CN114899875A - 一种构网型并网逆变器 - Google Patents

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CN114899875A CN202210774110.8A CN202210774110A CN114899875A CN 114899875 A CN114899875 A CN 114899875A CN 202210774110 A CN202210774110 A CN 202210774110A CN 114899875 A CN114899875 A CN 114899875A
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张重远
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Abstract

本发明公开了一种构网型并网逆变器，包括：LCL型逆变器，以及与LCL型逆变器连接的第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块和PWM控制模块；功率计算模块，与第一abc/dq坐标变换模块连接；低通滤波器，与功率计算模块连接；下垂控制器，与低通滤波器连接；PI控制器，分别与下垂控制器、第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块连接；第三abc/dq坐标变换模块，分别与PI控制器、PWM控制模块连接；电压控制器，分别与第二abc/dq坐标变换模块、第三abc/dq坐标变换模块连接；本发明设计的构网型并网逆变器相较于跟网型并网逆变器具有更强的适应性，不影响系统稳定性。

Description

一种构网型并网逆变器
技术领域
本发明涉及新能源电力系统领域，尤其涉及一种构网型并网逆变器。
背景技术
随着“双碳”目标的提出与逐步实施，作为新能源发电单元接入电力网络的重要接口元件的并网逆变器稳定性问题凸显。目前，电网大部分采用跟网型并网逆变器，然而弱电网中跟网型并网逆变器与锁相环、电网间存在耦合，严重影响系统稳定性，因此，急需一种构网型并网逆变器及其构建方法，通过设计一款构网型并网逆变器，并建立构网型并网逆变器状态空间模型，在弱电网下将跟网型并网逆变器替代为构网型并网逆变器，减小对系统稳定性的影响。
发明内容
为了解决现有的技术问题，本发明提供了一种构网型并网逆变器，包括：
LCL型逆变器，以及与LCL型逆变器电性连接的第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块和PWM控制模块；
功率计算模块，与第一abc/dq坐标变换模块电性连接；
低通滤波器，与功率计算模块电性连接；
下垂控制器，与低通滤波器电性连接；
PI控制器，分别与下垂控制器、第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块电性连接；
第三abc/dq坐标变换模块，分别与PI控制器、PWM控制模块电性连接；
电压控制器，分别与第二abc/dq坐标变换模块、第三abc/dq坐标变换模块电性连接。
优选地，第一abc/dq坐标变换模块与第二abc/dq坐标变换模块电性连接。
优选地，PI控制器的输入端与下垂控制器的输出端电性连接；
PI控制器的输出端分别与第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块、第三abc/dq坐标变换模块电性连接。
优选地，用于表征构网型并网逆变器的空间模型，包括：
功率控制环模型，用于无通信链路情况下的自动功率分配；
电压控制环节模型，采用PI控制，根据输入的电压指令输出电流指令；
时滞环节模型，用于评估延迟环节对系统稳定性的影响并揭示状态之间的相互作用；
LCL滤波环节模型，用于由滤波器结构，列写滤波器及其和逆变器耦合电感的状态方程。
优选地，功率控制环模型由功率计算模块、低通滤波器和下垂控制器构建而成，其中，电压、电流值经过第一abc/dq坐标变换模块的dq轴，输出d轴分量和q轴分量的电压电流值进入功率计算模块，获取瞬时有功功率和无功功率，并通过低通滤波器获取平均功率；所述下垂控制器根据所述平均功率，输出频率控制指令，以及输出基于dq轴的电压控制指令，至所述PI控制器；PI控制器再将指令传输至第一、第二abc/dq坐标变换模块。
优选地，所述电压控制器用于接收所述第二abc/dq坐标变换模块传输的基于abc轴的电压控制指令。
优选地，时滞环节模型用于通过采用Pade近似将时滞指数项等效为传递函数，用于在状态空间模型中进行特征值分析，其中，传递函数表示为：
Figure BDA0003725851890000031
其中，
Figure BDA0003725851890000032
l、k分别为Pade近似中的阶数。
优选地，LCL滤波环节模型用于生成的状态方程表示为：
Figure BDA0003725851890000033
其中，B1＝[-I1q0，I1d0，-Voq0，Vod0，-Ioq0，Iod0]T，
B2＝[-A12，O2×4]T，B4＝[O2×4，-A31]T，
Figure BDA0003725851890000034
Figure BDA0003725851890000041
Figure BDA0003725851890000042
优选地，空间模型用于分析强电网下构网型并网逆变器的稳定性。
优选地，构网型并网逆变器的稳定性的分析过程包括：
通过改变下垂控制增益进行第一次稳定性分析；
通过改变电压环控制增益进行第二次稳定性分析；
根据第一次稳定性分析的结果和/或第二次稳定性分析的结果，获取构网型并网逆变器的稳定性。
本发明公开了以下技术效果：
本发明建立的构网型并网逆变器状态空间模型可以有效分析强电网下和控制器参数发生改变情况下系统的稳定性问题。且在弱电网下构网型并网逆变器相较于跟网型并网逆变器表现出更强的适应性，不会影响系统稳定性。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的构网型并网逆变器拓扑图；
图2为本发明所述的基于下垂控制的功率控制环结构示意图；
图3为本发明所述的电压控制环结构示意图；
图4为本发明所述的下垂控制增益对系统稳定性影响示意图；
图5为本发明所述的电压环控制增益对系统稳定性影响示意图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-5所示，本发明提供了一种构网型并网逆变器，包括：
LCL型逆变器，以及与LCL型逆变器电性连接的第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块和PWM控制模块；
功率计算模块，与第一abc/dq坐标变换模块电性连接；
低通滤波器，与功率计算模块电性连接；
下垂控制器，与低通滤波器电性连接；
PI控制器，分别与下垂控制器、第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块电性连接；
第三abc/dq坐标变换模块，分别与PI控制器、PWM控制模块电性连接；
电压控制器，分别与第二abc/dq坐标变换模块、第三abc/dq坐标变换模块电性连接。
进一步优选地，本发明提到的第一abc/dq坐标变换模块与第二abc/dq坐标变换模块电性连接。
进一步优选地，本发明提到的PI控制器的输入端与下垂控制器的输出端电性连接；
PI控制器的输出端分别与第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块、第三abc/dq坐标变换模块电性连接。
进一步优选地，本发明还构建了用于表征构网型并网逆变器的空间模型，包括：
功率控制环模型，用于无通信链路情况下的自动功率分配；
电压控制环节模型，采用PI控制，根据输入的电压指令输出电流指令；
时滞环节模型，用于评估延迟环节对系统稳定性的影响并揭示状态之间的相互作用；
LCL滤波环节模型，用于由滤波器结构，列写滤波器及其和逆变器耦合电感的状态方程。
进一步优选地，本发明提到的功率控制环模型由功率计算模块、低通滤波器和下垂控制器构建而成，其中，电压、电流值经过第一abc/dq坐标变换模块的dq轴，输出d轴分量和q轴分量的电压电流值进入功率计算模块，获取瞬时有功功率和无功功率，并通过低通滤波器获取平均功率；下垂控制器根据所述平均功率，输出频率控制指令，以及输出基于dq轴的电压控制指令，至PI控制器；PI控制器再将指令传输至第一、第二abc/dq坐标变换模块。
进一步优选地，本发明提到的电压控制器用于接收第二abc/dq坐标变换模块传输的基于abc轴的电压控制指令。
进一步优选地，本发明提到的时滞环节模型用于通过采用Pade近似将时滞指数项等效为传递函数，用于在状态空间模型中进行特征值分析，其中，传递函数表示为：
Figure BDA0003725851890000071
其中，
Figure BDA0003725851890000072
l、k分别为Pade近似中的阶数。
进一步优选地，本发明提到的LCL滤波环节模型用于生成的状态方程表示为：
Figure BDA0003725851890000081
其中，B1＝[-I1q0，I1d0，-Voq0，Vod0，-Ioq0，Iod0]T，
B2＝[-A12，O2×4]T，B4＝[O2×4，-A31]T，
Figure BDA0003725851890000082
Figure BDA0003725851890000083
Figure BDA0003725851890000084
进一步优选地，本发明提到的空间模型用于分析强电网下构网型并网逆变器的稳定性。
进一步优选地，本发明提到的构网型并网逆变器的稳定性的分析过程包括：
通过改变下垂控制增益进行第一次稳定性分析；
通过改变电压环控制增益进行第二次稳定性分析；
根据第一次稳定性分析的结果和/或第二次稳定性分析的结果，获取构网型并网逆变器的稳定性。
实施例1：本发明详细呈现构网型并网逆变器状态空间建模的相关细节，包括功率控制环、电压控制环、时滞环节和LCL滤波环节。并通过改变下垂控制增益和电压环控制增益对系统稳定性进行分析。
该模型建立包括：
步骤1：建立构网型并网逆变器典型拓扑。
步骤2：建立构网型并网逆变器各环节模型。
步骤3：强电网下构网型并网逆变器稳定性分析。
步骤1：建立构网型并网逆变器典型拓扑。具体包括：
abc/dq坐标变换模块、PWM控制模块和LCL型逆变器、功率计算模块、低通滤波器、下垂控制器和电压控制器。假设逆变器的输入由刚性直流电源供电，该直流电源由电容器表示。
步骤2：建立构网型并网逆变器各环节模型。对拓扑结构中的每一环节进行建模，具体包括：
1)功率控制环模型建立。
2)电压控制环节模型建立
3)时滞环节模型建立。
4)LCL滤波环节模型建立。
步骤3：强电网下构网型并网逆变器稳定性分析。通过改变系统参数对特征值进行分析，进而判定系统的稳定性。若特征根位于左半平面(即特征根实部为负)，则判定系统稳定；若特征根位于右半平面(即特征根实部为正)，则判定系统不稳定。可根据系统参数的改变绘制不同的特征根点，不同特征根点形成的变化轨迹称为系统的根轨迹。
系统参数改变具体包括：
改变下垂控制增益进行稳定性分析。
改变电压环控制增益进行稳定性分析。
本发明公开了的构网型并网逆变器状态空间模型建立。可以解决弱电网中跟网型并网逆变器与锁相环、电网间存在耦合，严重影响系统稳定性的问题，具体包括以下过程：
步骤1：图1为构网型并网逆变器典型拓扑，如图1所示。构网型并网逆变器由abc/dq坐标变换模块、PWM控制模块、PI控制器、LCL型逆变器、功率计算模块、低通滤波器、下垂控制器和电压控制器组成。假设逆变器的输入由刚性直流电源供电，该直流电源由电容器表示。
步骤2：建立构网型并网逆变器各环节模型。
1)图2为功率控制环模型，如图2所示。功率控制环用于无通信链路情况下的自动功率分配。基于下垂控制的功率控制环节包括功率计算模块、低通滤波器和下垂控制器。电压、电流值经过dq变换输出d轴分量和q轴分量的电压电流值进入功率计算模块，瞬时有功功率和无功功率可由功率计算块计算；经过计算的瞬时功率通过低通滤波器进一步得到平均功率；下垂控制器接收到经过处理的平均功率输出频率控制指令和基于dq轴的电压控制指令，最后通过PI控制器和坐标变换输出基于abc坐标轴的电压控制指令作用于电压控制器。
基于下垂控制的功率控制环状态空间模型可以通过组合功率计算器模块、低通滤波器和下垂控制器来实现，如式(1)所示。
Figure BDA0003725851890000111
式中，up＝[vod，voq，iod，ioq]T，xp＝[P，Q]T，γp＝[ω]T，
Figure BDA0003725851890000112
Figure BDA0003725851890000113
Cp＝[-mp0]，Dp＝[O1×4]
vodq0和iodq0是电压工作点和电流工作点。
2)图3为电压控制环节，如图3所示。电压控制环采用PI控制，根据输入的电压指令输出电流指令。
电压控制环状态空间模型如式(2)-式(4)所示：
Figure BDA0003725851890000114
Figure BDA0003725851890000115
Figure BDA0003725851890000116
式中，
Figure BDA0003725851890000117
为经功率控制环节处理后的电压指令，vodq为逆变器母线电压经坐标变换输入到电压控制环节的电压信号，
Figure BDA0003725851890000118
为经功率控制环节处理后的电压指令与输入到电压控制环节的电压信号的差值，
Figure BDA0003725851890000119
为经电压控制环节输出的电流指令，ωn为电压控制环节的额定频率，Cf为电压控制环节的耦合电容，Kpv、Kiv为PI控制器的比例增益系数。
式(2)-(4)可通过线性化方式得到其状态空间模型，如式(5)-(6)所示。
Figure BDA0003725851890000121
Figure BDA0003725851890000122
式中：
Figure BDA0003725851890000123
Figure BDA0003725851890000124
3)建立时滞环节。电压信号经过硬件设备后会产生延时，可由式表示：
v＝e-τ·sv* (7)
式中，v*为未经过硬件设备的电压信号值，v为经过硬件设备后产生延时的电压信号值，τ＝1.5Ts是数字计算延迟(Ts)和脉宽调制延迟(0.5Ts)产生的延迟时间，Ts是逆变器采样周期。
为了评估延迟环节对系统稳定性的影响并揭示状态之间的相互作用，采用Pade近似将时滞指数项等效为式(8)所示的传递函数，用于在状态空间模型中进行特征值分析。
Figure BDA0003725851890000131
Figure BDA0003725851890000132
Figure BDA0003725851890000133
式中l、k分别为Pade近似中的阶数。
为分析时滞环节中各因素之间联系，式(8)可进一步转换为状态空间表达式如式(11)所示：
Δxd＝AdΔxd (11)
Figure BDA0003725851890000134
4)建立LCL滤波环节。由滤波器结构可列写滤波器及其和逆变器耦合电感的状态方程，如式(13)-(18)所示：
Figure BDA0003725851890000135
Figure BDA0003725851890000136
Figure BDA0003725851890000137
Figure BDA0003725851890000138
Figure BDA0003725851890000139
Figure BDA00037258518900001310
式中，Lf为滤波器电感，Cf为滤波器电容，Rf为滤波器电阻，Lc为滤波器与逆变器间耦合电感，vbdq是连接逆变器的母线电压。ω是逆变器输出电压的角频率。将母线电压vbdq和角频率ω视为逆变器的输入变量。
式(13)-(18)经线性化后可由式(19)所示：
Figure BDA0003725851890000141
式中，
B1＝[-I1q0，I1d0，-Voq0，Vod0，-Ioq0，Iod0]T，
B2＝[-A12，O2×4]T，B4＝[O2×4，-A31]T，
Figure BDA0003725851890000142
Figure BDA0003725851890000143
Figure BDA0003725851890000144
步骤3：强电网下构网型并网逆变器稳定性分析。
1)改变下垂控制增益进行稳定性分析。分析改变下垂控制增益获得的状态空间模型的根轨迹曲线，如图4所示。其中下垂控制增益m从0.5到3.5的变化过程中，系统状态空间模型的特征值也发生变化，逐渐向右半平面偏移。这说明：随着m的增大，系统趋于不稳定状态。
2)改变电压环控制增益进行稳定性分析。分析改变电压环控制增益获得的状态空间模型的根轨迹曲线，如图5所示。其中电压环控制增益n由1.1变化至0.5时，系统状态空间模型的特征值也发生变化，逐渐向右半平面偏移。这说明：随着n的减小，系统逐渐失稳。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种构网型并网逆变器，其特征在于，包括：
LCL型逆变器，以及与所述LCL型逆变器电性连接的第一abc/dq坐标变换模块、第二abc/dq坐标变换模块和PWM控制模块；
功率计算模块，与所述第一abc/dq坐标变换模块电性连接；
低通滤波器，与所述功率计算模块电性连接；
下垂控制器，与所述低通滤波器电性连接；
PI控制器，分别与所述下垂控制器、所述第一abc/dq坐标变换模块、所述第二abc/dq坐标变换模块电性连接；
第三abc/dq坐标变换模块，分别与所述PI控制器、所述PWM控制模块电性连接；
电压控制器，分别与所述第二abc/dq坐标变换模块、所述第三abc/dq坐标变换模块电性连接。
2.根据权利要求1所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
所述第一abc/dq坐标变换模块与所述第二abc/dq坐标变换模块电性连接。
3.根据权利要求2所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
所述PI控制器的输入端与所述下垂控制器的输出端电性连接；
所述PI控制器的输出端分别与所述第一abc/dq坐标变换模块、所述第二abc/dq坐标变换模块、所述第三abc/dq坐标变换模块电性连接。
4.根据权利要求3所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
用于表征所述构网型并网逆变器的空间模型，包括：
功率控制环模型，用于无通信链路情况下的自动功率分配；
电压控制环节模型，采用PI控制，根据输入的电压指令输出电流指令；
时滞环节模型，用于评估延迟环节对系统稳定性的影响并揭示状态之间的相互作用；
LCL滤波环节模型，用于由滤波器结构，列写滤波器及其和逆变器耦合电感的状态方程。
5.根据权利要求4所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
所述功率控制环模型由所述功率计算模块、所述低通滤波器和所述下垂控制器构建而成，其中，电压、电流值经过所述第一abc/dq坐标变换模块，输出d轴分量和q轴分量的电压电流值进入所述功率计算模块，获取瞬时有功功率和无功功率，并通过低通滤波器获取平均功率；所述下垂控制器根据所述平均功率，输出频率控制指令，以及输出基于dq轴的电压控制指令，至所述PI控制器；PI控制器再将指令传输至第一、第二abc/dq坐标变换模块。
6.根据权利要求5所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
所述电压控制器用于接收所述第二abc/dq坐标变换模块传输的基于abc轴的电压控制指令。
7.根据权利要求6所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
所述时滞环节模型用于通过采用Pade近似将时滞指数项等效为传递函数，用于在状态空间模型中进行特征值分析，其中，所述传递函数表示为：
Figure FDA0003725851880000031
其中，
Figure FDA0003725851880000032
l、k分别为Pade近似中的阶数。
8.根据权利要求7所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
所述LCL滤波环节模型用于生成的所述状态方程表示为：
Figure FDA0003725851880000033
其中，B1＝[-I1q0，I1d0，-Voq0，V0d0，-Ioq0，Iod0]T，
B2＝[-A12，O2×4]T，B4＝[O2×4，-A31]T，
Figure FDA0003725851880000034
Figure FDA0003725851880000035
Figure FDA0003725851880000036
9.根据权利要求8所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
所述空间模型用于分析强电网下所述构网型并网逆变器的稳定性。
10.根据权利要求9所述一种构网型并网逆变器，其特征在于：
所述构网型并网逆变器的稳定性的分析过程包括：
通过改变下垂控制增益进行第一次稳定性分析；
通过改变电压环控制增益进行第二次稳定性分析；
根据所述第一次稳定性分析的结果和/或所述第二次稳定性分析的结果，获取所述构网型并网逆变器的稳定性。
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