CN113659593B - 一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，涉及逆变器并联稳定运行技术领域，包括以下步骤：a.采集各逆变器的电容电压和电容电流作为状态变量，b.将各逆变器的电容电压和电容电流分别通过滤波控制环节并作和，c.将各逆变器通过滤波控制环节后的输出之和加到电流控制的输出端，完成虚拟阻尼控制环节；d.在电路中加入超前补偿。本发明有效抑制了逆变器并联下的高频振荡，降低了高频谐波含量，增强了系统的稳定性。

Description

一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法
技术领域
涉及逆变器并联稳定运行技术领域，尤其是一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法。
背景技术
交流微电网的正常运行，需要保证从逆变器级到微网系统级在多种逆变器并联的情况下保持稳定。目前对于偏远地区、自然灾害以及线路故障时，微电网需要保持孤岛运行，此时孤岛模式下逆变器的并联稳定运行显得尤为重要。一方面能够保证能源的有效利用，另一方面也能够解决用电困难的问题，使得孤岛模式下微电网的运行得到发展。对于孤岛模式下的多机并联，由于线路阻抗的差异，控制环参数变化以及大量逆变器的并联运行，会造成逆变器内部，逆变器之间产生谐波谐振。逆变器台数的增多会放大这种现象，造成严重的振荡，会影响系统的稳定性和电能质量，因此需要抑制这种振荡现象并保证系统稳定运行。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，有效的抑制逆变器并联下的高频振荡，降低高频谐波含量，增强系统的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，包括以下步骤：
A.采样环节：采集各逆变器的电容电压和电容电流作为状态变量；B.虚拟阻尼控制环节：将各逆变器的电容电压和电容电流分别通过滤波控制环节并作和；C.加法模块：将各逆变器通过滤波控制环节后的输出之和加到电流控制的输出端，完成虚拟阻尼控制环节；D.超前补偿环节：在电路中加入超前补偿。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A包括：在采样周期起始点，采集各逆变器的电容电压Vc和电容电流Ic作为状态变量。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤B包括：将各逆变器采集到的电容电压Vc和电容电流Ic分别经过滤波控制环节Gf1、Gf2之后作和得到各逆变器的高频控制分量Ih；
其中滤波控制环节Gf1、Gf2分别表示如下，f是特征频率，此处取50hz，Q为品质因数，k1、k2为比例增益。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C包括：将各逆变器的高频控制分量Ih加到电流控制的输出端得到补偿后的各逆变器的控制电压分量Vp。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤D包括：将各逆变器的控制电压分量Vp经过超前补偿环节Gp后得到补偿后的输出电压Vp *，控制电压分量Vp与超前补偿环节Gp的关系为：
其中超前补偿环节Gp表示如下，b是时间常数，a是补偿校正参数。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤B中选取滤波控制环节的比例增益看k1、k2后通过滤波环节提取除基频外的其余分量再乘以比例增益，从而在高频谐振点处进行虚拟阻尼控制，并重塑逆变器并联系统的阻抗。
本发明技术方案的进一步改进在于：各逆变器的输出电压Vo和参考电压Voref的差值经过电压环和电流环控制，再经过虚拟阻尼控制环节、超前补偿环节后得到各自的控制电压，经过PWM调制生成驱动信号作用于各逆变器。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明通过引入虚拟阻尼控制环节和超前补偿环节，来实现孤岛模式下逆变器并联系统的高频振荡抑制，其实质上是重塑各逆变器的输出阻抗，使得逆变器并联系统的各逆变器得到稳定，达到谐振抑制的效果，有效抑制系统的谐波谐振，保证系统的稳定运行。
相比于目前已有的孤岛逆变器并联系统的谐振抑制策略，只需对滤波电容的相关状态量进行采样，并不会造成额外的损耗和硬件成本，能保证并联系统下的每一台逆变器保持稳定。
所述步骤B中合理选取滤波控制环节的比例增益k1、k2，通过滤波环节提取除基频外的其余分量再乘以比例增益，从而在高频谐振点处进行虚拟阻尼控制，用以重塑逆变器并联系统的阻抗，达到抑制高频谐振的作用。
附图说明
图1为本发明所述孤岛模式下逆变器并联的系统结构图；
图2为本发明所述逆变器的控制框图；
图3为改进前发生高频振荡时的逆变器输出电流波形图；
图4为改进前发生高频振荡时的逆变器输出电流频谱图；
图5为改进后发生高频振荡时的逆变器输出电流波形图；
图6为改进后发生高频振荡时的逆变器输出电流频谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1至图6所示，一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，该方法通过引入虚拟阻尼控制环节和超前补偿环节，来实现孤岛模式下逆变器并联系统的高频振荡抑制，包括以下步骤：
A.采样环节
在采样周期起始点，采集各逆变器的电容电压Vc和电容电流Ic作为状态变量；
B.虚拟阻尼控制环节
将各逆变器采集到的电容电压Vc和电容电流Ic分别经过滤波控制环节Gf1、Gf2之后作和得到各逆变器的高频控制分量Ih；
其中滤波控制环节Gf1、Gf2分别表示如下，f是特征频率，此处取50hz，Q为品质因数，k1、k2为比例增益；
C.加法模块
将各逆变器的高频控制分量Ih加到电流控制的输出端得到补偿后的各逆变器的控制电压分量Vp；
D.超前补偿环节
将各逆变器的控制电压分量Vp经过超前补偿环节Gp后得到补偿后的输出电压Vp *，控制电压分量Vp与超前补偿环节Gp的关系为：
其中超前补偿环节Gp表示如下，b是时间常数，a是补偿校正参数；
所述步骤B中选取滤波控制环节的比例增益看k1、k2后通过滤波环节提取除基频外的其余分量再乘以比例增益，从而在高频谐振点处进行虚拟阻尼控制，并重塑逆变器并联系统的阻抗。
各逆变器的输出电压Vo和参考电压Voref的差值经过电压环和电流环控制，再经过虚拟阻尼控制环节、超前补偿环节后得到各自的控制电压，经过PWM调制生成驱动信号作用于各逆变器。
如图1所示为孤岛模式下三台逆变器并联的系统结构图，也是本文所采用的主电路。左侧为三台逆变器并联子系统，右侧为负载子系统。其中Udc为直流侧电压，S1、S2、S3、S4、S5、S6为三相逆变器的开关管，滤波电感Lf和滤波电容Cf构成了LC滤波电路，Zline为逆变器的线路阻抗，Rline和Lline分别为逆变器的线路电阻和线路电感，PCC为交流母线，Ic，IL分别为逆变器的电容电流和电感电流，Vc为电容电压。
图2为单个逆变器的内部控制框图，下面就此进行说明一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，包括以下步骤：
A.采样环节
在采样周期起始点，采集各逆变器的电容电压Vc和电容电流Ic作为状态变量。
B.虚拟阻尼控制环节
将各逆变器采集到的电容电压Vc和电容电流Ic分别经过滤波控制环节Gf1、Gf2之后作和得到各逆变器的高频控制分量Ih。其中滤波控制环节Gf1、Gf2分别表示如下，f是特征频率，此处取50hz，Q为品质因数，此处取0.5，k1、k2为比例增益。
C.加法模块
将各逆变器的高频控制分量Ih加到电流控制的输出端得到补偿后的各逆变器的控制电压分量Vp。
D.超前补偿环节
其次考虑到需要对控制环节以及延时等引起的滞后进行补偿控制，在电路中加入超前补偿以此提升系统的抗扰能力，同时能够重塑逆变器的输出阻抗。将各逆变器的控制电压分量Vp经过超前补偿环节Gp后得到补偿后的输出电压Vp *，其中超前补偿环节Gp表示如下，b是时间常数，a是补偿校正参数。
补偿校正参数a的取值范围为3≤a≤6，时间常数b为5×10-5，此环节不仅补偿了系统因控制环节和延时引起的滞后，还重塑了单逆变器的输出阻抗，有利于系统的稳定。
步骤B所述的滤波控制环节的比例增益k1、k2的选取应当合理，此处k1取值范围为0.2≤k1≤0.8，k2取值范围为-4≤k2≤-8，通过滤波环节提取除基频外的其余分量再乘以比例增益，从而在高频谐振点处进行虚拟阻尼控制，用以重塑逆变器并联系统的阻抗，达到抑制高频谐振的作用。
各逆变器的输出电压Vo和参考电压Voref的差值经过电压环和电流环控制，再经过虚拟阻尼控制环节、超前补偿环节后得到各自的控制电压，经过PWM调制生成驱动信号作用于各逆变器。
本文针对图1所示的三台逆变器并联系统搭建了仿真进行验证。仿真参数如下所示：直流测电压Udc为700V，滤波电感为Lf为0.002H，滤波电容Cf为50μF，线路阻抗的线路电阻大小为0.1Ω，线路电感大小为0.0001H，右侧负载为阻感性负载，大小为(10+j10)Ω。由图3和图4可知道，系统发生高频谐振时，谐振频率为2350hz左右，输出电流发生明显的谐波谐振。
如图3和图4所示，没有施加高频振荡抑制策略时的逆变器输出电流波形和频谱图，图中Ioa，Iob，Ioc分别表示逆变器a相输出电流，b相输出电流和c相输出电流，下图同理。由于线路阻抗和控制耦合的影响，电流畸变率达到了10.43％，影响了电流质量，系统稳定性受到影响。
如图5和图6所示，施加高频振荡抑制策略后的逆变器输出电流波形和频谱图，电流畸变率降低到了1.97％，波形质量得到改善，谐振抑制效果显著，有利于系统稳定运行。

Claims (5)

1.一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.采样环节：采集各逆变器的电容电压和电容电流作为状态变量；B.虚拟阻尼控制环节：将各逆变器的电容电压和电容电流分别通过滤波控制环节并作和；C.加法模块：将各逆变器通过滤波控制环节后的输出之和加到电流控制的输出端，完成虚拟阻尼控制环节；D.超前补偿环节：在电路中加入超前补偿；
其中，所述步骤B包括：将各逆变器采集到的电容电压Vc和电容电流Ic分别经过滤波控制环节Gf1、Gf2之后作和得到各逆变器的高频控制分量Ih；
其中滤波控制环节Gf1、Gf2分别表示如下，f是特征频率，此处取50hz，Q为品质因数，k1、k2为比例增益；
所述步骤D包括：将各逆变器的控制电压分量Vp经过超前补偿环节Gp后得到补偿后的输出电压Vp *，控制电压分量Vp与超前补偿环节Gp的关系为：
其中超前补偿环节Gp表示如下，b是时间常数，a是补偿校正参数。
2.根据权利要求1所述的一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤A包括：在采样周期起始点，采集各逆变器的电容电压Vc和电容电流Ic作为状态变量。
3.根据权利要求1所述的一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤C包括：将各逆变器的高频控制分量Ih加到电流控制的输出端得到补偿后的各逆变器的控制电压分量Vp。
4.根据权利要求1所述的一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤B中选取滤波控制环节的比例增益看k1、k2后通过滤波环节提取除基频外的其余分量再乘以比例增益，从而在高频谐振点处进行虚拟阻尼控制，并重塑逆变器并联系统的阻抗。
5.根据权利要求1所述的一种孤岛模式下逆变器并联的高频振荡抑制方法，其特征在于：各逆变器的输出电压Vo和参考电压Voref的差值经过电压环和电流环控制，再经过虚拟阻尼控制环节、超前补偿环节后得到各自的控制电压，经过PWM调制生成驱动信号作用于各逆变器。
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