CN113224791B - 一种并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，包括如下步骤：采集滤波器的硬件参数；电网侧等效电感L_g包括硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1和逆变器运行过程中等效电感L_g2，逆变器运行过程中等效电感L_g2的取值范围介于并网逆变器多机并联允许的最大等效电感值和最小值0mH之间；根据L₁、C_f和L_g计算滤波器的谐振频率f_res；构建虚拟阻尼电阻R_damp；根据f_res计算虚拟电容C_damp，并得到虚拟等效RC串联支路，所述虚拟等效RC串联支路并联于逆变器滤波电容C_f；结合三相三电平光伏并网逆变器控制算法，将有源阻尼等效传递函数叠加到控制环路中，实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。本发明只需获取相关硬件参数，不增加硬件成本，在消耗较小资源情况下友好实现有源阻尼。

Description

一种并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器有源阻尼领域，尤其涉及一种并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法。

背景技术

光伏发电是未来世界电力的主要来源，随着光伏系统容量的不断增加，对逆变器的成本、效率和可靠性的要求也越来越高。非隔离型三相三电平光伏逆变器耐压等级高，输出电压更接近正弦波，电压畸变率低，谐波含量小，dv/dt小，并且省去了笨重的工频变压器或者复杂的高频变压器，系统的结构变得简单，体积小、成本低、效率高，在光伏并网发电系统中得到广泛应用。但是，无变压器结构使得太阳能电池板和电网有了电气连接，进网电流谐波和损耗的增加，危及设备和人员安全。

同时，随着可再生能源的不断开发利用，风力发电、光伏发电等分布式电源正逐步发展，光伏电源随着社会的发展和需求，装机容量快速增长，负载设备对逆变器功率容量的要求也越来越大，然而大容量单台逆变器的可扩充性和可靠性受到了制约；多台逆变器并联与大容量单台逆变器不同，不仅可以轻松实现大容量供电，同时还能提高系统的灵活性，多台逆变器并联系统所用到的单台逆变器相对于大容量单台逆变器重量大为降低，开关器件的电流应力也大大减少；同时多台逆变器并联系统采用了N+n(n>＝1，N>＝1)供电模式，当多台逆变器并联系统达到设定功率输出，系统包含N+n台逆变器，正常情况下任一模块失效时，系统中其余N+n-1台逆变器仍可继续提供设定功率输出，提高了系统的可靠性、降低成本；同时，在多台逆变器并联系统中的逆变器均最大功率情况下，相对于大容量单台逆变器，降低了因光伏电池面板局部阴影等效率损失以及逆变器故障情况下的效率损失，因此设计多台逆变器并联系统发电显得尤为重要，然而逆变器并联也带来了新的问题。

光伏并网逆变器与电网相连接，一般使用LC滤波器，无输出隔离变压器的逆变器会向电网注入直流分量，多台逆变器并联的LC滤波器与逆变器输出侧等效阻抗组成LCL滤波器的耦合作用会在PCC处引起谐振，由于LCL滤波器存在两个谐振点，谐振点对控制器参数要求较高，当设定参数弱鲁棒性将会导致系统发生谐振，使得逆变器无法稳定工作，尤其在电网等效阻抗感性成较强，背景谐波电压会通过系统阻抗与LC滤波器的电容C发生谐振，从而加剧系统不稳定性。同时，由于多台逆变器并联运行会因为相位不一致、载波不同步、容量不匹配以及多逆变器的等效阻抗相互激励等问题，使得多机并联构成一个复杂的多输入高阶系统，在这样一个高阶系统中，将导致逆变器输出谐波电流发散，甚至会导致多逆变器并联谐振，随着光伏并网逆变器系统容量增加，公共连接点的阻抗变化将会导致PCC处电压对功率波动更加敏感，而PCC处的电压波动又可能会导致局部逆变器并网系统谐振，局部逆变器并网系统的谐振又可能进一步导致全局并网逆变器谐振的发生。

因此，结合上述存在的技术问题，有必要提供一种新的技术方案。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，具体技术方案如下所述：

S1：采集滤波器的硬件参数，所述滤波器的硬件参数包括：逆变器滤波电感L₁、逆变器滤波电容C_f和硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1；

S2：计算三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感，逆变器运行过程中等效电感L_g2的取值范围介于三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感值和最小值0mH之间，电网侧等效电感L_g包括硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1和逆变器运行过程中等效电感L_g2；

S3：计算滤波器的谐振频率f_res，其中，L_g＝L_g1+L_g2；

S4：设定虚拟阻尼电阻R_damp；

S5：计算虚拟电容C_damp，

虚拟阻尼电阻R_damp与虚拟电容C_damp串联得到虚拟等效RC串联支路，所述虚拟等效RC串联支路与逆变器滤波电容C_f并联；

S6：根据R_damp与C_damp计算得到有源阻尼等效传递函数F，将有源阻尼等效传递函数F叠加到三相三电平光伏并网逆变器的控制环路中，实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。

优选的，滤波器为LCL滤波器，硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1为靠近电网侧的滤波电感。

优选的，滤波器为LC滤波器，硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1忽略不计。

优选的，步骤2中，三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感为最大值，所述最大等效电感根据三相三电平光伏并网逆变器多机并联数量设定。

优选的，步骤2中，逆变器运行过程中等效电感L_g2采用系统辨识测量，具体为：

选择利用直流控制侧的PV电压参考扰动V_pvRef′的有功电流扰动和无功电流扰动I_qRef′的带噪声注入；

采集三相三电平光伏并网逆变器控制环路的实时数据，在线算法辨识市电电压与逆变器输出侧存在等效阻抗的电阻成分，辨识市电电压与逆变器输出侧存在等效阻抗的电抗成分，逆变器运行过程中等效电感L_g2按以下公式近似参数估算，得到：

其中，为连续两次扰动采样的电容电压的差值，ω为逆变器输出的基波角频率，/>为连续两次扰动/>的差值。

优选的，步骤2中，L_g2选取三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感值与系统辨识测量L_g2值的两者中的最大值。

优选的，步骤4中，虚拟阻尼电阻R_damp根据阻尼特性调整，R_damp∈[0.5Ω，5Ω]。

优选的，步骤6中，有源阻尼等效传递函数其中s为经典控制理论拉普拉斯变换算子。

优选的，步骤6中，有源阻尼等效传递函数F叠加到三相三电平光伏并网逆变器的控制环路中，得到虚拟等效RC串联支路导纳叠加市电电压后传递函数：实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。

优选的，步骤6中，有源阻尼等效传递函数F叠加到三相三电平光伏并网逆变器的控制环路中，得到虚拟等效RC串联支路导纳叠加市电电压后传递函数：实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。

与现有技术相比，本申请只需要获取相关硬件参数，在不增加硬件成本下，就可以实现虚拟阻抗有源阻尼控制；对软件系统不需要消耗大量资源来处理类似于滤波器处理的消耗，综上所述，本申请在消耗较小资源情况下能友好实现有源阻尼。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明一个实施例的三相三电平光伏并网逆变器多机并联拓扑电路结构示意图；

图2是本发明一个实施例的三相三电平光伏并网逆变器控制算法图；

图3是本发明所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法的逆变器等效阻抗阻抗辨识注入原理示意图；

图4是本发明实施虚拟阻抗有源阻尼控制方法后的一个实施例的伯德图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，对本发明实施例的技术方案进行清查、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。

实施例

请参阅图1-3，图1是本发明一个实施例的三相三电平光伏并网逆变器多机并联拓扑电路结构示意图，图2是本发明一个实施例的三相三电平光伏并网逆变器控制算法图，图3是本发明所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法的逆变器等效阻抗阻抗辨识注入原理示意图。如图1-3所示，本发明提供的一种并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，具体方案如下所述：

S1：根据三相三电平光伏并网逆变器的配置参数确定并采集LCL滤波器的硬件参数L₁、C_f和L_g1，其中L₁是逆变器滤波电感，C_f是逆变器滤波电容，L_g1是硬件拓扑中电网侧滤波电感，所述硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1为靠近电网侧的滤波电感；

在其他实施例中，滤波器为LC滤波器，硬件拓扑中电网侧滤波器L_g1忽略不计；

S2：计算三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感，所述最大等效电感根据三相三电平光伏并网逆变器多机并联数量设定，所述三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感为产品性能指标中所能允许的最大外接电感，为产品稳定运行的临界值，逆变器运行过程中等效电感L_g2为不确定量，所述逆变器运行过程中等效电感L_g2取值的最小值为0mH、所述逆变器运行过程中等效电感L_g2取值的最大值为三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感值；另一方面，也可以在系统中采用系统辨识实现系统对逆变器运行过程中等效电感L_g2值的测量；

电网侧等效电感L_g包括硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1和逆变器运行过程中等效电感L_g2，在其他实施例中，也可以忽略其中一部分；

优选的，L_g2选取三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感值与系统辨识测量L_g2值的两者中的最大值。

在实际过程中，逆变器运行过程中等效电感L_g2值由电网工况和逆变器运行特性决定；

S3：计算LCL滤波器的谐振频率f_res，f_res的计算公式为：其中，L_g＝L_g1+L_g2；

S4：设定虚拟阻尼电阻R_damp，R_damp∈[0.5Ω，5Ω]，虚拟阻尼电阻R_damp的取值根据实际阻尼特性调整；

S5：计算虚拟电容C_damp，

虚拟阻尼电阻R_damp与虚拟电容C_damp串联得到虚拟等效RC串联支路，所述虚拟等效RC串联支路与逆变器滤波电容C_f并联；

S6：根据R_damp与C_damp计算得到有源阻尼等效传递函数F，根据三相三电平光伏并网逆变器控制算法，如图2所示，将有源阻尼等效传递函数F叠加到三相三电平光伏并网逆变器的控制环路中，得到虚拟等效RC串联支路导纳叠加市电电压后传递函数：其中，L_g＝L_g1+L_g2，由于有源阻尼等效传递函数为连续域，有源阻尼等效传递函数采用离散方式实现离散，从而实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。

在其他实施例中，根据C_damp和R_damp计算得到虚拟等效RC串联支路的等效阻抗Z_damp，

并根据Z_damp得到有源阻尼等效传递函数F，其中s为经典控制理论拉普拉斯变换算子，F表示虚拟等效RC串联支路等效阻抗Z_damp的倒数；

有源阻尼等效传递函数F叠加到三相三电平光伏并网逆变器的控制环路中，得到虚拟等效RC串联支路导纳叠加市电电压后传递函数：从而实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。

步骤S2中，在系统中采用系统辨识测量逆变器运行过程中等效电感L_g2值，具体实现方法为：

在逆变器注入的带噪声包含逆变器无功电流扰动I_qRef′，进而得到如下参数：第一次注入带噪声时市电端电压U_s_1^st，第两次注入带噪声时市电端电压U_s_2^nd，第一次注入带噪声时逆变桥臂输出电压V_inv_1^st，第二次注入带噪声时逆变桥臂输出电压V_inv_2^nd，第一次注入带噪声时滤波电容电压U_cf_1^st，也就是第一次注入带噪声时逆变器输出端电压，第二次注入带噪声时滤波电容电压U_cf_2^nd，也就是第二次注入带噪声时逆变器输出端电压，L₁为滤波电感，第一次注入带噪声时逆变器输出侧等效阻抗电感成分L₂_1^st，第二次注入带噪声时逆变器输出侧等效阻抗电感成分L₂_2^nd，第一次注入带噪声时逆变器输出侧等效阻抗电阻成分R₂_1^st，第二次注入带噪声时逆变器输出侧等效阻抗电阻成分R₂_2^nd，注入带噪声时逆变器滤波电感电流在旋转坐标系下d轴分量I_{d_L1}，注入带噪声时逆变器滤波电感电流在旋转坐标系下q轴分量I_{q_L1}，第一次注入带噪声时逆变器输出到电网的电流在旋转坐标系下d轴分量I_{d_L2}_1^st，第二次注入带噪声时逆变器输出到电网的电流在旋转坐标系下d轴分量I_{d_L2}_2^nd，第一次注入带噪声时逆变器输出到电网的电流在旋转坐标系下q轴分量I_{q_L2}_1^st，第二次注入带噪声时逆变器输出到电网的电流在旋转坐标系下q轴分量I_{q_L2}_2^nd。

无功电流扰动带噪声注入，得到两次注入前后量的函数关系式，具体如下：

(R₂_2^nd*-R₂_1^st)*I_{d_L1}_1^st+ω(L₂_2^nd-L₂_1^st)*I_{q_L2}_1^st+ωL₂_2^nd*ΔI_{q_Ref}′＝ΔU_{cf_d}

在合理选择利用直流控制侧的PV电压参考扰动V_pvRef′的有功电流扰动和无功电流扰动I_qRef′的带噪声注入情况下，采集三相三电平光伏并网逆变器控制环路的实时数据，在线算法辨识市电电压与逆变器输出侧存在等效阻抗的电阻成分，并辨识市电电压与逆变器输出侧存在等效阻抗的电抗成分，逆变器运行过程中等效电感L_g2按以下公式近似参数估算，得到：

请继续参考图4，图4是本发明实施虚拟阻抗有源阻尼控制方法后的一个实施例的伯德图。在确定逆变器滤波电感L₁、逆变器滤波电容C_f、电网侧等效电感L_g以及虚拟阻尼电阻R_damp，并结合公式实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制，如图4所示，实施虚拟阻抗有源阻尼控制后的谐振现象得到了很好的抑制。

本发明的一个实施例还提供一种搭载并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼的变换器系统，其内存储有程序指令，所述程序指令执行上述实施虚拟阻抗有源阻尼控制方法并应用于变换器系统中，以实现变换器系统功能。

本申请只需要获取相关硬件参数，在不增加硬件成本下，就可以实现虚拟阻抗有源阻尼控制；对软件系统不需要消耗大量资源来处理类似于滤波器处理的消耗，综上所述，本申请在消耗较小资源情况下能友好实现有源阻尼。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”、“其他实施例”或“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采集滤波器的硬件参数，所述滤波器的硬件参数包括：逆变器滤波电感L₁、逆变器滤波电容C_f和硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1；

S2：计算三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感，逆变器运行过程中等效电感L_g2的取值范围介于三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感值和最小值0mH之间，电网侧等效电感L_g包括硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1和逆变器运行过程中等效电感L_g2；

S3：计算滤波器的谐振频率f_res，其中，L_g＝L_g1+L_g2；

S4：设定虚拟阻尼电阻R_damp；

S5：计算虚拟电容C_damp，

虚拟阻尼电阻R_damp与虚拟电容C_damp串联得到虚拟等效RC串联支路，所述虚拟等效RC串联支路与逆变器滤波电容C_f并联；

S6：根据R_damp与C_damp计算得到有源阻尼等效传递函数F，将有源阻尼等效传递函数F叠加到三相三电平光伏并网逆变器的控制环路中，实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。

2.根据权利要求1所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，滤波器为LCL滤波器，硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1为靠近电网侧的滤波电感。

3.根据权利要求1所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，滤波器为LC滤波器，硬件拓扑中电网侧滤波电感L_g1忽略不计。

4.根据权利要求1所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，步骤2中，三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感为最大值，所述最大等效电感根据三相三电平光伏并网逆变器多机并联数量设定。

5.根据权利要求1所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，步骤2中，逆变器运行过程中等效电感L_g2采用系统辨识测量，具体为：

选择利用直流控制侧的PV电压参考扰动V_pvRef′的有功电流扰动和无功电流扰动I_qRef′的带噪声注入；

采集三相三电平光伏并网逆变器控制环路的实时数据，在线算法辨识市电电压与逆变器输出侧存在等效阻抗的电阻成分，并辨识市电电压与逆变器输出侧存在等效阻抗的电抗成分，逆变器运行过程中等效电感L_g2按以下公式近似参数估算，得到：

其中，为连续两次扰动采样的电容电压的差值，ω为逆变器输出的基波角频率，为连续两次扰动/>的差值。

6.根据权利要求5所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，步骤2中，L_g2选取三相三电平光伏并网逆变器多机并联允许的最大等效电感值与系统辨识测量L_g2值的两者中的最大值。

7.根据权利要求1所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，步骤4中，虚拟阻尼电阻R_damp根据阻尼特性调整，R_damp∈[0.5Ω，5Ω]。

8.根据权利要求1所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，步骤6中，有源阻尼等效传递函数其中s为经典控制理论拉普拉斯变换算子。

9.根据权利要求8所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，有源阻尼等效传递函数F叠加到三相三电平光伏并网逆变器的控制环路中，得到虚拟等效RC串联支路导纳叠加市电电压后传递函数：实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。

10.根据权利要求1所述的并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制方法，其特征在于，步骤6中，有源阻尼等效传递函数F叠加到三相三电平光伏并网逆变器的控制环路中，得到虚拟等效RC串联支路导纳叠加市电电压后传递函数：实现并网逆变器虚拟阻抗有源阻尼控制。