CN113036767A - 一种自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法，主要包括抑制装置检测环和控制环，其中，抑制装置检测环和控制环以电网电流作为输入，经过一系列的运算自动获得电网电流的基频值，再以主电路逆变器产生的电流为基准获得系统的谐波电流，以此来控制抑制装置产生相位相反的谐波电流，从而达到谐波抑制的目的，实现高质量的电流馈入电网。本发明可以根据实际的电网情况对电网谐波作出反应，快速并灵活地抑制由逆变器与电网频率耦合产生的振荡，并且能够自动适应不同的系统参数及工况，具有良好的鲁棒性，降低了电网电流的畸变率，改善了电网电能质量。

Description

一种自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法

技术领域

本发明涉及新能源分布式发电领域，特别是一种自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法。

背景技术

随着不可再生能源的不断消耗，分布式发电系统以其优势得到了广泛应用。但是因为电网阻抗的存在，三相并网逆变器与电网组成的互联系统会产生频率耦合，导致电网电流产生谐波，严重的会造成电网失稳振荡。为保证供电质量，避免谐波危害加剧，并网逆变器系统要有高质量的并网电流输出，并且在并网系统中，要求并网系统有较好的鲁棒性，需要加装谐波抑制装置来抑制系统的振荡现象。

常见的谐波抑制装置主要有两大类：无源谐波抑制装置和有源谐波抑制装置。无源谐波抑制装置通过LC匹配设计，对电路中特定次数谐波提供低阻抗回路，实现消除谐波的效果。无源谐波抑制装置具有结构简单，成本低，工作容量大等优势，然而电路受系统阻抗和负载干扰严重，易发生谐波放大和共振，且阻尼特性较差，因而在滤波要求较高的环境下，以及系统阻抗和负载频繁变化的条件下，无源谐波抑制装置的实际应用能力较差。

相比之下，有源谐波抑制装置可以主动且动态地检测电路中的谐波情况，并且通过生成与需要抵消的谐波幅值相等的反极性电流，反向输送至电网，从而实现主动跟踪和抑制电网谐波。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

1)光伏为主电路的能量源，通过主电路逆变器之后得到三相交流电，三相交流电经过主电路滤波电感L_i和电网电感L_g后汇入电网u_gabc；

2)主电路直流电压环检测直流电容C_dc两端电压得到直流侧电压U_dc，与直流电压基准值U_dc0相减后经过直流电压环PI控制器G_v(s)得到主电路电流环d轴电流的基准值i_d0。其中，G_v(s)的表达式为：

k_pv是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.5≤k_pv≤5；k_iv是PI控制器的积分系数，其取值范围为50≤k_iv≤250；

3)主电路锁相环通过对电网电压u_gabc的Park变换得到电网电压d轴分量u_d和电网电压q轴分量u_q，电网电压q轴分量u_q通过锁相环PI控制器G_PLL(s)得到电网电压的角度θ_PLL。其中，G_PLL(s)的表达式为：

k_pPLL是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.1≤k_pPLL≤20；k_iPLL是PI控制器的积分系数，其取值范围为400≤k_iPLL≤1600；

4)主电路电流环检测经过电网电感L_g的电网电流i_gabc，将其进行Park变换得到电网电流d轴分量i_d和电网电流q轴分量i_q，其中，d轴电流的基准值i_d0与电网电流d轴分量i_d相减之后经过PI控制器G_di(s)得到信号A_d，再与电网电流q轴分量i_q乘以解耦系数Q_j的值进行相减得到逆变器驱动电压的d轴分量u_id；q轴电流的基准值i_q0与电网电流q轴分量i_q相减之后经过PI控制器G_qi(s)得到信号A_q，再与电网电流d轴分量i_d乘以解耦系数Q_j的值进行相加得到逆变器驱动电压的q轴分量u_iq。将u_id和u_iq进行Park反变换得到主电路逆变器的驱动电压u_iabc，驱动电压u_iabc再与三角载波比较得到主电路逆变器的调制信号。其中，G_di(s)和G_qi(s)的表达式为

k_pi是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.01≤k_pi≤15；k_ii是PI控制器的积分系数，其取值范围为75≤k_ii≤1300；

5)抑制装置检测环检测电网电流i_gabc，将其分别与三相正弦信号s_abc和三相余弦信号c_abc相乘，分别经过低通滤波器后得到六个信号P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂、P₃₁、P₃₂。其中，i_ga×s_a+i_gb×s_b+i_gc×s_c后经过低通滤波器得到P₁₁，i_ga×s_a+i_gb×s_c+i_gc×s_b后经过低通滤波器得到P₁₂，i_ga×c_a+i_gb×c_b+i_gc×c_c后经过低通滤波器得到P₂₁，i_ga×c_a+i_gb×c_c+i_gc×c_b后经过低通滤波器得到P₂₂，i_ga×s_a+i_gb×s_a+i_gc×s_a后经过低通滤波器得到P₃₁，i_ga×c_a+i_gb×c_a+i_gc×c_a后经过低通滤波器得到P₃₂。P₁₁与P₂₁经过不同的数学运算分别得到i_a1、i_b1、i_c1，其运算过程分别为：

P₁₂与P₂₂经过不同的数学运算分别得到i_a2、i_b2、i_c2，其运算过程分别为：

P₃₁与P₃₂经过数学运算得到i_a3、i_b3、i_c3，其运算过程分别为：

于是可以得到三个相位的电网基准电流i_g0abc：i_g0a＝i_a1+i_a2+i_a3、i_g0b＝i_b1+i_b2+i_b3、i_g0c＝i_c1+i_c2+i_c3；

6)抑制装置控制环检测由主电路逆变器产生的，经过主电路滤波电感的电流i_iabc，并将其与电网基准电流i_g0abc相减，得到由主电路逆变器产生的谐波电流i_habc；接着检测由自身产生的抑制电流i_sabc，将其与谐波电流i_habc相减，所得到的信号经过抑制装置控制环的PI控制器S_i(s)得到抑制装置的驱动电压u_sabc，驱动电压u_sabc再与三角载波比较得到抑制装置的调制信号，抑制装置在调制信号的作用下产生电流，经过抑制装置滤波电感后成为抑制电流i_sabc。其中，S_i(s)的表达式为

k_ps是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.3≤k_ps≤25；k_is是PI控制器的积分系数，其取值范围为20≤k_is≤900；

7)在引入抑制装置后，电网电流i_gabc＝i_iabc+i_sabc，在抑制装置产生的抑制电流i_sabc的作用下，电网电流i_gabc的畸变率相比于主电路逆变器产生电流i_iabc得到了降低，改善了电网的电能质量。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法，包括抑制装置检测环和控制环，抑制装置检测环和控制环以电网电流作为输入，经过一系列的运算自动获得电网电流的基频值，再以主电路逆变器产生的电流为基准获得系统的谐波电流，以此来控制抑制装置产生相位相反的谐波电流，从而达到谐波抑制的目的，实现高质量的电流馈入电网。本发明可以根据实际的电网情况对电网谐波作出反应，快速并灵活地抑制由逆变器与电网频率耦合产生的振荡，并且能够自动适应不同的系统参数及工况，具有良好的鲁棒性，降低了电网电流的畸变率，改善了电网电能质量。

附图说明

图1为三相并网系统的自适应频率耦合振荡抑制装置拓扑结构及控制框图；

图2为自适应频率耦合振荡抑制装置控制框图；

图3为本发明一实施例A相电网电流变化波形；

图4为本发明一实施例抑制装置A相输出电流波形；

图5为本发明一实施例在加入抑制装置之前，A相电网电流FFT分析；

图6为本发明一实施例在加入抑制装置之后，A相电网电流FFT分析。

具体实施方式

图1所示为三相并网系统的自适应频率耦合振荡抑制装置拓扑结构及控制框图，光伏并网通过主电路逆变器之后得到三相交流电，三相交流电经过主电路滤波电感L_i和电网电感L_g后汇入电网u_gabc，滤波电感L_i可以滤除系统的高频谐波电流。在主电路滤波电感L_i和电网电感L_g之间连接着抑制装置滤波电感L_s和抑制装置，其作用是对逆变器与电网频率耦合产生的谐波电流进行抑制，使电网电流的畸变率达到5％以下。

主电路直流电压环检测直流电容C_dc两端电压得到直流侧电压U_dc，与直流电压基准值U_dc0相减后经过直流电压环PI控制器G_v(s)得到主电路电流环d轴电流的基准值i_d0。G_v(s)的公式为

式中，k_pv是直流电压环PI控制器的比例系数，其取值范围为0.5≤k_pv≤5，k_iv是积分系数，其取值范围为50≤k_iv≤250。

主电路锁相环通过对电网电压u_gabc的Park变换得到电网电压d轴分量u_d和电网电压q轴分量u_q，电网电压q轴分量u_q通过锁相环PI控制器G_PLL(s)得到电网电压的角度θ_PLL。G_PLL(s)的公式为

式中，k_pPLL是锁相环PI控制器的比例系数，其取值范围为0.1≤k_pPLL≤20，k_iPLL是积分系数，其取值范围为400≤k_iPLL≤1600。

主电路电流环检测经过电网电感L_g的电网电流i_gabc，将其进行Park变换得到电网电流d轴分量i_d和电网电流q轴分量i_q，其中，d轴电流的基准值i_d0与电网电流d轴分量i_d相减之后经过PI控制器G_di(s)得到信号A_d，再与电网电流q轴分量i_q乘以解耦系数Q_j的值进行相减得到逆变器驱动电压的d轴分量u_id；q轴电流的基准值i_q0与电网电流q轴分量i_q相减之后经过PI控制器G_qi(s)得到信号A_q，再与电网电流d轴分量i_d乘以解耦系数Q_j的值进行相加得到逆变器驱动电压的q轴分量u_iq。将u_id和u_iq进行Park反变换得到主电路逆变器的驱动电压u_iabc，驱动电压u_iabc再与三角载波比较得到主电路逆变器的调制信号。G_di(s)和G_qi(s)的公式为

式中，k_pi是电流环PI控制器的比例系数，其取值范围为0.01≤k_pi≤15，k_ii是积分系数，其取值范围为75≤k_ii≤1300。

图2为自适应频率耦合振荡抑制装置控制框图。抑制装置检测环检测电网电流i_gabc，将其分别与三相正弦信号s_abc和三相余弦信号c_abc相乘，分别经过低通滤波器后得到六个信号P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂、P₃₁、P₃₂。其中，i_ga×s_a+i_gb×s_b+i_gc×s_c后经过低通滤波器得到P₁₁，i_ga×s_a+i_gb×s_c+i_gc×s_b后经过低通滤波器得到P₁₂，i_ga×c_a+i_gb×c_b+i_gc×c_c后经过低通滤波器得到P₂₁，i_ga×c_a+i_gb×c_c+i_gc×c_b后经过低通滤波器得到P₂₂，i_ga×s_a+i_gb×s_a+i_gc×s_a后经过低通滤波器得到P₃₁，i_ga×c_a+i_gb×c_a+i_gc×c_a后经过低通滤波器得到P₃₂。P₁₁与P₂₁经过不同的数学运算分别得到i_a1、i_b1、i_c1，其运算过程分别为：

P₁₂与P₂₂经过不同的数学运算分别得到i_a2、i_b2、i_c2，其运算过程分别为：

P₃₁与P₃₂经过数学运算得到i_a3、i_b3、i_c3，其运算过程分别为：

于是可以得到三个相位的电网基准电流i_g0abc：

i_g0a＝i_a1+i_a2+i_a3 (11)

i_g0b＝i_b1+i_b2+i_b3 (12)

i_g0c＝i_c1+i_c2+i_c3 (13)

抑制装置控制环检测由主电路逆变器产生的，经过主电路滤波电感的电流i_iabc，并将其与电网基准电流i_g0abc相减，得到由主电路逆变器产生的谐波电流i_habc；接着检测由自身产生的抑制电流i_sabc，将其与谐波电流i_habc相减，所得到的信号经过抑制装置控制环的PI控制器S_i(s)得到抑制装置的驱动电压u_sabc，驱动电压u_sabc再与三角载波比较得到抑制装置的调制信号，抑制装置在调制信号的作用下产生电流，经过抑制装置滤波电感后成为抑制电流i_sabc。S_i(s)的公式为

式中，k_ps是抑制装置电流环PI控制器的比例系数，其取值范围为0.3≤k_ps≤25，k_is是积分系数，其取值范围为20≤k_is≤900。

最终，在引入抑制装置后，电网电流i_gabc＝i_iabc+i_sabc，在抑制装置产生的抑制电流i_sabc的作用下，电网电流i_gabc的畸变率相比于主电路逆变器产生电流i_iabc得到了降低，改善了电网的电能质量。

A相电网电流变化波形如图3所示。抑制装置A相输出电流波形如图4所示。系统在0.5s时将抑制装置切入电路，电流波形在0.5s之后由振荡变为稳定。

在加入抑制装置前后，A相电网电流及其FFT分析如图5、6所示。通过FFT分析图可以明显看到，由逆变器和电网频率耦合产生的频率为46Hz和54Hz的谐波在加入抑制装置后都得到了抑制。整体畸变率从10.73％下降到3.89％，满足并网要求。由此证明了本发明所提出的自适应频率耦合振荡抑制装置可以有效地抑制由逆变器和电网频率耦合产生的谐波。

Claims (5)

1.一种自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光伏为主电路的能量源，通过主电路逆变器之后得到三相交流电，三相交流电经过主电路滤波电感L_i和电网电感L_g后汇入电网u_gabc；

2)主电路直流电压环检测直流电容C_dc两端电压得到直流侧电压U_dc，与直流电压基准值U_dc0相减后经过直流电压环PI控制器G_v(s)得到主电路电流环d轴电流的基准值i_d0。其中，G_v(s)的表达式为：

3)主电路锁相环通过对电网电压u_gabc的Park变换得到电网电压d轴分量u_d和电网电压q轴分量u_q，电网电压q轴分量u_q通过锁相环PI控制器G_PLL(s)得到电网电压的角度θ_PLL。其中，G_PLL(s)的表达式为：

4)主电路电流环检测经过电网电感L_g的电网电流i_gabc，将其进行Park变换得到电网电流d轴分量i_d和电网电流q轴分量i_q，其中，d轴电流的基准值i_d0与电网电流d轴分量i_d相减之后经过PI控制器G_di(s)得到信号A_d，再与电网电流q轴分量i_q乘以解耦系数Q_j的值进行相减得到逆变器驱动电压的d轴分量u_id；q轴电流的基准值i_q0与电网电流q轴分量i_q相减之后经过PI控制器G_qi(s)得到信号A_q，再与电网电流d轴分量i_d乘以解耦系数Q_j的值进行相加得到逆变器驱动电压的q轴分量u_iq。将u_id和u_iq进行Park反变换得到主电路逆变器的驱动电压u_iabc，驱动电压u_iabc再与三角载波比较得到主电路逆变器的调制信号。其中，G_di(s)和G_qi(s)的表达式为

5)抑制装置检测环检测电网电流i_gabc，将其分别与三相正弦信号s_abc和三相余弦信号c_abc相乘，分别经过低通滤波器后得到六个信号P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂、P₃₁、P₃₂。其中，i_ga×s_a+i_gb×s_b+i_gc×s_c后经过低通滤波器得到P₁₁，i_ga×s_a+i_gb×s_c+i_gc×s_b后经过低通滤波器得到P₁₂，i_ga×c_a+i_gb×c_b+i_gc×c_c后经过低通滤波器得到P₂₁，i_ga×c_a+i_gb×c_c+i_gc×c_b后经过低通滤波器得到P₂₂，i_ga×s_a+i_gb×s_a+i_gc×s_a后经过低通滤波器得到P₃₁，i_ga×c_a+i_gb×c_a+i_gc×c_a后经过低通滤波器得到P₃₂。P₁₁与P₂₁经过不同的数学运算分别得到i_a1、i_b1、i_c1，其运算过程分别为：

P₁₂与P₂₂经过不同的数学运算分别得到i_a2、i_b2、i_c2，其运算过程分别为：

P₃₁与P₃₂经过数学运算得到i_a3、i_b3、i_c3，其运算过程分别为：

于是可以得到三个相位的电网基准电流i_g0abc：i_g0a＝i_a1+i_a2+i_a3、i_g0b＝i_b1+i_b2+i_b3、i_g0c＝i_c1+i_c2+i_c3；

6)抑制装置控制环检测由主电路逆变器产生的，经过主电路滤波电感的电流i_iabc，并将其与电网基准电流i_g0abc相减，得到由主电路逆变器产生的谐波电流i_habc；接着检测由自身产生的抑制电流i_sabc，将其与谐波电流i_habc相减，所得到的信号经过抑制装置控制环的PI控制器S_i(s)得到抑制装置的驱动电压u_sabc，驱动电压u_sabc再与三角载波比较得到抑制装置的调制信号，抑制装置在调制信号的作用下产生电流，经过抑制装置滤波电感后成为抑制电流i_sabc。其中，S_i(s)的表达式为

7)在引入抑制装置后，电网电流i_gabc＝i_iabc+i_sabc，在抑制装置产生的抑制电流i_sabc的作用下，电网电流i_gabc的畸变率相比于主电路逆变器产生电流i_iabc得到了降低，改善了电网的电能质量。

2.根据权利要求1所述的自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法，其特征在于，步骤2)中，直流电压环PI控制器G_v(s)的表达式为：

k_pv是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.5≤k_pv≤5；k_iv是PI控制器的积分系数，其取值范围为50≤k_iv≤250。

3.根据权利要求1所述的自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法，其特征在于，步骤3)中，锁相环PI控制器G_PLL(s)的表达式为：

k_pPLL是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.1≤k_pPLL≤20；k_iPLL是PI控制器的积分系数，其取值范围为400≤k_iPLL≤1600。

4.根据权利要求1所述的自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法，其特征在于，步骤4)中，主电路电流环PI控制器G_di(s)和G_qi(s)的表达式为：

k_pi是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.01≤k_pi≤15；k_ii是PI控制器的积分系数，其取值范围为75≤k_ii≤1300。

5.根据权利要求1所述的自适应频率耦合振荡抑制装置的控制方法，其特征在于，步骤6)中，抑制装置控制环的PI控制器S_i(s)的表达式为：

k_ps是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.3≤k_ps≤25；k_is是PI控制器的积分系数，其取值范围为20≤k_is≤900。

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