CN114142516A - 一种消除并网逆变器有功振荡的方法 - Google Patents

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Jingmen Power Supply Co of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种消除并网逆变器有功振荡的方法，当电网发生不平衡故障时，并网逆变器输出有功功率的波动会对系统有功平衡产生冲击，并影响系统的频率质量，本发明以并网逆变器输出有功功率恒定为目标，首先延迟电网电压信号，建立新型功率表达式，然后在两相静止坐标系上求取并网电流的参考值，并将并网电流参考值送入模型预测控制器，最后经过预测模型计算出并网电流的预测值，再利用代价函数对每一个预测值进行评价，得到逆变器的最优开关状态。本发明方法能够克服电网电压不平衡造成的有功振荡影响，同时有效避免了锁相环带来的系统响应延迟，提高了并网逆变器的动态响应速度。

Description

一种消除并网逆变器有功振荡的方法
技术领域
本发明涉及并网逆变器控制的技术领域，特别是涉及一种消除并网逆变器有功振荡方法的技术领域。
背景技术
我国风力发电和太阳能光伏发电的发展速度位居世界首位，并且具有巨大的潜在市场。并网逆变器是新能源分布式发电系统与电网进行连接的关键设备，电网发生故障将会对并网逆变器的运行性能造成不良影响。
如图1所示为三相并网逆变器主电路结构；不平衡电网下，并网逆变器的数学模型可以表示为：
Figure BDA0003193312340000011
式中，P0和Q0表示输出功率的平均值；Pc2、Ps2和Qc2、Qs2分别为输出有功和无功的二倍频振荡分量幅值。
Figure BDA0003193312340000012
和
Figure BDA0003193312340000013
分别为电网电压和并网电流在双同步参考坐标系下的正负序分量；易知，上式4个可控的电流量无法同时满足6个功率分量的控制要求。
电网正常运行时，通常采用传统的正序PI控制就能对并网逆变器进行良好的控制。然而，当电网发生平衡故障时，采用这种方法的并网逆变器将出现电流畸变，有功和无功振荡等一系列问题，严重影响系统的安全可靠运行。有学者针对不对称电网下出现的电压、电流正负序分量采用双电流内环结构和PI控制器进行独立控制，在保证较好的并网电流质量的同时，维持输出功率的恒定，但这种方法需要多个PI控制器的配合，相应参数调节难度大，动态响应慢。本发明以并网逆变器输出有功功率恒定为目标，提出一种消除并网逆变器有功振荡的方法，同时本发明方法不使用锁相环，提高了并网逆变器在电网不平衡情况下的动态响应速度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种消除并网逆变器有功振荡的方法，有利于提高不平衡电网情况下系统的动态响应速度，保证并网逆变器的有功功率恒定。
本发明为了实现上述目的而采用以下技术方案实现：
一种消除并网逆变器有功振荡的方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立三相三电平NPC并网逆变器主电路结构；主电路包括直流母线电压Vdc；直流侧电容C1和C2；三相三电平NPC并网逆变器；滤波电感L；滤波电感电阻和线路等效电阻的总电阻R以及电网e；
步骤S2：建立并网逆变器可预测的离散时间模型：
Figure BDA0003193312340000021
式中，上标“p”为预测变量，Ts为系统采样时间，ip(k+1)为所预测的k+1时刻的并网电流矢量；i(k)为当前k时刻的并网电流矢量；e(k)当前k时刻的电网电压矢量；v(k)为逆变器的输出电压矢量；
步骤S3：建立新型功率表达式：
Figure BDA0003193312340000031
式中，e′表示延时1/4基波周期T后的电网电压；下标“α”和“β”分别表示相应状态量在两相静止αβ坐标系下的表达形式；
步骤S4：通过三角函数变换，得到两相静止αβ坐标系下瞬时功率表达式为：
Figure BDA0003193312340000032
式中，
Figure BDA0003193312340000033
其中，
Figure BDA0003193312340000034
i′表示延时1/4基波周期T后的并网电流；
步骤S5：测量当前时刻的电网电压e(k)、并网电流i(k)，并将e(k)和i(k)分解到两相静止αβ坐标系；
步骤S6：以消除有功振荡为目标，在两相静止αβ坐标系下求取并网电流参考值：
Figure BDA0003193312340000041
步骤S7：建立代价函数：
Figure BDA0003193312340000042
步骤S8：在逆变器所有可能的27种开关状态下，根据步骤S2得到的并网逆变器可预测的离散时间模型，预测k+1时刻的并网电流矢量ip(k+1)；
步骤S9：在每一个开关状态作用下，对代价函数f进行在线评估，选取一个使代价函数值最小的开关状态作为逆变器的最优开关状态；
步骤S10：将最优开关状态应用于逆变器，等待下一采样时刻，返回步骤S5。
进一步地，所述步骤S3中，基波周期T＝0.02s。
进一步地，所述步骤S7、S8、S9和S10中，将基于矢量角补偿法的模型预测控制策略应用于并网逆变器的控制。
与现有技术相比，本发明具有以下2个突出优点：
1、本发明通过模型预测控制策略，控制结构简单易实现，并且能够有效消除不平衡电网情况下并网逆变器出现的有功振荡。
2、本发明方法无需锁相环电路，有效避免了复杂的锁相环参数设计，提高了不平衡电网情况下系统的动态响应速度。
附图说明
图1为本发明的三相并网逆变器主电路结构；
图2为本发明的并网逆变器模型预测控制框图；
图3为本发明的方法流程图；
图4为两种控制方法的并网电流对比图；
图5为两种控制方法的有功功率对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。图2为本发明的并网逆变器模型预测控制框图，图3为本发明的方法流程图。从图2和图3可以看出，本实施例提供了一种消除并网逆变器有功振荡的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：如图1所示，建立三相三电平NPC并网逆变器主电路结构；主电路参数设置如下：直流母线电压Vdc＝700V；直流侧电容C1＝C2＝4400μF；滤波电感L＝10mH；滤波电感电阻和线路等效电阻的总电阻R＝0.01Ω以及电网
Figure BDA0003193312340000051
并网逆变器采用三相三电平NPC拓扑结构；
步骤S2：建立并网逆变器可预测的离散时间模型：
Figure BDA0003193312340000052
式中，上标“p”为预测变量，Ts为系统采样时间，ip(k+1)为所预测的k+1时刻的并网电流矢量；i(k)为当前k时刻的并网电流矢量；e(k)当前k时刻的电网电压矢量；v(k)为逆变器的输出电压矢量；
步骤S3：建立新型功率表达式：
Figure BDA0003193312340000053
式中，e′表示延时1/4基波周期T后的电网电压；下标“α”和“β”分别表示相应状态量在两相静止αβ坐标系下的表达形式；
步骤S4：通过三角函数变换，得到两相静止αβ坐标系下瞬时功率表达式为：
Figure BDA0003193312340000061
式中，
Figure BDA0003193312340000062
其中，
Figure BDA0003193312340000063
i′表示延时1/4基波周期T后的并网电流；
步骤S5：测量当前时刻的电网电压e(k)、并网电流i(k)，并将e(k)和i(k)分解到两相静止αβ坐标系；
步骤S6：以消除有功振荡为目标，在两相静止αβ坐标系下求取并网电流参考值：
Figure BDA0003193312340000064
步骤S7：建立代价函数：
Figure BDA0003193312340000071
步骤S8：在逆变器所有可能的27种开关状态下，根据步骤S2得到的并网逆变器可预测的离散时间模型，预测k+1时刻的并网电流矢量ip(k+1)；
步骤S9：在每一个开关状态作用下，对代价函数f进行在线评估，选取一个使代价函数值最小的开关状态作为逆变器的最优开关状态；
步骤S10：将最优开关状态应用于逆变器，等待下一采样时刻，返回步骤S5。
在本实施例中，所述步骤S3中，基波周期T＝0.02s。
在本实施例中，所述步骤S7、S8、S9和S10中，将基于矢量角补偿法的模型预测控制策略应用于并网逆变器的控制。
在本实施例中，设置逆变器向电网输送的有功功率参考值
Figure BDA0003193312340000072
新型无功功率参考值为
Figure BDA0003193312340000073
电网在t＝0.21s至t＝0.3s期间发生不对称跌落故障，假设故障前的电网电压幅值为1pu，故障期间电网电压跌落为：v+1＝0.6∠-45(pu)和v-1＝0.2∠+45(pu)；系统基波频率为50Hz；采样频率fs＝40kHz。
图4和图5分别为两种控制方法的并网电流和有功功率对比图。可以看出，采用本发明方法具有更好的动态性能，并且可以有效地消除有功振荡。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种消除并网逆变器有功振荡的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：建立三相三电平NPC并网逆变器主电路结构；主电路包括直流母线电压Vdc；直流侧电容C1和C2；三相三电平NPC并网逆变器；滤波电感L；滤波电感电阻和线路等效电阻的总电阻R以及电网e；
步骤S2：建立并网逆变器可预测的离散时间模型：
Figure FDA0003193312330000011
式中，上标“p”为预测变量，Ts为系统采样时间，ip(k+1)为所预测的k+1时刻的并网电流矢量；i(k)为当前k时刻的并网电流矢量；e(k)当前k时刻的电网电压矢量；v(k)为逆变器的输出电压矢量；
步骤S3：建立新型功率表达式：
Figure FDA0003193312330000012
式中，e′表示延时1/4基波周期T后的电网电压；下标“α”和“β”分别表示相应状态量在两相静止αβ坐标系下的表达形式；
步骤S4：通过三角函数变换，得到两相静止αβ坐标系下瞬时功率表达式为：
Figure FDA0003193312330000013
式中，
Figure FDA0003193312330000021
其中，
Figure FDA0003193312330000022
i′表示延时1/4基波周期T后的并网电流；
步骤S5：测量当前时刻的电网电压e(k)、并网电流i(k)，并将e(k)和i(k)分解到两相静止αβ坐标系；
步骤S6：以消除有功振荡为目标，在两相静止αβ坐标系下求取并网电流参考值：
Figure FDA0003193312330000023
步骤S7：建立代价函数：
Figure FDA0003193312330000024
步骤S8：在逆变器所有可能的27种开关状态下，根据步骤S2得到的并网逆变器可预测的离散时间模型，预测k+1时刻的并网电流矢量ip(k+1)；
步骤S9：在每一个开关状态作用下，对代价函数f进行在线评估，选取一个使代价函数值最小的开关状态作为逆变器的最优开关状态；
步骤S10：将最优开关状态应用于逆变器，等待下一采样时刻，返回步骤S5。
2.根据权利要求1所述的一种消除并网逆变器有功振荡的方法，其特征在于：所述步骤S3中，基波周期T＝0.02s。
3.根据权利要求1所述的一种消除并网逆变器有功振荡的方法，其特征在于：所述步骤S7、S8、S9和S10中，将基于矢量角补偿法的模型预测控制策略应用于并网逆变器的控制。
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CN105375804A (zh) * 2015-12-17 2016-03-02 福州大学 一种不对称电压下基于npc拓扑并网逆变器的模型预测电流控制方法
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魏海斌: "基于NPC并网逆变器的建模与模型预测控制策略研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑(月刊)》, pages 042 - 421 *

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