CN113258564B - 基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法，包括：S1：通过并网逆变器的数学模型进行了谐振机理与谐振特性分析；S2：在逆变器电流环中引入电容电流反馈与并网电压比例前馈作为有源阻尼，避免增加额外加装硬件设备，有很强的可行性，可代替无源阻尼，有效降低硬件成本和功耗；S3：在S2基础上加入RLC型二阶谐振抑制电路作为无源阻尼，具有基波损耗低、抑制效果好的优点。以抑制系统谐振，提高输出电流质量。

Description

基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法

技术领域

本发明涉及光伏逆变器并网谐振抑制技术领域，更具体的说是涉及一种基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法。

背景技术

随着光伏发电系统并网容量占原有电力系统容量的比重不断增大，为优化并网逆变器配置，提升最大功率点跟踪效率，提高系统故障冗余运行能力，越来越多光伏发电系统采用组串式光伏集群逆变器并联入网的的方式。然而，多组串式光伏集群逆变器接入电网会引起谐振，对电力系统的稳定运行和电能质量产生不利影响。在国内外现有光伏并网工程中，因逆变器并联运行产生谐振，导致并网失败，甚至损坏电力设备的事故不在少数。

国内外学者针对光伏并网谐振抑制开展了很多研究。提出一种基于有源阻尼的控制策略，在进行谐波补偿时，通过并联有源滤波器抑制系统谐振。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》一文中提出了一种在不改变硬件拓扑结构或增加传感器的情况下抑制逆变器谐波电流的有源谐波电导法，以抑制系统谐振。但其用高斯白噪作为谐波源进行逆变器内部谐振仿真，并未在完整的光伏系统验证方法的可行性。2016年第44期的《电力系统保护与控制》中《基于陷波控制的LCL型光伏并网逆变器谐波谐振抑制研究》一文中提出一种基于有源阻尼的陷波控制策略。该方法虽能有效抑制并联谐振却忽略了电网阻抗对系统稳定性的影响。

上述方法都是在理想电网情况下实现，但在实际中，一些偏远地区或者山区随着并网逆变器的增加会引起系统谐振，使电能质量变差，导致入网电流内产生较严重的谐波，输出电流质量较差。

因此，如何抑制光伏发电系统并网谐振同时提高输出电流质量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混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法，通过在逆变器电流环中引入电容电流反馈与并网电压比例前馈作为有源阻尼，以削弱并网电流的谐波，可以有效地抑制LCL逆变器的谐振，有效地提高逆变器控制系统的稳定性。且不需要额外加装硬件设备，可行性强，可代替无源阻尼，有效降低硬件成本。同时，在此基础上加入二阶RLC谐振抑制电路作为无源阻尼，具有基波损耗低、抑制效果好的优点，使集群并网时逆变器输出电流满足并网条件，降低系统成本，提高了系统的鲁棒性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法，包括：

步骤1：通过并网逆变器的数学模型进行了谐振机理与谐振特性分析，获得光伏发电系统的谐振频率；

光伏发电系统的所述并网逆变器输出电压u_i至并网电流i_p1的传递函数为：

式中，

其中，u_i为第一台逆变器输出电压；i_p1为第一台逆变器并网电流；L₁₁为第一台逆变器侧电感值；L₂₁为第一台逆变器网侧电感值；L_g为电网电感值；C₁为第一台逆变器滤波电容；G_Z1为逆变器侧电感传递函数；G_C为逆变器滤波电容传递函数；G_Z2为逆变器网侧传递函数；G_g为电网阻抗传递函数；为求得系统的谐振频率，化简式(1)，令s＝jω，代入式(1)得

因此所述光伏发电系统的谐振频率为：

光伏发电系统有两个谐振峰；f_LCLg是光伏发电系统与电网交互的谐振点；f_LCL是光伏发电系统内部谐振点；

步骤2：在所述并网逆变器电流环中引入电容电流反馈与并网电压比例前馈作为有源阻尼，以抑制系统内部谐振；电容电流反馈与并网电压比例前馈的传递函数为：

其中，

式中，k_p、k_r、ω₁、ω_c分别表示准PR电流控制器的比例增益、广义积分系数、谐振角频率及控制器带宽；C为滤波电容值；K_PWM为逆变器等效增益；K_d为有源阻尼系数；G_f为比例反馈系数；G_PR(s)为准PR电流控制器；

步骤3：在步骤2中在逆变器电流环中引入电容电流反馈与并网电压比例前馈作为有源阻尼的基础上加入二阶RLC谐振抑制电路作为无源阻尼，以抑制系统与电网间谐振；

二阶RLC谐振抑制电路传递函数为：

其中，L为二阶RLC谐振抑制电路电感值；C_d为二阶RLC谐振抑制电路电容值；R为二阶RLC谐振抑制电路电阻；

计算所述二阶RLC谐振抑制电路的参数：

系统的并网谐振频率为：

所述二阶RLC谐振抑制电路的谐振频率为：

则所述二阶RLC谐振抑制电路的参数约束条件为：

其中，n为系统内逆变器台数；L_g为电网阻抗；U_s为电网电压；L为二阶RLC谐振抑制电路电感；C_d为二阶RLC谐振抑制电路电容值；R为二阶RLC谐振抑制电路电阻；f＝50Hz，ω＝2πf；由此分析出基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制策略。

一种基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网系统，包括光伏电池板、最大功率点跟踪模块MPPT、DC/DC变换器、DC/AC变换器、LCL滤波器、二阶RLC谐振抑制电路和弱电网；其中，

所述光伏电池板由组串式光伏阵列组成；

所述DC/DC变换器包括直流侧电感L_dci、稳压电容C_dci、二极管和三极管；

所述DC/DC变换器与所述DC/AC变换器组成两级式变换器，通过所述LCL滤波器与所述弱电网相连；

寄生电容C_cpvi连接在光伏电池板和地之间；

LCL滤波器包括滤波电感L_1i和L_2i、所述滤波电感的寄生电阻R_L1i和R_L2i、滤波电容C_i。

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混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法，通过对并网逆变器的数学模型、谐振机理和特性进行了分析，提出一种电容电流反馈与并网电压比例前馈的控制策略，减少额外硬件设备，可行性强，可代替无源阻尼，有效降低硬件成本和功耗，其次在此基础上加入RLC型二阶谐振抑制电路作为无源阻尼，以抑制系统谐振，使集群并网时逆变器输出电流满足并网条件，以消除谐波对并网电流的影响，提高输出电流质量。

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组串式光伏逆变器集群系统结构；

图2附图为本发明提供的LCL滤波器模型框图；

图3附图为本发明提供的逆变器并联频率特性图；

图4附图为本发明提供的多逆变器并联频率特性图；

图5附图为本发明提供的逆变器并联台数与谐振频率关系曲线；

图6附图为本发明提供的电容电流反馈与并网电压比例前馈控制框图；

图7附图为本发明提供的电容电流反馈与并网电压比例前馈控制频率特性分布图；

图8附图为本发明提供的电容电流反馈与并网电压比例前馈控制根轨迹分布图；

图9附图为本发明提供的RLC电路原理图；

图10附图为本发明提供的全局谐振抑制策略控制框图；

图11附图为本发明提供的基于混合阻尼谐振抑制策略频率特性；

图12附图为本发明提供的阻抗变化时有无控制策略对比伯德图；

图13附图为本发明提供的无谐振抑制策略并网电流波形分析图；

图14附图为本发明提供的无谐振抑制策略并网电流谐波分析图；

图15附图为本发明提供的有谐振抑制策略集群系统并网电流波形分析；

图16附图为本发明提供的有谐振抑制策略集群系统并网电流谐波分析。

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混合阻尼的全局谐振抑制方法，下面结合具体技术背景对技术方案做进一步解释说明。

参见图1，图1为组串式光伏逆变器集群系统结构图，每套光伏并网系统包括光伏电池板、升压电路、逆变器、LCL滤波器和弱电网；PV_i为第i个组串式光伏阵列；MPPT为光伏阵列的最大功率点跟踪模块；由直流侧电感L_dci、稳压电容C_dci和二极管、三极管构成的DC/DC变换器与DC/AC变换器组成了两级式变换器，通过LCL滤波器与弱电网相连；u_i为第i台逆变器输出电压；i_ipi为第i台逆变器并网电流；u_PCC为公共耦合点电压；C_cpvi为第i个光伏电池板对地寄生电容；弱电网阻抗Z_g＝R_g+L_g和电网电压u_g。i_L1i、i_L2i、i_g分别为逆变器侧电感电流、网侧电感电流、并网电流；R_L1i与R_L2i为滤波电感的寄生电阻；C_i为滤波电容，u_c为电容电压，其中，i＝1，2，3…，n。

组串式光伏集群逆变器并网系统的数学模型为:

由式(12)得3台逆变器并网等效控制框图如图2所示。

图中，

由图2可知，ui至并网电流ip1的传递函数为

式中，

由式(1)得出系统有两个谐振点，即

从图3可以看出，系统有两个谐振峰：一个是f_LCLg，与并联台数n和电网阻抗大小相关；一个是f_LCL，其值不受电网阻抗与并联台数n影响。图3横轴表示频率，从上到下两幅曲线图中纵轴分别表示幅值和相位。每存在一个谐振尖峰，同时相位发生-180°跳变。从控制角度讲，这个-180°跳变为一次负穿越，它会产生一对右半平面的闭环极点，导致并网系统不稳定。

如果并联系统中n台并网逆变器的系统参数和工作条件相同，则每个并网逆变器连接的电网阻抗将放大n倍。因此，组串式光伏集群并网产生的谐振频率为

多个逆变器的并网谐振频率特性如图4所示，横轴表示频率，从上到下两幅曲线图中纵坐标分别表示幅值和相位，图中蓝线表示系统3台逆变器并网，红线表示5台逆变器并网，黄线表示16台逆变器并网，紫线表示32台逆变器并网，绿线表示80台逆变器并网。从图4可以看出，随着逆变器并网数量的增加，系统并网产生的谐振点逐渐移向低频段，LCL逆变器自身产生的谐振点不变。

由式(14)可知，系统谐振峰的极限频率为

由式(15)可知，并网谐振频率与并联逆变器数量的关系如图5所示，横坐标表示逆变器并联数量，纵坐标表示并网谐振频率。随着逆变器并联数量的增加，并网谐振频率逐渐趋于一个固定值，最终谐振频率保持在1.5kHz左右。

针对上述问题，本发明提出了一种并网电压比例前馈与电容电流反馈的控制策略，有效提高逆变器控制系统的稳定性，抑制谐振发生。且有效降低硬件成本和功耗，控制框图如图6所示。

图6中，系统输入电流i^*，输出电流i_p1。电容电流i_c通过反馈对系统进行补偿，消除由并网引起的电流滞后。逆变器等效增益K_PWM＝1。K_d为有源阻尼系数，G_f为比例反馈系数，G_PR(s)为准PR电流控制器，在PR控制器中加入谐波补偿环节，可抑制电网波动导致的谐波。

PR控制器的形式如下

式中，kp、kr、ω1、ωc分别表示准PR电流控制器的比例增益、广义积分系数、谐振角频率及控制器带宽。

系统的开环传递函数为

系统的频率特性曲线和根轨迹如图7-8所示。在图7中，有无策略对比发现，蓝线表示无策略，红线表示有策略，电流谐振点峰值由109dB降至-2.09dB，说明电容电流反馈和电网电压前馈控制策略能有效抑制系统谐振；图8中，蓝色曲线表示根轨迹曲线，绿色闭合环表示分离点，系统根轨迹分布在复平面的左半平面上，证明该控制策略理论上能保证系统的稳定运行。

针对集群逆变器并联引起的系统级谐振，提出了一种改进的全局谐振抑制控制策略。在PCC点处设计了一种并联二阶RLC谐振抑制电路。二阶RLC谐振抑制电路的原理如图9所示。

在图9中，二阶RLC谐振抑制电路用于尽可能减少高频谐波信号，使对低频补偿信号的影响最小，并使谐振峰值最小。R_d增加系统的阻尼，减小并网电流的谐波导致的谐振尖峰；C_d作用是降低系统损耗；u_d为RLC电路的端电压，i_d为流入RLC谐振抑制电路电流。

由式(14)得谐振抑制电路的谐振频率为

结合式(8)推导出L、C、R约束条件为

式中，f＝50Hz，ω＝2πf。

由图9得集群并网系统得数学模型为

由式(16)可得集群系统控制框图如图10所示。图中G_d(s)为二阶RLC谐振抑制电路等效阻抗拉普拉斯变换，

图11为集群系统的频率特性曲，横坐标表示频率，纵坐标从上到下依次表示幅值和相位，蓝线表示无策略系统逆变器频率特性，红线表示有策略系统逆变器频率特性。图11中，加入控制策略前，逆变器的谐振峰值为109dB，并网集群系统的谐振峰值为131dB。通过增加电容电流反馈和电网电压前馈控制，逆变器的谐振峰值降低到-48dB；加入RLC二阶谐振抑制电路后，集群系统并网谐振峰值降低到-19.8dB。因此，本文所提策略理论上能够有效抑制集群逆变器谐振。

图12为系统等效开环在不同电网阻抗下的变化曲线，横坐标表示频率，纵坐标从上到下依次表示幅值和相位。从图12(a)可知，未加入谐振抑制策略时，随着电网等效阻抗L_g的增加，系统的截止频率和相位裕度逐渐减小，系统的动态性能逐渐变差，蓝线表示L_g＝1.2mH，红线表示L_g＝0.1mH，黄线表示L_g＝0mH。但是和图12(b)所示的有加入谐振抑制策略的伯德图相比，系统一直处于稳定状态，说明在加入电容电流反馈与并网电压比例前馈和RLC型谐振抑制电路相结合的全局谐振抑制策略后系统的稳定性得到了提高。

下面结合仿真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。仿真参数如表1所示。

表1组串式光伏集群系统参数

从图15-16可以看出，电流波形已发生畸变，并网电流总谐波失真率(THD)为10.54％，其中39次谐波(集群并网谐振)和92次谐波(逆变器自谐振)含量很高，THD分别为3.2％和3.6％。

PR电流调节器的参数如表2所示。

表2PR电流调节器参数

R＝50Ω,L＝0.1mH,C＝0.4μF,加入全局谐振抑制策略，并网电流波形和FFT谐波分析如图16所示，横坐标表示谐波次数，纵坐标表示幅值与基波之比。

从图16可以看出，并网电流的THD为1.97％，与未加入谐振抑制策略THD相比，下降程度高达81.3％，因此THD得到显著抑制，其中92次谐波和39次谐波分别为0.05％、0.03％，与未加入谐振抑制策略THD相比，下降程度分别为98.44％、99.17％，说明该策略能够有效抑制组串式光伏集群逆变器并联并网产生的谐振。

为验证系统在电网强弱下的稳定性，对系统在电网阻抗变化下的情况仿真，仿真结果如表3所示。由表3数据显示，电网阻抗在0～1.2mH范围内系统均能稳定运行，本发明所提控制策略可以有效提高弱电网下集群并网系统的稳定性，证明了策略的有效性。

表3电网阻抗变化仿真结果

综上所述，本发明首先分析了集群逆变器的数学模型、谐振机理与谐振特性，提出一种基于混合阻尼的全局谐振抑制策略。该策略在逆变器电流环中引入电容电流反馈与并网电压比例前馈作为有源阻尼，以削弱并网电流的谐波；在此基础上加入二阶RLC谐振抑制电路作为无源阻尼，以抑制系统谐振，使集群并网时逆变器输出电流满足并网条件。最后进行了验证，证明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 (4)

1.一种基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过并网逆变器的数学模型进行谐振机理与谐振特性分析，获得光伏发电系统的谐振频率；

步骤2：根据所述光伏发电系统的谐振频率，在逆变器电流环中引入电容电流反馈与并网电压比例前馈作为有源阻尼；

电容电流反馈与并网电压比例前馈的传递函数为：

其中，

式中，k_p、k_r、ω₁、ω_c分别表示准PR电流控制器的比例增益、广义积分系数、谐振角频率和控制器带宽；C为滤波电容值；K_PWM为逆变器等效增益；K_d为有源阻尼系数；G_f为比例反馈系数；G_PR为准PR电流控制器的传递函数；

步骤3：在所述步骤2中在逆变器电流环中引入电容电流反馈与并网电压比例前馈作为有源阻尼的基础上加入二阶RLC谐振抑制电路作为无源阻尼，利用光伏发电系统的谐振频率设定二阶RLC谐振抑制电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法，其特征在于，

集群并网系统的 数学模型为

光伏发电系统的第一台逆变器输出电压u_i至第一台逆变器并网电流i_p1的传递函数为：

式中，

其中，L₁₁为第一台逆变器侧电感值；L₂₁为第一台逆变器网侧电感值；L_g为电网电感值；C₁为第一台逆变器滤波电容；G_Z1为逆变器侧电感传递函数；G_C为逆变器滤波电容传递函数；G_Z2为逆变器网侧传递函数；G_g为电网阻抗传递函数；

令s＝jω,代入式(1)得

因此所述光伏发电系统的谐振频率为：

f_LCLg是光伏发电系统与电网交互的谐振点；f_LCL是光伏发电系统内部谐振点。

3.根据权利要求1所述的一种基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法，其特征在于，二阶RLC谐振抑制电路传递函数为：

其中，L为二阶RLC谐振抑制电路电感；C_d为二阶RLC谐振抑制电路电容；R为二阶RLC谐振抑制电路电阻。

4.根据权利要求2所述的一种基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法，其特征在于，还包括：计算所述二阶RLC谐振抑制电路的参数；

光伏发电系统与电网之间的并网谐振频率为：

所述二阶RLC谐振抑制电路的谐振频率为：

则所述二阶RLC谐振抑制电路的参数约束条件为：

其中，n为光伏发电系统内逆变器台数；L_g为电网阻抗；U_s为电网电压；L为二阶RLC谐振抑制电路电感；C_d为二阶RLC谐振抑制电路电容值；R为二阶RLC谐振抑制电路电阻；f＝50Hz，ω＝2πf。

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