CN113224793B - 微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法，包括谐波阻抗重塑控制、阻抗重塑因子自适应控制和电压电流双环控制三个部分。其中，谐波阻抗重塑控制能减小逆变器谐波阻抗，减小电压畸变率，提高微电网电压质量。阻抗重塑因子自适应控制能实现阻抗谐波阻抗自适应重塑，无需了解线路阻抗参数和微电网结构，通过引入输出电流谐波分量前馈，结合一致性算法自适应重塑逆变器等效谐波阻抗。电压外环采用多准谐振控制，能无静差跟踪基波电压指令，并能减小谐波阻抗，电流内环采用比例控制，能提高系统的响应速度。本发明能实现微电网多逆变器并联系统谐波电流均分，并改善微电网的电压质量，提高微电网电能质量。

Description

微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法及系统

技术领域

本发明涉及逆变器的控制领域，特别是一种逆变器的自适应谐波阻抗重塑控制方法及系统。

背景技术

微电网存在大量非线性负荷，高比例非线性负荷的接入，会引入大量的谐波电流，微电网的电能质量受到极大挑战，且谐波电流的不精确均分可能会导致逆变器过载、误触发保护，所以非线性负载的谐波分量必须均匀分配，以避免某些分布式电源过载而另一些分布式电源轻载。因此，谐波功率的均分也是一个和有功功率、无功功率均分同等重要的问题。

传统的下垂控制仅仅针对基波域，仅用于均分负载功率的基波分量，对谐波电流的均分基本没有影响。为实现谐波电流均分，现有技术提出虚拟阻抗控制方法，但是虚拟阻抗的引入会导致存在谐波均分精度和电压质量的矛盾问题，过大的虚拟阻抗，能提高系统谐波均分精度，但是也会引起电压较大畸变，降低电压质量，而过小的虚拟阻抗，虽然对电压质量影响较小，但是无法保证精确的谐波均分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法及系统，不需要引入额外的虚拟谐波阻抗，提高谐波均分精度，改善微电网的电压质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法，包括以下步骤：

S1、计算各台逆变器的谐波功率；

S2、利用下式计算第i个逆变器辅助控制分量u_H,i：

其中，C_H为耦合系数；a_ij为通讯权重，若第i个逆变器和第j个逆变器之间有通信链路通信，则a_ij＞0，否则a_ij＝0；b_i、b_j分别表示和第i个逆变器功率容量、第j个逆变器功率容量成反比的系数，

分别表示第i个逆变器和第j个逆变器的谐波功率，

表示的邻接点集合；

S3、利用所述第i个逆变器辅助控制分量u_H,i计算第i个逆变器的阻抗重塑因子，并利用所述阻抗重塑因子计算谐波电流补偿分量指令值，进而获得逆变器开关管的占空比信号。

本发明利用谐波功率计算逆变器辅助控制分量，进而计算阻抗重塑因子，利用阻抗重塑因子获取占空比信号，在不需要构造额外的虚拟阻抗的前提下，自适应重塑逆变器等效谐波阻抗，实现了谐波功率均分，提高了微电网的电能质量。

步骤S1的具体实现过程包括：将逆变器输出电流i_o经过多旋转坐标，得到谐波电流分量

结合逆变器输出电容电压u_o，计算出谐波功率

计算公式为：

其中，

表示逆变器输出电压基波分量的有效值，

表示逆变器输出电流第h次谐波分量的有效值。

步骤S2中，第i个逆变器的阻抗重塑因子k_ci表达式为：k_ci＝(k_p+k_i/s)u_H,i；其中，k_p是PI控制器的比例系数，k_i是PI控制器的积分系数，s为复频率。经过PI控制，可以得到第i个逆变器的自适应改变的阻抗重塑因子k_ci，该计算过程简单，容易实现，计算速度快。

为了保证微电网稳定，本发明中，k_p取值范围为0.1≤k_p≤10，k_i取值范围为10≤k_i≤150。步骤S3的具体实现过程包括：

1)将电压外环的参考指令u_ref和电容电压u_o相减得到差值e_u，将e_u送入多谐振准PR控制器，准PR控制器的输出经限幅后，获得电流内环控制的电流指令I_ref：

k_PU是准PR控制器的比例系数，k_r为谐振系数，_c为准PR控制器的截止频率，_f表示基波角频率；

对于任一台逆变器，该逆变器输出电流i_o的谐波电流分量

经过前馈补偿控制，得到谐波电流补偿分量

乘以该逆变器的阻抗重塑因子k_c，得到谐波电流补偿分量指令值

2)将谐波电流补偿分量指令值

和电流内环控制的电流指令I_ref相加，得到电流内环参考指令

3)将电流内环参考指令

减去逆变器的逆变器侧输出电流i_L得到差值e_i，将e_i送入比例控制器，获得SPWM调制信号D_a、D_b、D_c；

4)对SPWM调制波D_a、D_b、D_c和三角载波进行双极性调制，得出开关管的占空比信号。

现有方法往往需要引入额外的虚拟阻抗，在提高谐波均分精度的同时，由于虚拟阻抗的引入，会增大微电网电能质量的畸变，上述步骤S3的具体实现过程解决了谐波均分和电压质量需要折衷的问题，在实现谐波均分的同时，通过减小逆变器的等效谐波阻抗，进一步提高了微电网的电压质量。

电压外环的参考指令u_ref的计算过程包括：将逆变器侧电流输出电流i_L、输出电容电压u_o经过瞬时功率计算，得到有功功率P和无功功率Q，经过下垂控制幅值E和角频率ω，得到电压外环参考指令u_ref表达式为：

u_ref＝E·sin(∫ωdt)。

本发明还提供了一种微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制系统，其包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的自适应谐波阻抗控制方法不需要引入额外的虚拟谐波阻抗，能提高谐波均分精度，并较大改善微电网的电压质量；另外，所提控制方法基于分布式控制方式，克服了集中式控制的缺点，有利于分布式发电单元的即插即用，能提高微电网的灵活性和可拓展性，并且所提控制方法不需要事先了解线路阻抗参数和微电网拓扑结构。

附图说明

图1为本发明实施例多逆变器并联的系统结构图；

图2为本发明实施例自适应谐波阻抗重塑控制系统框图；

图3为本发明实施例在施加所提控制方法前后时，5、7次谐波电流的仿真波形图；

图4为本发明实施例在施加所提控制方法前后时，微电网电压及THD的仿真波形图。

具体实施方式

图1为本发明实施例多逆变器并联的系统结构图，包括三相桥电路、LC滤波电路、三相负载、采样调理电路、控制器、驱动保护电路。所述三相桥电路与LC滤波电路依次连接。所述采样调理电路输入端分别与所述LC滤波电路以及负载侧连接；所述控制器与驱动保护电路输入端、采样调理电路输出端连接；所述驱动保护电路驱动所述三相桥电路中的全控型功率器件；控制器进行算法及运算处理。

图2为本发明实施例自适应谐波阻抗重塑控制系统框图，逆变器的自适应谐波阻抗重塑控制主要包括谐波阻抗重塑控制模块、阻抗重塑因子自适应控制模块、电压电流双环控制模块、SPWM信号生成模块组成；所述电压电流双环控制模块由电压外环多谐振准PR控制。

本发明的一种自适应谐波阻抗重塑控制方法如下：

1)在每个采样周期的起始点，控制器启动A/D转换器，对逆变器的逆变器侧输出电流i_L、逆变器输出电流i_o、电容电压u_o分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给控制器DSP进行处理；

2)控制器对步骤1)所采集得到的逆变器侧电流输出电流i_L、输出电容电压u_o，经过瞬时功率计算得到有功功率P和无功功率Q，经过下垂控制幅值E和角频率ω，从而得到电压外环参考指令u_ref；

3)控制器对步骤1)所采集得到的逆变器输出电流i_o经过多旋转坐标得到谐波电流分量

根据所采集的输出电容电压u_o，计算出谐波功率

4)根据步骤3)所计算的谐波功率

通过一致性算法得到辅助控制分量u_H，u_H经过PI控制器得到阻抗重塑因子k_c。一致性算法的控制方程为：

其中，u_H,i为第i个逆变器辅助控制分量，C_H为耦合系数，a_ij为通讯权重，如果第i个逆变器和第j个逆变器之间有通信链路通信,则a_ij＞0，否则a_ij＝0，b_i、b_j表示和逆变器功率容量成反比的系数，

表示第i个逆变器和第j个逆变器的谐波功率。u_H,i送入PI控制器就可以得到第i个逆变器的阻抗重塑因子k_ci，其表达式为：

k_ci＝(k_p+k_i/s)u_H,i

其中，k_p是PI控制器的比例系数，k_i是PI控制器的积分系数,s为复频率。k_p取值范围为0.1≤k_p≤10，k_i取值范围为10≤k_i≤150，保证系统稳定。

5)将电压外环的参考指令u_ref和电容电压u_o相减得到差值e_u，将e_u送入多谐振准PR控制器，控制器的输出经限幅后，获得电流内环控制的电流指令I_ref，表达式为：

k_PU是谐振控制器的比例系数，k_r为谐振系数，_c为准PR调节器的截止频率，_f表示基波角频率。

6)逆变器输出电流i_o的谐波电流分量

经过前馈补偿控制，得到谐波电流补偿分量

乘以阻抗重塑因子k_c得到谐波电流补偿分量指令值

表达式为：

7)将谐波电流补偿分量指令值

和电流内环控制的电流指令I_ref相加合成得到电流内环参考指令

8)将电流内环参考指令

减去逆变器侧输出电流i_L得到差值e_i，将e_i送入比例控制器，获得SPWM调制信号D_a、D_b、D_c，表达式为：

其中，G_I(s)为比例控制传递函数，G_i(s)＝k_I，

为a、b、c相的电流内环指令值，i_oa、i_ob、i_oc为a、b、c相的输出电流值。

9)对SPWM调制波D_a、D_b、D_c和三角载波进行双极性调制，得出开关管的占空比信号，经过逆变器的驱动保护电路，控制开关管Q₁～Q₆的开通与关断。

图3(a)和图3(b)分别为采用传统下垂控制方法与本发明所提控制方法的谐波电流仿真波形图。图3(a)为传统下垂控制时5、7次谐波电流的仿真波形图，图3(b)为施加所提控制方法时5、7次谐波电流的仿真波形图。当采用传统下垂控制时，5、7次谐波电流不相等；当采用本发明的控制方法时，5、7次谐波电流相等。图4(a)和图4(b)分别为采用传统下垂控制方法与本发明所提控制方法的电压波形和对应的THD图。图4(a)为传统下垂控制时的仿真波形图，图4(b)为施加所提控制方法时的仿真波形图。当采用传统下垂控制时，电压波形质量较差，畸变率为10.77％；当采用本发明的控制方法时，畸变率THD降低为3.19％，电压波形质量得到较大改善。

Claims (6)

1.一种微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算各台逆变器的谐波功率；

S2、利用下式计算第i个逆变器辅助控制分量u_H,i：

其中，C_H为耦合系数；a_ij为通讯权重，若第i个逆变器和第j个逆变器之间有通信链路通信，则a_ij＞0，否则a_ij＝0；b_i、b_j分别表示和第i个逆变器功率容量、第j个逆变器功率容量成反比的系数，

分别表示第i个逆变器和第j个逆变器的谐波功率，

表示的邻接点集合；第i个逆变器的阻抗重塑因子k_ci表达式为：k_ci＝(k_p+k_i/s)u_H,i；其中，k_p是PI控制器的比例系数，k_i是PI控制器的积分系数，s为复频率；

S3、利用所述第i个逆变器辅助控制分量u_H,i计算第i个逆变器的阻抗重塑因子，并利用所述阻抗重塑因子计算谐波电流补偿分量指令值，进而获得逆变器开关管的占空比信号。

2.根据权利要求1所述的微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法，其特征在于，步骤S1的具体实现过程包括：将逆变器输出电流i_o经过多旋转坐标，得到谐波电流分量

结合逆变器输出电容电压u_o，计算出谐波功率

计算公式为：

其中，

表示逆变器输出电压基波分量的有效值，

表示逆变器输出电流第h次谐波分量的有效值。

3.根据权利要求1所述的微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法，其特征在于，k_p取值范围为0.1≤k_p≤10，k_i取值范围为10≤k_i≤150。

4.根据权利要求1所述的微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法，其特征在于，步骤S3的具体实现过程包括：

1)将电压外环的参考指令u_ref和电容电压u_o相减得到差值e_u，将e_u送入多谐振准PR控制器，准PR控制器的输出经限幅后，获得电流内环控制的电流指令I_ref：

k_PU是准PR控制器的比例系数，k_r为谐振系数，ω_c为准PR控制器的截止频率，ω_f表示基波角频率；h表示谐波次数；

对于任一台逆变器，该逆变器输出电流i_o的谐波电流分量

经过前馈补偿控制，得到谐波电流补偿分量

乘以该逆变器的阻抗重塑因子k_c，得到谐波电流补偿分量指令值

2)将谐波电流补偿分量指令值

和电流内环控制的电流指令I_ref相加，得到电流内环参考指令

3)将电流内环参考指令

减去所述逆变器的逆变侧输出电流i_L得到差值e_i，将e_i送入比例控制器，获得SPWM调制信号D_a、D_b、D_c；

4)对SPWM调制波D_a、D_b、D_c和三角载波进行双极性调制，得出开关管的占空比信号。

5.根据权利要求4所述的微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制方法，其特征在于，电压外环的参考指令u_ref的计算过程包括：将逆变器侧电流输出电流i_L、输出电容电压u_o经过瞬时功率计算，得到有功功率P和无功功率Q，经过下垂控制幅值E和角频率ω，得到电压外环参考指令u_ref表达式为：

u_ref＝E·sin(∫ωdt)。

6.一种微电网多逆变器并联自适应谐波阻抗重塑控制系统，其特征在于，包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行权利要求1～5之一所述方法的步骤。

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