CN114123837B - 并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法及装置 - Google Patents

并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法及方法，该方法包括：根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大；将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，以抑制并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡。本发明解决了相关技术中存在的无法抑制并补电网下的三相四桥臂逆变器的高频振荡的技术问题，提升了三相四桥臂逆变器在高频处的相位裕度，提升了互联系统的高频稳定性。

Description

并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法及装置
技术领域
本申请涉及新能源并网控制技术领域，尤其涉及并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法及装置。
背景技术
三相四线制系统被广泛应用于分布式网络和微电网中，三相四线制系统与三相三线制系统的主要区别在于系统中是否存在零序电流通路。在三相四线制系统中，相较于电容分裂的三相三桥臂四线制逆变器，三相四桥臂逆变器由于具有更高的电压利用率和更强的不对称处理能力等优点，被广泛应用于孤岛和并网场景中，包括分布式发电、孤岛微电网、不间断电源、有源电源滤波器和电压补偿器等。
由于分布式电网及微电网通常表现为阻抗较大的弱电网，并联补偿可提高系统功率因数，改善系统电压质量，并且降低线路损耗，被广泛应用于弱电网中。新能源设备与弱电网互联容易出现稳定性问题，根据阻抗稳定理论，当并网设备与弱电网在阻抗幅值交点处的相位角差接近180°时，就会导致系统失稳。当三相四桥臂逆变器接入分布式网络和微电网时，特别是并联补偿电网特性表现为频率增大时阻抗呈现出明显的容性特征，则可能会导致系统发生高频振荡，因为三相四桥臂逆变器由于电流控制器的控制带宽有限而在高频处表现为滤波器特性，而并联补偿电网的阻抗在高频处表现为电容特性，容易导致系统相位裕度不够。而当系统中发生高频振荡时，不仅会恶化并网点电压品质，还会增大其他并网设备输出电流谐波分量，危害系统安全稳定。因此，当三相四桥臂逆变器连接到并补电网时，需要考虑高频振荡的抑制。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
目前针对并补电网下高频振荡抑制策略只适用于三相三线制系统。三相四线系统中除了正序分量和负序分量外，零序分量也可会导致频率不同于正负序分量的高频振荡。此外，由于零序分量和正序/负序分量之间不存在耦合关系，零序分量引起的振荡问题无法通过现有高频振荡抑制策略来解决。
发明内容
本申请实施例的目的是提供并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法及装置，以解决相关技术中存在的无法抑制并补电网下的三相四桥臂逆变器的高频振荡的技术问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法，包括：
根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大；
将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，以抑制并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡。
进一步地，所述高频振荡抑制控制器的表达式如下式：
其中，Gfilter为二阶高通滤波器，Hv为幅值随频率增大而增大的负二阶微分器，Gm为系统延时补偿环节即系统延时的倒数的二阶泰勒近似展开，s为拉普拉斯算子，ζ为阻尼比，ωcut为截止角频率，k为所述高频振荡抑制控制器的增益，Tdel为延时环节的时间常数。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制装置，包括：
构建模块，用于根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大；
添加模块，用于将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，以抑制并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡。
进一步地，所述高频振荡抑制控制器的表达式如下式：
其中，Gfilter为二阶高通滤波器，Hv为幅值随频率增大而增大的负二阶微分器，Gm为系统延时补偿环节即系统延时的倒数的二阶泰勒近似展开，s为拉普拉斯算子，ζ为阻尼比，ωcut为截止角频率，k为所述高频振荡抑制控制器的增益，Tdel为延时环节的时间常数。
根据本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。
根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请根据二阶高通滤波器、幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大的负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，提升了三相四桥臂逆变器在高频处的相位裕度，提升了互联系统的高频稳定性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的三相四桥臂逆变器的小信号模型。
图3是根据一示例性实施例示出的三相四桥臂逆变器的简化的阻抗模型框图。
图4是根据一示例性实施例示出的简化前后三相四桥臂逆变器的导纳伯德图。
图5是根据一示例性实施例示出的加入高频振荡抑制控制器后三相四桥臂逆变器的控制结构图。
图6是根据一示例性实施例示出的加入所述高频振荡抑制控制器后三相四桥臂逆变器的导纳伯德图。
图7是根据一示例性实施例示出的向三相四桥臂逆变器的电流环中加入高频振荡抑制控制器后的运行性能试验结果图。
图8是根据一示例性实施例示出的一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制装置的框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
图1是根据一示例性实施例示出的一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法的流程图，如图1所示，该方法应用于并补电网下三相四桥臂逆变器中，可以包括以下步骤：
步骤S11：根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大；
步骤S12：将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，以抑制并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡。
由上述实施例可知，本申请根据二阶高通滤波器、幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大的负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，提升了三相四桥臂逆变器在高频处的相位裕度，提升了互联系统的高频稳定性。
在步骤S11中，根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大；
具体地，所述并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡产生原因的分析过程如下：
步骤S21：根据并补电网下三相四桥臂逆变器的电压方程，获得所述三相四桥臂逆变器的小信号模型；
具体地，并补电网下三相四桥臂逆变器的电压方程如下式：
其中，uan,ubn,ucn分别表示a相、b相、c相与n相桥臂之间的电压；Lf表示a相、b相、c相的滤波电感；Ln表示n相的滤波电感；Rf表示a相、b相、c相滤波电感上的寄生电阻；Rn表示n相滤波电感上的寄生电阻；ia,ib,ic,in分别表示a相、b相、c相以及n相的电流；uag,ubg,ucg分别表示并网点处a相、b相、c相与n相之间的电压；p为微分算子。
对所述电压方程进行坐标变换，可得：
其中，uid,uiq,ui0分别表示a相、b相、c相与n相桥臂之间的电压通过坐标变换后的d轴、q轴以及0轴电压；id,iq,i0分别表示a相、b相、c相以及n相的电流通过坐标变换后的d轴、q轴以及0轴电流；ud,uq,u0分别表示并网点处a相、b相、c相与n相之间的电压通过坐标变换后的d轴、q轴以及0轴电压；ω1＝100π为基波角频率。
对坐标变换后的电压方程进行线性化，得到如图2所示的所述三相四桥臂逆变器的小信号模型。
步骤S22：根据所述小信号模型，得到三相四桥臂逆变器的简化阻抗模型；
具体地，根据图2，假设，小信号扰动电压/>与小信号扰动电流/>的关系如下所示，
其中，分别表示扰动电压的d轴，q轴以及0轴分量，/> 分别表示扰动电流响应的d轴，q轴以及0轴分量，s为拉普拉斯算子，ω1＝100π为基波角频率。
定义，
根据图2，假设，从占空比到相应电流响应的传递函数矩阵Hid如下式所示，
其中，Udc为直流侧电压。
由于本申请针对的是高频振荡，则可以在建立三相四桥逆变器阻抗模型的过程中进行一些合理的简化。由于锁相环的带宽通常为几十赫兹，在研究高频稳定性问题时可以忽略锁相环对三相四桥臂逆变器阻抗特性的影响，由此可获得简化的三相四桥臂逆变器的阻抗模型框图如图3所示，图中Hdel表示控制延时，Hdec表示dq解耦控制环节，Hci表示PI电流控制器。
其中，Udc表示直流侧电压；表示系统中存在的延时，Tdel＝1.5Ts，Ts为开关周期；kdip和kdii分别为d轴电流环PI控制器的比例参数和积分参数；kqip和kqii分别为q轴电流环PI控制器的比例参数和积分参数；k0ip和k0ii分别为0轴电流环PI控制器的比例参数和积分参数；
由于高频振荡时频率较高，|s|>>1,1/s≈0成立。因此可以得到所述简化阻抗模型为：
步骤S23：根据简化的三相四桥臂逆变器阻抗模型分析互联系统发生高频振荡的机理；
根据所述简化阻抗模型，可以获得如图4所示的简化前后三相四桥臂逆变器导纳的伯德图。图中Ypb、Ynb和Y0b表示简化前三相四桥臂逆变器的导纳，Yp、Yn和Y0表示简化后的三相四桥臂逆变器导纳，Ygp、Ygn和Yg0为电网的导纳。可以看出，简化前后三相四桥臂逆变器导纳的伯德图在三相四桥臂逆变器在100Hz后几乎完全重合，说明简化模型在100Hz以上的高频区域是正确的。
根据阻抗稳定性理论，如果三相四桥臂逆变器阻抗和电网阻抗幅值交点处缺乏足够的相位裕度，就会导致系统发生振荡。图4中的(a)图、(b)图和(c)图分别表示了三相四桥臂逆变器的正序、负序和零序导纳随频率变化时幅值和相位的变化，根据图4，三相四桥臂逆变器的正序、负序和零序导纳在高频时呈感性，三相四桥臂逆变器导纳与电网导纳在幅值交点处的相位差接近180°，正序、负序导纳幅值交点处的频率为1324Hz，零序导纳幅值交点处的频率为788Hz，这说明系统将在这两个频率下产生振荡分量。根据图4还可发现1324Hz处的振荡分量由正序分量和负序分量引起，而788Hz处的振荡分量由零序分量引起。结合上述理论分析，可以得到如下结论：
(1)三相四桥臂并网逆变系统出现高频振荡的原因是三相四桥臂逆变器的正序、负序、零序阻抗与电网的正序、负序、零序阻抗幅值交点处的相位裕度不够；
(2)系统中会存在两个不同频率的谐波分量，其中一个是由正负序分量导致的，另外一个是由零序分量导致的；
(3)所获得的简化模型可以准确反映三相四桥臂逆变器的高频阻抗特性，可用于高频问题的分析和抑制方案的设计。
根据上述对于所述并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡产生原因的分析，可知三相四桥臂逆变器阻抗与电网阻抗幅值交点处有足够的相位裕度是保持系统稳定的关键，即三相四桥臂逆变器导纳在高频段的相位应往大于0°方向调整。
因此，本发明根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大。
具体地，为保证基频控制性能，需选择高通滤波器。高通滤波器应保证基频和高频振荡频率下三相四桥臂逆变器阻抗的幅度差足够大，这有助于使基频控制不受所提出的高频振荡抑制控制器的影响，因为高频振荡频率通常为几百赫兹，选择二阶高通滤波器Gfilter就能保证三相四桥臂逆变器阻抗在基频与高频振荡频率之间有足够大的幅值差；由于三相四桥臂逆变器阻抗的幅值随着频率的增加而增加，恒定的电阻很难适应三相四桥臂逆变器的阻抗变化。基于此问题，本发明采用具有电阻特性的负二阶微分Hv，用于调整三相四桥臂逆变器阻抗的幅值和相位。另外，为了补偿延迟对控制的影响，在控制中加入了延迟补偿环节Gm，其中Gm是的二阶泰勒近似展开。
因此，所述高频振荡抑制控制器的表达式如下式：
其中，Gfilter为二阶高通滤波器，Hv为幅值随频率增大而增大的负二阶微分器，Gm为系统延时补偿环节即系统延时的倒数的二阶泰勒近似展开，ζ为阻尼比，ωcut为截止角频率，k为所述高频振荡抑制控制器的增益，Tdel为延时环节的时间常数。
在步骤S12中，将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，以抑制并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡。
具体地，图5给出了加入所述高频振荡抑制控制器后三相四桥臂逆变器的控制结构框图，通过锁相环获取并网点的电压相位，基于获得的电网相位通过坐标变换将PCC点的电压和电流转换到dq坐标系下；电流环采用PI控制器实现对于目标电流的无差跟踪；在电流环原有控制的基础上加入高频振荡抑制控制器Zv，以调节三相四桥臂逆变器在高频处的相位和幅值从而从根本上抑制并网系统中出现的高频振荡问题。
图6给出了加入所述高频振荡抑制控制器后三相四桥臂逆变器的导纳伯德图，从图中可以看出，当所述高频振荡抑制控制器的增益kd,kq,k0取不同值时，所述高频振荡抑制控制器具有不同的抑制效果，所以kd,kq,k0的取值可依据实际情况调整使系统达到最好的高频振荡抑制效果。
图7为向所述三相四桥臂逆变器的电流环中加入高频振荡抑制控制器后的运行性能试验结果图，阶段①为系统产生高频振荡时的波形，其中包含由正负序分量引起的1324Hz的谐波分量和由零序分量引起的788Hz的谐波分量。阶段②为使能零序高频振荡抑制后的波形，从波形可以看出零序谐波分量获得很好的抑制。阶段③为使能正负序高频振荡抑制后的波形，从波形上看正负序分量也获得了很好的抑制。结果表明所提方法具有良好的高频振荡抑制性能。
与前述的并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法的实施例相对应，本申请还提供了并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制装置的实施例。
图8是根据一示例性实施例示出的一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制装置框图。参照图8，该装置应用于并补电网下三相四桥臂逆变器中，可以包括：
构建模块21，用于根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大；
添加模块22，用于将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，以抑制并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法。
相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如上述的并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制方法，其特征在于，包括：
根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大；
将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，以抑制并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡；
其中，所述高频振荡抑制控制器的表达式如下式：
其中，Gfilter为二阶高通滤波器，Hv为幅值随频率增大而增大的负二阶微分器，Gm为系统延时补偿环节即系统延时的倒数的二阶泰勒近似展开，s为拉普拉斯算子，ζ为阻尼比，ωcut为截止角频率，k为所述高频振荡抑制控制器的增益，Tdel为延时环节的时间常数。
2.一种并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡抑制装置，其特征在于，包括：
构建模块，用于根据二阶高通滤波器、负二阶微分器及系统延时，构建高频振荡抑制控制器，其中所述负二阶微分器的幅值随所述三相四桥臂逆变器的频率增大而增大；
添加模块，用于将所述高频振荡抑制控制器添加到所述三相四桥臂逆变器的电流环中，以抑制并补电网下三相四桥臂逆变器的高频振荡；
其中，所述高频振荡抑制控制器的表达式如下式：
其中，Gfilter为二阶高通滤波器，Hv为幅值随频率增大而增大的负二阶微分器，Gm为系统延时补偿环节即系统延时的倒数的二阶泰勒近似展开，s为拉普拉斯算子，ζ为阻尼比，ωcut为截止角频率t，k为所述高频振荡抑制控制器的增益，Tdel为延时环节的时间常数。
3.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1所述的方法。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。
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CN113054672A (zh) * 2021-03-03 2021-06-29 山东大学 一种考虑多环节协同控制的风电调频方法及系统

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Title
Impedance Modeling and Stability Analysis of Three-Phase Four-Leg Grid-Connected Inverter Considering Zero-Sequence;HENG NIAN等;《IEEE Access》;83676-83687 *

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