，
Figure GDA0003374008360000031
根据上式可得：
Figure GDA0003374008360000032
在给定LCL滤波器参数确定的条件下，系统并网电流ig是由逆变器侧电压 U1和并网侧电压Ug来确定，单逆变器并网系统输入为网侧电压、逆变器侧电压；输出为网侧电流系统；把网侧电压视作干扰量，得出输入电压U1(s)到输出电流 ig(s)的转移导纳Z为：
Z＝s3L1_1(L2_1+Lg)C1+s(L1_1+L2_1+Lg)
当Z＝0时，在特定频率下逆变器系统会发生谐振，得出谐振频率为：
Figure GDA0003374008360000033
根据光伏逆变器集群并网谐振特性，传递函数为：
Figure GDA0003374008360000034
其中Gk(s)的具体函数表达式如下:
Figure GDA0003374008360000035
将G1(s)＝1/L1_1s，GC(s)＝1/C1s，G2(s)＝1/L2_1s，Gg(s)＝1/Lgs代入传递函数可得n 台逆变器的谐振频率为：
Figure GDA0003374008360000041
其中fLCL为逆变器自身产生的谐振频率；fn为并网逆变器集群产生的并联谐振频率。
优选的，在上述的一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法中，所述S2中，通过基于PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制，单逆变器谐振抑制传递函数为：
Figure GDA0003374008360000042
Go2(s)为双电流闭环控制系统的开环传递函数，KPWM为逆变桥传递增益系数，i* 1为系统输入量，ip为网侧的输出电流；kc为电容电流反馈系数，GPI(s)为 PI控制器，GPI(s)＝kp+ki/s，kp为比例系数，ki为积分系数；
Figure GDA0003374008360000043
优选的，在上述的一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法中，所述S3中，加入有源滤波电导传递函数为：
Figure GDA0003374008360000044
其中，
Figure GDA0003374008360000045
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有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，在PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制下，加入有源谐波电导，通过加入电导回路，系统有效抑制逆变器低频谐波电流汇入网侧系统，提高逆变器抗扰动能力，达到了抑制逆变器集群引起的谐振问题，使光伏并网系统运行更稳定。
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附图为本发明提供的光伏集群逆变器系统拓扑结构；
图2附图为单个光伏逆变器系统等效电路；
图3附图为LCL型逆变器等效控制框图；
图4附图为逆变器集群并网谐振频率特性曲线；
图5附图为逆变器集群并联台数与并网谐振频率关系曲线；
图6附图为双电流闭环控制框图；
图7附图为双电流闭环控制频率特征曲线；
图8附图为谐波电导法模型；
图9附图为电导法控制框图；
图10附图为电导法抑制电路频率特性曲线；
图11附图为光伏集群逆变器并网系统控制原理图；
图12(a)附图为未加有源滤波电导的三相并网电流；
图12(b)附图为并网三相电流总谐波分析；
图13(a)附图为加入有源滤波电导的三相并网电流；
图13(b)附图为加入有源滤波电导的总谐波。
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有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，在PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制下，加入有源谐波电导，通过加入电导回路，系统有效抑制逆变器低频谐波电流汇入网侧系统，提高逆变器抗扰动能力，达到了抑制逆变器集群引起的谐振问题，使光伏并网系统运行更稳定。
参见图1，图1为光伏集群逆变器系统拓扑结构，其中L1_i、L2_i分别为逆变器交流侧电感和网侧电感；Ci为滤波电容；Lg为网侧电感；Ug、ig为网侧电压和电流；ui为输出电压；IL1_1、Ip1分别为流过电感L1_1和电感L2_1的电流；upcc 为系统中公共并网点总线电压；ip2为第2台逆变器并联后对第1台逆变器并网电流的影响。
图2为单个光伏逆变器系统等效电路，LCL滤波器下光伏逆变器并网在复频域下的数学模型如式(1)所示，
Figure GDA0003374008360000061
式(1)中G1(s)＝1/sL1_1，Gc(s)＝1/sC1，G2(s)＝1/sL2_1，Gg(s)＝1/sLg，其中,G1(s)，Gc(s)，G2(s)，Gg(s)，分别为频域下LCL滤波器的网侧阻抗，滤波电容支路阻抗，逆变器侧阻抗和电网侧阻抗。
图3为n台逆变器等效控制框图，其并网电流到逆变器输出电压的传递函数可表示为：
Figure GDA0003374008360000071
式(7)中的Gk(s)具体函数表达式如下，
Figure GDA0003374008360000072
由多逆变器系统传递函数仿真可得到伯德图，如图4所示。当分析有电网阻抗作用时，系统出现了两种类型的谐振。一种为LCL逆变器内部谐振fLCL，可以看出fLCL谐振频率不会随着并联逆变器的台数和电网阻抗的增加而发生改变；另一种谐振fn是由光伏逆变器集群系统并联所引起的，它与并联逆变器台数和电网阻抗密切相关。因此可知，逆变器并联台数增多时，逆变器集群谐振频率向低频范围偏移，其幅值也会随着减小。图5为光伏逆变器集群并联台数与并网谐振频率的关系。
针对上述问题，本发明提出了一种基于有源谐波电导法的逆变器集群谐振抑制方法，先对单个逆变器谐振抑制，采用电网电流外环，电容电流内环的双电流闭环控制策略，图6为系统控制框图，其开环传递函数为：
Figure GDA0003374008360000073
Go2(s)为双电流闭环控制系统的开环传递函数，KPWM为逆变桥传递增益系数，i* 1为系统输入量，ip为网侧的输出电流。kc为电容电流反馈系数，GPI(s)为 PI控制器，GPI(s)＝kp+ki/s，kp为比例系数，ki为积分系数。
将式(2)代入式(4)可得：
Figure GDA0003374008360000081
图7为系统加入双电流闭环的开环函数伯德图，可见系统输出电流的谐振尖峰有着明显的下降，可见双电流闭环控制策略对单个逆变器谐振尖峰的抑制效果明显。
逆变器集群并网产生的谐振有很多因素引起，包括逆变器自身LCL滤波器、系统运行参数和并网侧等效阻抗的参数共同作用。对电网侧等效阻抗参数来进行改变，通常是增加RC阻尼器和其他无源阻尼器，这种方法虽然对并网逆变器集群谐振有抑制效果，但是对实际系统会增加建造成本，损耗也会增大。为了达到多逆变器谐振抑制效果，这里在双闭环控制基础上，给谐波电流增加一条电导回路，图8为加入电导回路的系统结构模型。图中，YL为并联的有源谐波电导,高次谐波电流可通过C1滤波，YL能抑制低次谐波电流流入L2_1和电网中去，因此，有源滤波电导能有效避免谐振尖峰的出现。
图9为双电流闭环控制的有源谐波电导法控制框图，其推导从传递函数为：
Figure GDA0003374008360000082
图10为的光伏逆变器集群谐振频率特性曲线。以两台逆变器为例，由图可知，在双电流闭环控制结构的基础上，加入有源谐波电导法能有效的抑制谐波尖峰。
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进行仿真。仿真参数为电网电压380V，直流电压600V，电网频率50Hz，开关频率10KHz，滤波器逆变器侧电感、滤波器电容、滤波器网侧电感和电网等效阻抗分别为10mH、7μF、2.5mH 和1mH。图11为光伏集群逆变器并网系统控制原理图，图中在光伏集群逆变器三相系统中，谐波电流也会被分解到dq坐标系下，从而对控制系统造成影响，因此系统需要加入滤波器滤掉谐波电流再输入直流信号中去，进而使IV的dq直流分量准确流入控制系统。图12为两台逆变器并网系统的仿真波形图。图12(a) 是在双电流闭环控制下不加有源滤波电导的输出三相并网电流，从图中能观察到存在电流畸变现象，并网电流谐波含量较大，系统运行稳定性差。经FFT分析图12(b),总谐波含量为9.37％，达不到系统并网谐波含量不超过5％的标准。
图13为加入有源滤波电导的输出三相并网电流，从图13(a)可以看出，输出电流波形有着明显的改善，并网电流谐波含量减少，波形平滑收敛，系统运行稳定，经过FFT分析图13(b)，总谐波含量降至2.19％，已经符合系统并网的要求。
从仿真结果可以看出在抑制光伏逆变器集群谐振问题上，加入有源滤波电导对其谐振有着良好的抑制，消除效果，使系统趋于稳定。
综上所述，本发明首先在dq坐标系下建立了并网逆变器的数学模型，首先通过数学模型对光伏逆变器谐振特性和机理进行分析，从单台逆变器到n台逆变器，给出系统谐振的特性曲线图。其次基于PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制，分析双闭环控制下单台逆变器谐振抑制效果；针对多台逆变器谐振问题，在光伏并网系统中加入有源滤波电导，对多逆变器谐振抑制效果分析。最后进行了实验和仿真验证，仿真和实验验证了相关理论分析和所提出控制策略的正确性和有效性。
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 (3)

1.一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1：通过光伏单逆变器到多逆变器系统等效模型，得到单逆变器到逆变器集群的谐振特性；
S2：通过基于PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制；
S3：在步骤S2的基础上，在光伏并网系统中加入有源滤波电导，抑制光伏逆变器集群谐振；
所述S1中，根据单光伏逆变器的谐振特性：
Figure FDA0003374008350000011
其中，
Figure FDA0003374008350000012
根据上式可得：
Figure FDA0003374008350000013
G1(s)，Gc(s)，G2(s)和Gg(s)分别为频域下LCL滤波器的网侧阻抗，滤波电容支路阻抗，逆变器侧阻抗和电网侧阻抗；L1_i、L2_i分别为逆变器交流侧电感和滤波器电感；Ci为滤波电容；Lg为网侧电感；Ug、ig为网侧电压和电流；ui为输出电压；IL1_1、Ip1分别为流过电感L1_1和电感L2_1的电流；upcc为系统中公共并网点总线电压；ip2为第2台逆变器并联后对第1台逆变器并网电流的影响；
在给定LCL滤波器参数确定的条件下，系统并网电流ig是由逆变器侧电压U1和并网侧电压Ug来确定，单逆变器并网系统输入为网侧电压、逆变器侧电压；输出为网侧电流系统；把网侧电压视作干扰量，得出输入电压U1(s)到输出电流ig(s)的转移导纳Z为：
Z＝s3L1_1(L2_1+Lg)C1+s(L1_1+L2_1+Lg)
当Z＝0时，在特定频率下逆变器系统会发生谐振，得出谐振频率为：
Figure FDA0003374008350000021
根据光伏逆变器集群并网谐振特性，传递函数为：
Figure FDA0003374008350000022
其中Gk(s)的具体函数表达式如下:
Figure FDA0003374008350000023
将G1(s)＝1/L1_1s，GC(s)＝1/C1s，G2(s)＝1/L2_1s，Gg(s)＝1/Lgs代入传递函数可得n台逆变器的谐振频率为：
Figure FDA0003374008350000024
其中fLCL为逆变器自身产生的谐振频率；fn为并网逆变器集群产生的并联谐振频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，其特征在于，所述S2中，通过基于PI控制器下电容电流内环，电网电流外环的双闭环控制，单逆变器谐振抑制传递函数为：
Figure FDA0003374008350000031
Go2(s)为双电流闭环控制系统的开环传递函数，KPWM为逆变桥传递增益系数，i* 1为系统输入量，ip为网侧的输出电流；kc为电容电流反馈系数，GPI(s)为PI控制器，GPI(s)＝kp+ki/s，kp为比例系数，ki为积分系数；
Figure FDA0003374008350000032
3.根据权利要求2所述的一种基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制方法，其特征在于，所述S3中，加入有源滤波电导传递函数为：
Figure FDA0003374008350000033
其中，
Figure FDA0003374008350000034
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