CN111884252B - 一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，包括以下步骤：(1)采集新能源发电系统PCC电压前馈到电流环路中；(2)对锁相环结构进行改进，在锁相环控制环路加入双二阶广义积分器；(3)对新能源发电系统进行阻抗建模；(4)在同一伯德图中画出比例前馈系数K_f＝i，i＝0.1，0.2，…，1时并网逆变器输出阻抗和电网阻抗频率特性曲线，分别计算不同i时正序系统相角裕度PM_p和负序系统相角裕度PM_n，选择PM_p与PM_n之和为最大值时对应的i作为最终的比例前馈系数；(5)若新能源发电系统控制参数或电网阻抗条件发生改变，返回步骤(4)；若新能源发电系统或大电网发生故障或振荡，停用该控制方法并启动继电保护装置。

Description

一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电系统并网逆变器的控制领域，具体涉及一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法。

背景技术

对于新能源发电系统来说，并网逆变器作为必要的功率接口变流器，在新能源发出的电能向大电网传输的过程中至关重要。随着新能源发电系统规模的不断变大，长距离输电线路以及越来越庞大的系统规模导致变压环节增多，使得新能源发电单元与电网联系逐渐变弱，电网逐渐呈现出了弱电网特性，电网阻抗数值较大。并网逆变器与电网阻抗之间相互作用，导致新能源发电系统并网电流发生谐波振荡。近年来，新能源发电系统稳定性问题频频出现，对新能源发电系统的并网稳定性进行改善是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法。以增强系统稳定性。为了提高系统的相角裕度以达到增强新能源发电系统稳定性的效果，本发明采取的技术方案是基于阻抗重塑的控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，包括以下步骤：

(1)采集新能源发电系统PCC电压，经比例前馈系数K_f作用以及dq坐标变换后得到dq轴电压信号v_df和v_qf，前馈到电流环路中；

(2)对锁相环结构进行改进，在锁相环控制环路加入双二阶广义积分器；

(3)通过对称分量法和谐波线性化法对新能源发电系统并网逆变器进行阻抗建模，最终获得新能源发电系统的正序系统等效电路和负序系统等效电路；

(4)在同一伯德图中画出K_f＝i，i＝0.1，0.2，…，1时并网逆变器输出阻抗频率特性曲线以及电网阻抗频率特性曲线，分别计算i＝0.1，0.2，…，1时正序系统相角裕度PM_p和负序系统相角裕度PM_n，选择PM_p与PM_n之和为最大值时对应的数值i作为最终的比例前馈系数；

(5)若新能源发电系统控制参数或电网阻抗条件发生改变，返回步骤(4)，重新确定比例前馈系数K_f的数值；若新能源发电系统或大电网发生故障或振荡，停用该控制方法并启动继电保护装置。

进一步的，步骤(3)中阻抗建模公式如下

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其中，Z_p(s)和Z_n(s)分别表示并网逆变器的正序输出阻抗和负序输出阻抗；Z_gp(s)和Z_gn(s)分别为电网正序阻抗和负序阻抗；I_sp(s)和I_sn(s)为并网逆变器侧诺顿等效电流源；V_gp(s)和V_gn(s)为电网侧戴维南等效电压源，I_p(s)和I_n(s)分别为正序并网电流和负序并网电流；s是频域因子；K_f为比例前馈系数；K_pwm为并网逆变器电压增益；电流环调节器H_i(s)＝K_{p_i}+K_{i_i}/s，K_{p_i}是电流环比例系数，K_{i_i}是电流环积分系数；锁相环调节器H_PLL(s)＝(K_{p_PLL}+K_{i_i}/s)/s，K_{p_PLL}是锁相环比例系数，K_{i_PLL}是锁相环积分系数；j是虚部单位符号；ω₁为基波电压角频率；V₁为基波电压峰值；I₁为基波电流峰值；

为基波电流初相角；L为滤波电感；K_d为dq解耦系数；G_d(s)为采样延时环节的传递函数，G_d(s)＝1.5e^-sT，T为采样周期；T_{p_SOGI}(s)与T_{n_SOGI}(s)分别为锁相环正序和负序频率特性模型；k为阻尼系数，k＝1.414；ω_b为双二阶广义积分器中心频率。

进一步的，电网正序阻抗Z_gp(s)和负序阻抗Z_gn(s)相等，统一用电网阻抗Z_g(s)表示，即Z_gp(s)＝Z_gn(s)＝Z_g(s)，Z_g(s)数值由电网在线测量设备得到。

进一步的，增加PCC电压比例前馈通道并改进锁相环结构，以提高系统相角裕度的目标进行寻优，确定比例前馈系数的数值。

进一步的，步骤(1)中，K_f的取值范围为0～1，当K_f＝0时没有将PCC电压前馈至电流环路，当K_f＝1时将PCC电压完全前馈至电流环路。

进一步的，步骤(2)中，加入双二阶广义积分器后锁相环的工作原理是，PCC电压信号v_a，v_b，v_c经Clark变换得v_α和v_β，v_α和v_β经正交化处理后得到基波信号v_α′与qv_α′和v_β′与qv_β′，再提取电网电压信号中的基波正序分量

与/>

最后经Clark逆变换以及锁相环调节器得到输出锁相角θ_PLL。

进一步的，步骤(4)中，伯德图中Z_g(s)与并网逆变器的正序输出阻抗Z_p(s)、Z_g(s)与并网逆变器的负序输出阻抗Z_n(s)的幅频曲线相交，交截频率f_crossp和f_crossn处相位差分别为Δθ_p和Δθ_n，则两者的表达式分别为：

其中，f_crossp和f_crossn分别为Z_g(s)和Z_p(s)、Z_g(s)和Z_n(s)幅频曲线交截频率；

相角裕度PM_p与PM_n由下式得到：

还提供一种上述基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法的应用，用于三相平衡的新能源发电系统。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明确保了新能源发电系统的安全稳定运行，增强了大电网消纳新能源的能力，有利于提高新能源渗透率。

2.本发明利用基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，通过选择合适的比例前馈系数和改进锁相环结构来提高系统的相角裕度，简单有效；

3.本发明增加了PCC电压前馈通道，提高了新能源发电系统对电网电压背景谐波扰动的抗干扰能力；

4.采用本发明控制方法，双二阶广义积分器能够滤波电网电压中的低频谐波成分，避免锁相角受到干扰，在增大系统相角裕度的同时提高了锁相环对PCC电压的相角追踪能力，进一步增强了新能源发电系统的稳定性。

附图说明

图1a是三相逆变器并网系统结构框图，图1b是电流控制器结构框图。

图2改进后的锁相环结构图。

图3二阶广义积分器结构图。

图4是不采用阻抗重塑控制方法时并网逆变器输出阻抗频率特性以及电网阻抗频率特性。

图5是不采用阻抗重塑控制方法时系统并网电流仿真图形。

图6是采用阻抗重塑控制方法时并网逆变器输出阻抗频率特性以及电网阻抗频率特性。

图7是采用阻抗重塑控制方法时系统并网电流仿真图形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1a和图1b是新能源发电系统中的三相逆变器并网系统结构框图和电流控制器结构框图。图6是采用本发明控制方法时并网逆变器输出阻抗频率特性以及电网阻抗频率特性图。

本发明基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法的基本步骤如下：

(1)采集所述新能源发电系统PCC电压，经比例前馈系数K_f作用以及dq坐标变换后得到dq轴电压信号v_df和v_qf，前馈到电流环路中；

(2)对锁相环结构进行设计改进，在锁相环控制环路加入双二阶广义积分器。图2是双二阶广义积分器结构图，图3是改进后的锁相环结构图。加入双二阶广义积分器后锁相环的工作原理是，PCC电压信号v_a，v_b，v_c经Clark变换得v_α和v_β，v_α和v_β经正交化处理后得到基波信号v_α′与qv_α′和v_β′与qv_β′，再提取电网电压信号中的基波正序分量

与/>

最后经Clark逆变换以及锁相环调节器得到输出锁相角θ_PLL。；

(3)通过对称分量法和谐波线性化法对采用本发明控制方法的新能源发电系统并网逆变器进行阻抗建模，最终获得新能源发电系统的正序系统等效电路和负序系统等效电路，用式(1)表示。

其中，Z_p(s)和Z_n(s)分别表示并网逆变器的正序输出阻抗和负序输出阻抗；Z_gp(s)和Z_gn(s)分别为电网正序阻抗和负序阻抗；I_sp(s)和I_sn(s)为并网逆变器侧诺顿等效电流源；V_gp(s)和V_gn(s)为电网侧戴维南等效电压源，I_p(s)和I_n(s)分别为正序并网电流和负序并网电流；s是频域因子；K_f为比例前馈系数；K_pwm为并网逆变器电压增益；电流环调节器H_i(s)＝K_{p_i}+K_{i_i}/s，K_{p_i}是电流环比例系数，K_{i_i}是电流环积分系数；锁相环调节器H_PLL(s)＝(K_{p_PLL}+K_{i_i}/s)/s，K_{p_PLL}是锁相环比例系数，K_{i_PLL}是锁相环积分系数；j是虚部单位符号；ω₁为基波电压角频率；V₁为基波电压峰值；I₁为基波电流峰值；

为基波电流初相角；L为滤波电感；K_d为dq解耦系数；G_d(s)为采样延时环节的传递函数，G_d(s)＝1.5e^-sT，T为采样周期；T_{p_SOGI}(s)与T_{n_SOGI}(s)分别为锁相环正序和负序频率特性模型；k为阻尼系数，k＝1.414；ω_b为双二阶广义积分器中心频率。

(4)在同一伯德图中画出K_f＝i，i＝0.1，0.2，…，1时并网逆变器输出阻抗频率特性曲线以及电网阻抗频率特性曲线，分别计算i＝0.1，0.2，…，1时正序系统相角裕度PM_p和负序系统相角裕度PM_n，选择PM_p与PM_n之和为最大值时对应的数值i作为最终的比例前馈系数；

伯德图中Z_g(s)与Z_p(s)、Z_g(s)与Z_n(s)的幅频曲线相交，交截频率f_crossp和f_crossn处相位差分别为Δθ_p和Δθ_n，Δθ_p和Δθ_n的表达式如式(4)所示。

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其中，f_crossp和f_crossn分别为Z_g(s)和Z_p(s)、Z_g(s)和Z_n(s)幅频曲线交截频率。

相角裕度PM_p与PM_n由下式得到：

(5)新能源发电系统控制参数或电网阻抗条件发生改变，返回步骤(4)，重新确定比例前馈系数K_f的数值；若新能源发电系统或大电网发生故障或振荡，停用该控制方法并启动继电保护装置；

为了验证本发明控制方法的有效性，在Simulink中搭建了如图1a和图1b所示的仿真模型，对本发明所提的控制方法进行分析。系统直流母线电压为700V，电网相电压峰值为311V，系统容量为20kW，电流环调节器系数K_{p_i}＝10rad/A，K_{i_i}＝650rad/(A·s)，锁相环调节器系数K_{p_PLL}＝2rad/A，K_{i_PLL}＝635rad/(A·s)。实际系统中，电网阻抗是阻感性的，但由于电网阻抗的感性成分远大于阻性成分，因此在分析中可以将电网阻抗近似处理为纯感性Z_g＝sL_g。为了阐述清楚本发明的创新点，以L_g＝9.7mH为例，不采用阻抗重塑控制方法时并网逆变器正序输出阻抗频率特性、并网逆变器负序输出阻抗频率特性以及电网阻抗频率特性如图4所示。

由图4可以看出，并网逆变器正序输出阻抗与电网阻抗交截点处频率为151Hz，正序系统相角裕度PM_p为28.3°，负序输出阻抗与电网阻抗交点处频率为152Hz，负序系统相角裕度PM_n为63.6°。由于正序系统相角裕度无法满足系统对稳定裕度的要求，新能源发电系统将会发生振荡，并网电流含有较大的低频谐波。图5所示并网电流波形验证了图4理论分析的结果。由图6可以看出，并网逆变器正序输出阻抗与电网阻抗交截点处频率为585Hz，正序系统相角裕度PM_p为85.7°，负序输出阻抗与电网阻抗交点处频率为523Hz，负序系统相角裕度PM_n为80.2°。由于正序系统相角裕度和负序系统相角裕度都比较大，可以满足系统对稳定裕度的要求，因此新能源发电系统将会处于稳定运行状态，采用本发明所述控制方法时并网电流波形如图7所示。

综上：本发明基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，可以有效提高正序系统相角裕度和负序系统相角裕度，增强新能源发电系统的稳定性。本发明提出的控制方法在弱电网中电网阻抗较大的情况下，能够有效抑制谐波谐振现象，是一种值得推广的新能源发电系统稳定性改善控制方法。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集新能源发电系统PCC电压，经比例前馈系数K_f作用以及dq坐标变换后得到dq轴电压信号v_df和v_qf，前馈到电流环路中；

(2)对锁相环结构进行改进，在锁相环控制环路加入双二阶广义积分器；

(3)通过对称分量法和谐波线性化法对新能源发电系统并网逆变器进行阻抗建模，最终获得新能源发电系统的正序系统等效电路和负序系统等效电路；阻抗建模公式如下：

其中，Z_p(s)和Z_n(s)分别表示并网逆变器的正序输出阻抗和负序输出阻抗；Z_gp(s)和Z_gn(s)分别为电网正序阻抗和负序阻抗；I_sp(s)和I_sn(s)为并网逆变器侧诺顿等效电流源；V_gp(s)和V_gn(s)为电网侧戴维南等效电压源，I_p(s)和I_n(s)分别为正序并网电流和负序并网电流；s是频域因子；K_f为比例前馈系数；K_pwm为并网逆变器电压增益；电流环调节器H_i(s)＝K_{p_i}+K_{i_i}/s，K_{p_i}是电流环比例系数，K_{i_i}是电流环积分系数；锁相环调节器H_PLL(s)＝(K_{p_PLL}+K_{i_i}/s)/s，K_{p_PLL}是锁相环比例系数，K_{i_PLL}是锁相环积分系数；j是虚部单位符号；ω₁为基波电压角频率；V₁为基波电压峰值；I₁为基波电流峰值；

为基波电流初相角；L为滤波电感；K_d为dq解耦系数；G_d(s)为采样延时环节的传递函数，G_d(s)＝1.5e^-sT，T为采样周期；T_{p_SOGI}(s)与T_{n_SOGI}(s)分别为锁相环正序和负序频率特性模型；k为阻尼系数，k＝1.414；ω_b为双二阶广义积分器中心频率；

(4)在同一伯德图中画出K_f＝i，i＝0.1，0.2，…，1时并网逆变器输出阻抗频率特性曲线以及电网阻抗频率特性曲线，分别计算i＝0.1，0.2，…，1时正序系统相角裕度PM_p和负序系统相角裕度PM_n，选择PM_p与PM_n之和为最大值时对应的数值i作为最终的比例前馈系数；

(5)若新能源发电系统控制参数或电网阻抗条件发生改变，返回步骤(4)，重新确定比例前馈系数K_f的数值；若新能源发电系统或大电网发生故障或振荡，停用该控制方法并启动继电保护装置。

2.根据权利要求1所述一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤(3)中阻抗建模公式如下

其中，Z_p(s)和Z_n(s)分别表示并网逆变器的正序输出阻抗和负序输出阻抗；Z_gp(s)和Z_gn(s)分别为电网正序阻抗和负序阻抗；I_sp(s)和I_sn(s)为并网逆变器侧诺顿等效电流源；V_gp(s)和V_gn(s)为电网侧戴维南等效电压源，I_p(s)和I_n(s)分别为正序并网电流和负序并网电流；s是频域因子；K_f为比例前馈系数；K_pwm为并网逆变器电压增益；电流环调节器H_i(s)＝K_{p_i}+K_{i_i}/s，K_{p_i}是电流环比例系数，K_{i_i}是电流环积分系数；锁相环调节器H_PLL(s)＝(K_{p_PLL}+K_{i_i}/s)/s，K_{p_PLL}是锁相环比例系数，K_{i_PLL}是锁相环积分系数；j是虚部单位符号；ω₁为基波电压角频率；V₁为基波电压峰值；I₁为基波电流峰值；

为基波电流初相角；L为滤波电感；K_d为dq解耦系数；G_d(s)为采样延时环节的传递函数，G_d(s)＝1.5e^-sT，T为采样周期；T_{p_SOGI}(s)与T_{n_SOGI}(s)分别为锁相环正序和负序频率特性模型；k为阻尼系数，k＝1.414；ω_b为双二阶广义积分器中心频率。

3.根据权利要求1或2所述基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，其特征在于，电网正序阻抗Z_gp(s)和负序阻抗Z_gn(s)相等，统一用电网阻抗Z_g(s)表示，即Z_gp(s)＝Z_gn(s)＝Z_g(s)，Z_g(s)数值由电网在线测量设备得到。

4.根据权利要求1所述基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，其特征在于，增加PCC电压比例前馈通道并改进锁相环结构，以提高系统相角裕度的目标进行寻优，确定比例前馈系数的数值。

5.根据权利要求1所述基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤(1)中，K_f的取值范围为0～1，当K_f＝0时没有将PCC电压前馈至电流环路，当K_f＝1时将PCC电压完全前馈至电流环路。

6.根据权利要求1所述基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤(2)中，加入双二阶广义积分器后锁相环的工作原理是，PCC电压信号v_a，v_b，v_c经Clark变换得v_α和v_β，v_α和v_β经正交化处理后得到基波信号v_α′与qv_α′和v_β′与qv_β′，再提取电网电压信号中的基波正序分量

与/>

最后经Clark逆变换以及锁相环调节器得到输出锁相角θ_PLL。

7.根据权利要求1所述基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤(4)中，伯德图中Z_g(s)与并网逆变器的正序输出阻抗Z_p(s)、Z_g(s)与并网逆变器的负序输出阻抗Z_n(s)的幅频曲线相交，交截频率f_crossp和f_crossn处相位差分别为Δθ_p和Δθ_n，则两者的表达式分别为：

其中，f_crossp和f_crossn分别为Z_g(s)和Z_p(s)、Z_g(s)和Z_n(s)幅频曲线交截频率；

相角裕度PM_p与PM_n由下式得到：

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