CN113839413A - 一种交直流混合配电网逆变器参数设计方法 - Google Patents

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张宸宇
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宋亮亮
杨毅
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Abstract

本发明涉及电力系统新能源并网技术领域，尤其涉及一种交直流混合配电网逆变器参数设计方法，包括以下步骤：S10：遍历电网参数、主电路参数以及控制器参数，构建包含负荷、输电线路、系统电压、等效电容、逆变器的导纳形式的诺顿等效电路；S20：根据所述诺顿等效电路，得到弱电网公共连接点处全局导纳s域表达式Y total(s)，其中Y total(s)表示系统所有导纳之和；S30：计算全局导纳频域增益的虚部值，求解并网系统所有的谐振频率；S40：根据步骤S30所得的谐振频率，求解在谐振频率处的全局导纳频域增益实部值Rd，若Rd最小值小于0即为系统稳定区域。该设计方法得到的逆变器参数，在交直流混合配电网的逆变器能得到应用，且不会发生谐振，设计方法有效。

Description

一种交直流混合配电网逆变器参数设计方法
技术领域
本发明涉及电力系统新能源并网技术领域，尤其涉及一种交直流混合配电网逆变器 参数设计方法。
背景技术
交直流混合配电网由于电力电子器件富集和高阻抗的弱电网特性，存在复杂的谐波问题和稳定性控制问题，也就是独立稳定工作的单台逆变器并网接入多机系统后可能出现稳定性问题，常规强电网下设计的并网逆变器比例-积分(PI)参数往往引起包括并 网谐波谐振稳定性问题。考虑电网电压背景谐波等扰动因素，当来自逆变器、负载、电 网的电流或电压谐波成分，包括瞬态波动的频率接近其所在阻抗网络的谐振频率点时， 谐振稳定问题会出现并引发电流异常畸变增大，并沿母线扩散。这些问题的存在不仅影 响了分布式发电系统运行的可靠性和并网电能质量，严重时，还会导致区域电网瘫痪。
目前应用最广泛的交直流混合配电网逆变器稳定性分析法是阻抗分析法。阻抗分析法是通过电路分析，构建类似标准闭环传函形式，用奈奎斯特法分析逆变器总的输出 阻抗与电网阻抗的比值。当逆变器并网后，并网系统的阻抗网络会发生相应变化，主要 体现在单机系统谐振失稳仅仅发生在一个频率，而多逆变器并联并网系统中的谐振失稳 分布在不同频段，关联到系统中电网参数、负载变化以及相互耦合交互等因素。而传统 的稳定性分析方法只能给出是否稳定的结论，不能判断失稳的来源，也不能指导参数设 计。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种交直流混合配电网逆变器参数设计方法， 提高并网系统的稳定性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种交直流混合配电网逆变器参 数设计方法，包括以下步骤：
S10：遍历电网参数、主电路参数以及控制器参数，构建包含负荷、输电线路、系 统电压、等效电容、逆变器的导纳形式的诺顿等效电路；
S20：根据所述诺顿等效电路，得到弱电网公共连接点处全局导纳s域表达式Ytotal(s)， 其中Ytotal(s)表示系统所有导纳之和；
S30：计算全局导纳频域增益的虚部值，求解并网系统所有的谐振频率；
S40：根据步骤S30所得的谐振频率，求解在谐振频率处的全局导纳频域增益实部值Rd，若Rd大于0，则并网系统不稳定，继续步骤S50；若Rd最小值小于0即为系统 稳定区域，转至步骤S60；
S50：修改逆变器软硬件参数L、C、Kpi，再迭代一遍并网系统参数，计算全局导 纳，并重复步骤S10～S40；
S60：根据谐振稳定裕度约束公式和系统带宽约束公式，获得逆变器参数稳定区域范围。
进一步地，在多个并网逆变器连接到系统的公共连接点处时，将多个并网逆变器的 并网系统用全局导纳等效模型表示。
进一步地，在所述全局导纳模型中，电网等效为一个理想电压源和电网阻抗，线性负荷等效为电阻和基波电抗，非线性负荷等效为谐波电流，电缆群等效为对地电容，逆 变器等效为一个受控电流源和输出阻抗。
进一步地，在全局导纳s域表达式Ytotal(s)中，令s＝jω，可以得到实部和虚部分离 的导纳频域表达式：
Figure BDA0003127460480000021
其中，并网谐振点是指全局导纳Ytotal频域增益虚部为零时的所有频次。
进一步地，在所述表达式(1)中，令导纳的频域增益虚部为零，得到谐振频率ωs。
进一步地，令全局导纳Ytotal频域增益实部为Rd，则得到谐振频率ωs和增益实部Rd表达式：
Figure BDA0003127460480000022
进一步地，由表达式(2)得出，每个谐振频率ωs都是关于系统参数的函数，则 所述谐振频率的表达式为：
ws(Lg(L1,i,L2,i,Ci,Kp,i,Ts,i,i＝1,2K,n)) (3)
其中，在一个并网系统中若存在若干个谐振频率，则称Rd大于零为正阻尼，其小于零为负阻尼，根据Nyquist稳定判据，当在谐振频率ωs处的全局导纳增益全都为正， 即所有ωs下的Rd大于0，则并网系统稳定。
进一步地，根据表达式(3)可知，若最小的Rd大于0，则并网系统稳定，将表达 式(3)代入表达式(2)，可得相应的谐振稳定性设计约束表达式：
Figure BDA0003127460480000031
进一步地，为保证系统拥有较快的响应速度，给系统参数设计留出一定裕度，系统参数设计的约束条件还包括：电流环带宽的约束。
进一步地，对于采用PI控制的逆变器，其带宽fb和PI参数Kp和Ki的关系，即带 宽等式约束表达式为：
Figure BDA0003127460480000032
其中，ω0为基波角频率，Kp和Ki分别为比例和积分系数，若min(Rd)<0，保证足 够的带宽和增益，首先修改控制器参数Kpi，再迭代一遍并网系统参数，计算全局导纳， 直至满足表达式(4)和表达式(5)等式约束，得到L、C、Kpi参数范围。
本发明的有益效果为：本发明首先针对一个交直流混合配电网逆变器，遍历其系统 参数，首先建立系统的全局导纳模型，把系统内逆变器、线缆阻抗、对地电容等全部等效成导纳形式；随后令全局导纳Ytotal频域增益虚部为零，求解谐振频率ωs：根据Nyquist稳定判据得到稳定情况下的逆变器参数谐振稳定约束。结合电流环约束，最终得到逆变 器软硬件参数L、C、Kpi的取值范围，该设计方法得到的逆变器参数，在交直流混合配 电网的逆变器能得到应用，且不会发生谐振，设计方法有效。
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中记载的一些实施例，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他的附图。
图1为本发明实施例中交直流混合配电网逆变器参数设计方法流程图；
图2为本发明实施例中交直流混合配电网逆变器参数设计方法中多机并网系统的全 局导纳等效模型；
图3为本发明实施例中交直流混合配电网逆变器参数设计方法中多级并网导纳模型；
图4为本发明实施例中采用了交直流混合配电网逆变器参数设计方法后的交直流混 合配电网的逆变器仿真波形图。
具体实施方式
为使逆变器并网后，并网系统能够保持高效稳定运行，本发明提出了一种考虑谐振 稳定性的交直流混合配电网逆变器设计方法。根据该方法设计相应的并网系统控制和硬 件参数，在考虑并网逆变器稳定性的同时，结合多个性能指标进行多目标的优化设计，使得在逆变器并网后，并网系统稳定、高效运行。
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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接 连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、 “左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技 术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实 施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，包括以下步骤：
S10：遍历电网参数、主电路参数以及控制器参数，构建包含负荷、输电线路、系 统电压、等效电容、逆变器的导纳形式的诺顿等效电路；
S20：根据所述诺顿等效电路，得到弱电网公共连接点处全局导纳s域表达式Ytotal(s)， 其中Ytotal(s)表示系统所有导纳之和；
S30：计算全局导纳频域增益的虚部值，求解并网系统所有的谐振频率；
S40：根据步骤S30所得的谐振频率，求解在谐振频率处的全局导纳频域增益实部值Rd，若Rd大于0，则并网系统不稳定，继续步骤S50；若Rd最小值小于0即为系统 稳定区域，转至步骤S60；
S50：修改逆变器软硬件参数L、C、Kpi，再迭代一遍并网系统参数，计算全局导 纳，并重复步骤S10～S40；
S60：根据谐振稳定裕度约束公式和系统带宽约束公式，获得逆变器参数稳定区域范围。
在上述实施例中，首先针对一个交直流混合配电网逆变器，遍历其系统参数，首先建立系统的全局导纳模型，把系统内逆变器、线缆阻抗、对地电容等全部等效成导纳形 式；随后令全局导纳Ytotal频域增益虚部为零，求解谐振频率ωs：根据Nyquist稳定判据 得到稳定情况下的逆变器参数谐振稳定约束。结合电流环约束，最终得到逆变器软硬件 参数L、C、Kpi的取值范围，该设计方法得到的逆变器参数，在交直流混合配电网的逆 变器能得到应用，且不会发生谐振，设计方法有效，本实施例的以下部分对该方法进行 详细解释说明。
当多个并网逆变器连接到系统的公共连接点(point of common coupling，PCC)时，多 机并网系统可以用如图2所示的全局导纳等效模型表示。其中电网可以等效成一个理想 电压源和电网阻抗，线性负荷可以等效为电阻和基波电抗，非线性负荷可以等效为谐波 电流，电缆群等效为对地电容，逆变器可以等效成一个受控电流源和输出阻抗。
图1将一个基本的交直流混合配电网通过s域阻抗模型表示，其参数包括线性负荷的等效基波电阻和基波阻抗、非线性负荷的等效谐波电流、输电线路的等效阻抗、系统 电压、电缆等效电容、逆变器等效电流源和阻抗。再将其转化为导纳形式，得到如图3 所示的等效导纳电路。定义全局导纳Ytotal为系统所有导纳之和。由图2和图3即得到了 系统的基本结构框架图，然后再根据该结构框架图进行导纳频域表达式的转换；
具体的转换方法为，令s＝jω，可以得到实部和虚部分离的导纳频域表达式。
Figure RE-GDA0003373096900000051
并网系统谐振点是指其全局导纳Ytotal频域增益虚部为零时的所有频次，令导纳的频 域增益虚部为零，求解谐振频率ωs。定义全局导纳Ytotal频域增益实部为Rd。
Figure BDA0003127460480000052
显然，每个谐振频率ωs都是关于系统参数的函数，可以表示为：
ws(Lg(L1,i,L2,i,Ci,Kp,i,Ts,i,i＝1,2K (3)
式(3)说明，交直流混合配电网逆变器的ωs和这个系统的每一台逆变器的滤波器参数、控制器参数、数字采样时间有关。一个并网系统中，可能存在若干个ωs。称Rd大于零为正阻尼，其小于零为负阻尼，根据Nyquist稳定判据，当在谐振频率ωs处的 全局导纳增益全都为正，即所有ωs下的Rd大于0，则并网系统稳定。对应的等价条件 为，最小的Rd大于0，则并网系统稳定。将式(3)代入式(2)，可得相应的谐振稳定 性设计约束(4)：
Figure BDA0003127460480000061
为保证系统拥有较快的响应速度，给系统参数设计留出一定裕度，系统参数设计的 约束条件还包括：电流环带宽的约束。
对于采用PI控制的逆变器，其带宽fb和PI参数Kp和Ki的关系，即带宽等式约束 如下，ω0为基波角频率，Kp和Ki分别为比例和积分系数：
Figure BDA0003127460480000062
因此，通过优化并网模块控制器参数设计，提高全局导纳谐振频次处增益实部值，使得并网系统所有谐振点均呈正阻尼，即满足式(4)和(5)两式约束，进而作为并网 系统稳定性设计指导。
参数的范围；如若min(Rd)<0，保证足够的带宽和增益，首先修改控制器参数Kpi，再迭代一遍并网系统参数，计算全局导纳，直至满足式(4)不等式和式(5)等式约束， 得到L、C、Kpi参数范围。
应用上述方法设计得到表1的配电网逆变器参数，其稳定运行波形如图4所示，证明该设计方法得到的逆变器参数，在交直流混合配电网的逆变器能得到应用，且不会发 生谐振，设计方法有效。
表1应用本方法设计的交直流混合配电网逆变器参数
Figure BDA0003127460480000063
Figure BDA0003127460480000071
本发明提出了一种考虑谐振稳定性的交直流混合配电网逆变器设计方法。首先针对 一个交直流混合配电网逆变器，遍历其系统参数，首先建立系统的全局导纳模型，把系统内逆变器、线缆阻抗、对地电容等全部等效成导纳形式；随后令全局导纳Ytotal频域 增益虚部为零，求解谐振频率ωs：根据Nyquist稳定判据得到稳定情况下的逆变器参数 谐振稳定约束。结合电流环约束，最终得到逆变器软硬件参数L、C、Kpi的取值范围。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书 中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范 围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：遍历电网参数、主电路参数以及控制器参数，构建包含负荷、输电线路、系统电压、等效电容、逆变器的导纳形式的诺顿等效电路；
S20：根据所述诺顿等效电路，得到弱电网公共连接点处全局导纳s域表达式Ytotal(s)，其中Ytotal(s)表示系统所有导纳之和；
S30：计算全局导纳频域增益的虚部值，求解并网系统所有的谐振频率；
S40：根据步骤S30所得的谐振频率，求解在谐振频率处的全局导纳频域增益实部值Rd，若Rd大于0，则并网系统不稳定，继续步骤S50；若Rd最小值小于0即为系统稳定区域，转至步骤S60；
S50：修改逆变器软硬件参数L、C、Kpi，再迭代一遍并网系统参数，计算全局导纳，并重复步骤S10～S40；
S60：根据谐振稳定裕度约束公式和系统带宽约束公式，获得逆变器参数稳定区域范围。
2.根据权利要求1所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，在多个并网逆变器连接到系统的公共连接点处时，将多个并网逆变器的并网系统用全局导纳等效模型表示。
3.根据权利要求2所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，在所述全局导纳模型中，电网等效为一个理想电压源和电网阻抗，线性负荷等效为电阻和基波电抗，非线性负荷等效为谐波电流，电缆群等效为对地电容，逆变器等效为一个受控电流源和输出阻抗。
4.根据权利要求1所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，在全局导纳s域表达式Ytotal(s)中，令s＝jω，可以得到实部和虚部分离的导纳频域表达式：
Figure FDA0003127460470000011
其中，并网谐振点是指全局导纳Ytotal频域增益虚部为零时的所有频次。
5.根据权利要求4所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，在所述表达式(1)中，令导纳的频域增益虚部为零，得到谐振频率ωs。
6.根据权利要求5所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，令全局导纳Ytotal频域增益实部为Rd，则得到谐振频率ωs和增益实部Rd表达式：
Figure FDA0003127460470000021
7.根据权利要求6所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，由表达式(2)得出，每个谐振频率ωs都是关于系统参数的函数，则所述谐振频率的表达式为：
ws(Lg(L1,i,L2,i,Ci,Kp,i,Ts,i,i＝1,2K,n)) (3)
其中，在一个并网系统中若存在若干个谐振频率，则称Rd大于零为正阻尼，其小于零为负阻尼，根据Nyquist稳定判据，当在谐振频率ωs处的全局导纳增益全都为正，即所有ωs下的Rd大于0，则并网系统稳定。
8.根据权利要求7所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，根据表达式(3)可知，若最小的Rd大于0，则并网系统稳定，将表达式(3)代入表达式(2)，可得相应的谐振稳定性设计约束表达式：
Figure FDA0003127460470000022
9.根据权利要求8所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，为保证系统拥有较快的响应速度，给系统参数设计留出一定裕度，系统参数设计的约束条件还包括：电流环带宽的约束。
10.根据权利要求9所述的交直流混合配电网逆变器参数设计方法，其特征在于，对于采用PI控制的逆变器，其带宽fb和PI参数Kp和Ki的关系，即带宽等式约束表达式为：
Figure FDA0003127460470000023
其中，ω0为基波角频率，Kp和Ki分别为比例和积分系数，若min(Rd)<0，保证足够的带宽和增益，首先修改控制器参数Kpi，再迭代一遍并网系统参数，计算全局导纳，直至满足表达式(4)和表达式(5)等式约束，得到L、C、Kpi参数范围。
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