CN115224690B - 一种逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法，属于电网电能质量控制技术领域。该方法使用滑窗FFT算法以更高的速率获取并网点的多重背景谐波信息，保证谐波信息的实时检测效率。针对逆变器并网系统中从低频到高频的多重背景谐波，本控制策略中的多重谐波抑制模块能够抑制多个频率处的背景谐波，并且不影响其余频率处的控制性能。低频背景谐波的含量较高，高频背景谐波的含量较低，本控制策略对于不同频率处的背景谐波设置了不同的谐波含量限制值，并且能根据背景谐波含量实时调节谐波抑制程度，相较于结构确定的背景谐波抑制策略，该方法能够有效抑制宽频段的背景谐波，提高并网电能质量。

Description

一种逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法

技术领域

本发明涉及电网电能质量控制技术领域，尤其涉及新能源逆变器的控制技术及电力电子技术领域，具体是一种逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法。

背景技术

随着光伏发电、风力发电等新能源发电在电力系统中占据越来越大的比重,对于并网逆变器系统而言，输出电流质量是一个重要的性能指标。一方面，并网逆变器的公共耦合点附近的非线性负荷产生的谐波电流，流经线路阻抗使得公共耦合点处的电网电压存在较高含量的背景谐波，另一方面，逆变器作为非线性设备越来越多接入电网，随着并联台数增加,背景谐波频率向着低频段偏移,极大加剧系统的谐波谐振风险。谐波电压会引起并网逆变器的输出电流发生畸变，使得并网电流质量难以满足相关并网标准。

为了抑制电网电压背景谐波对并网逆变器输出电流的影响，国内外已有广泛研究,提出了无源阻尼法、有源阻尼法等背景谐波抑制方法,但无源阻尼法由于引入了物理元件,带来不必要的损耗；有源阻尼法目前可以采用前馈控制、虚拟阻抗等方法进行抑制。一种是在电流控制环路中引入电网电压全前馈的方式抵消电网电压造成的影响，一种是通过虚拟阻抗配置的方法增加逆变器与电网间的谐波阻抗,从而达到抑制并网电流畸变分量的目的。发明人曾申请“一种多逆变器并网系统谐振实时自适应抑制方法”专利，文中采用滑窗FFT方法提取电压谐振信息，本文则采用滑窗FFT方法提取电流背景波信息，并且提出了多重背景谐波抑制模块。目前，对于逆变器的背景谐波问题已有多篇学术论文以及专利进行研究，例如：

1、2021年的《电工技术学报》中《基于虚拟阻抗的逆变器死区补偿及谐波电流抑制分析》一文中将并联虚拟陷波器和串联虚拟阻抗的方法并进行对比，最终发现，并联虚拟阻抗法虽然可以补偿死区效应，但在电网非理想时会放大电压谐波的影响进一步恶化并网电流质量，而串联虚拟阻抗法则可以同时对死区及电网电压谐波的影响进行抑制，但是所提策略仅针对特定频率的背景谐波，并且未考虑谐波含量的大小对串联阻抗的影响。

2、中国发明专利文献(公开号CN202110327649.4)于2021年5月14日公开的《一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构及控制方法》，提出了一种以电容电压为前馈量，通过全前馈函数引到准比例谐振控制器的输出端,得到的信号与控制器的输出求和后作为PWM的调制信号，控制逆变桥开关管的通断。从而抵消了电容电流比例反馈的有源阻尼,节省了采集电容电流的传感器，但是没有详细描述公共耦合点PCC点电压和并网电流高频分量的检测过程，并且受到控制器延时的影响，该方法对高次谐波的抑制效果可能不理想，不能很好的适应复杂电网下的多重背景谐波情况。

综合以上文献，现有技术中存在以下不足：

1、现有的文献并未详细考虑公共节点PCC点电压和并网电流的背景谐波检测过程，针对多台逆变器并网的复杂情况，有必要研究并网电压电流信号中背景谐波的准确快速提取方法。

2、当多逆变器并联运行时，系统中会出现从低频到高频的多重背景谐波，针对特定次的背景谐波抑制策略未考虑谐波频率以及谐波含量在不断变化的情况，而电压全前馈的控制策略受到控制器延时的影响，对高次谐波的抑制效果不理想，因此有必要研究能够实时抑制多重背景谐波的控制策略。

发明内容

为克服上述方案的局限性，本发明提出了一种逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法，使用滑窗FFT算法能够快速准确的提取并网电压电流信号中背景谐波分量，使得系统快速响应并网信号中的背景谐波分量并进行相应的抑制策略；其次，根据实时变化的多重背景谐波频率自适应谐波抑制模块，并且考虑对应谐波频率处的谐波含量，调节虚拟阻抗的大小。通过本方法能够快速获取并抑制系统中的背景谐波分量，有效提高多逆变器系统的稳定性和并网电能质量。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供了一种逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法，应用该方法的逆变器并网系统为高比例新能源发电系统，包含三相电网阻抗L_g、三相电网和并联在公共耦合点PCC处的N台拓扑结构相同的并网逆变器，N为大于1的整数；将N台并网逆变器中的任一个并网逆变器记为逆变器i，i＝1,2,...,N，所述逆变器i的主电路拓扑结构包括直流侧电压源、三相全桥逆变电路、三相LC滤波器，所述三相LC滤波器包括滤波电容C、滤波电感L₁和滤波电阻R_d；所述直流侧电压源与三相全桥逆变电路并联，三相全桥逆变电路的输出端与三相LC滤波器的一端相连，N台三相LC滤波器的另一端并联后接入公共耦合点PCC，并依次与三相电网阻抗L_g和三相电网串联；

所述抑制方法在每台逆变器i的控制周期T内均进行一轮背景谐波检测与提取、并网控制计算、背景谐波自适应抑制计算，逆变器并网系统会出现多个背景谐波，根据检测得到的多个背景谐波频率调整背景谐波抑制策略，且考虑实时变化的谐波含量，自适应改变背景谐波抑制策略的抑制程度，具体步骤包括：

步骤1，采样一个控制周期T内由LC滤波器流入公共耦合点PCC的三相电压，并将其中任意一个记为三相电压采样值U_PCC(t)，采样一个控制周期T内由LC滤波器流入公共耦合点PCC的三相电流，并将其中任意一个记为三相电流采样值I_PCC(t)，t为控制周期T内的任一个采样时刻；将采样得到的所有三相电流采样值I_PCC(t)按照采样时刻的顺序存入一个三相电流序列Yi，其中每一个三相电流采样值I_PCC(t)作为三相电流序列Yi中的一个电流数据点；

步骤2，给定滑动窗口W_M，用滑动窗口W_M采集三相电流序列Yi中的一个片段并记为电流序列i_M(t)，电流序列i_M(t)定义为：

i_M(t)＝{I_PCC(t-M+1),I_PCC(t-M+2),…,I_PCC(t-1),I_PCC(t)}

其中，I_PCC(t-M+1)为t-M+1时刻采样得到的三相电流采样值，I_PCC(t-M+2)为t-M+2时刻采样得到的三相电流采样值，I_PCC(t-1)为t-1时刻采样得到的三相电流采样值，M为电流序列i_M(t)的长度；

步骤3，电流序列i_M(t)经过傅里叶变换，得到t时刻的傅里叶变换值I_t(k)，其表达式为：

其中，k是傅里叶变换值的序号，k＝0,1,...M-1，j是柯西主值，m是电流序列i_M(t)中任一个数据点的序号，m＝0,2,...M-1；

步骤4，通过t时刻的傅里叶变换值I_t(k)得到流入并网点的背景谐波频率f_h和该谐波频率处的电流谐波分量其表达式为：

步骤5，通过流入并网点的背景谐波频率f_h和该谐波频率处的电流谐波分量计算谐波含量限制值/>其计算式为：

其中f_n为并网额定频率，I_n为并网额定电流；

设经过计算，逆变器并网系统中出现大于谐波含量限制值的X个背景谐波，将该X个背景谐波中的任一背景谐波记为超出背景谐波H^x，x＝1,2,...,X，将超出背景谐波H^x的谐波分量记为待消除谐波分量/>待消除谐波分量/>的谐波频率记为待消除谐波频率f_h ^x；

步骤6，根据待消除谐波分量计算实时自适应谐波频率的背景谐波抑制模块其表达式为：

式中，s为拉普拉斯算子，为背景谐波分量自适应函数，/>x＝1,2,...,X，S为逆变器i的额定容量；

步骤7，针对X个超出背景谐波采用多重谐波抑制模块，得到调制电压的多谐波抑制前馈分量ΔU_{m_h}，其表达式为：

步骤8，通过电流控制得到逆变器i三相调制电压，并经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，具体实现过程包括：

1)对步骤1中得到的三相电压采样值U_PCC(t)经过双广义积分锁相环PLL得到公共耦合点PCC处的电压相角θ₁，然后对三相电流采样值I_PCC(t)进行坐标变换，得到dq坐标系下的电流分量i_d、i_q，其坐标变换式分别为：

2)通过PI调节器得到dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq，其计算公式为：

u_md＝(K_p+K_i/s)(i_{d_ref}-i_d)

u_mq＝(K_p+K_i/s)(i_{q_ref}-i_q)

式中，K_p为PI调节器的比例控制系数，K_i为PI调节器的积分控制系数，i_{d_ref}为给定的d轴电流分量参考值，i_{q_ref}为给定的q轴电流分量参考值；

3)对dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的调制电压U_m，其表达式为：

4)通过调制电压U_m进行SVPWM调制，生成并网逆变器功率器件的开关信号，控制三相全桥逆变电路，将电能输送到三相电网。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提供了一种逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法，通过滑窗FFT算法，以更高的速率获取并网点的多重背景谐波信息，能够节省很多计算时间，保证多重背景谐波信息的实时检测效率；

2、多逆变器并联运行时，系统中会出现从低频到高频的多重背景谐波，本控制策略中的多重谐波抑制模块能够抑制多个频率处的背景谐波，并且不影响其余频率处的控制性能；

3、并网系统中一般低频背景谐波的含量较高，高频背景谐波的含量较低，本控制策略对于不同频率处的背景谐波设置了不同的谐波含量限制值，并且能根据背景谐波含量实时调节谐波抑制程度，相较于结构确定的背景谐波抑制策略，该方法能够有效抑制宽频段的背景谐波。

附图说明

图1为应用本发明的高比例新能源发电系统主电路拓扑图。

图2为三相并网逆变器的背景谐波实时自适应抑制控制框图。

图3为多重背景谐波自适应抑制模块结构图。

图4为工况1下未加入背景谐波抑制模块时的PCC电压波形和THD分析。

图5为工况1下加入背景谐波抑制模块时的PCC电压波形和THD分析。

图6为工况2下未加入背景谐波抑制模块时的PCC电压波形和THD分析。

图7为工况2下加入背景谐波抑制模块时的PCC电压波形和THD分析。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1为应用本发明的高比例新能源发电系统主电路拓扑图，由图1可见，应用该方法的逆变器并网系统为高比例新能源发电系统，包含三相电网阻抗L_g、三相电网和并联在公共耦合点PCC处的N台拓扑结构相同的并网逆变器，N为大于1的整数。将N台并网逆变器中的任一个并网逆变器记为逆变器i，i＝1,2,...,N，所述逆变器i的主电路拓扑结构包括直流侧电压源、三相全桥逆变电路、三相LC滤波器，所述三相LC滤波器包括滤波电容C、滤波电感L₁和滤波电阻R_d；所述直流侧电压源与三相全桥逆变电路并联，三相全桥逆变电路的输出端与三相LC滤波器的一端相连，N台三相LC滤波器的另一端并联后接入公共耦合点PCC，并依次与三相电网阻抗L_g和三相电网串联。

在图1中，10为直流侧电压源，20为三相全桥逆变电路，30为三相LC滤波器，40为三相电网阻抗，50为三相电网。

图2为本发明逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法的控制框图，由图2可见，所述抑制方法在每台逆变器i的控制周期T内均进行一轮背景谐波检测与提取、并网控制计算、背景谐波自适应抑制计算，逆变器并网系统会出现多个背景谐波，根据检测得到的多个背景谐波频率调整背景谐波抑制策略，且考虑实时变化的谐波含量，自适应改变背景谐波抑制策略的抑制程度，具体步骤包括：

步骤1，采样一个控制周期T内由LC滤波器流入公共耦合点PCC的三相电压，并将其中任意一个记为三相电压采样值U_PCC(t)，采样一个控制周期T内由LC滤波器流入公共耦合点PCC的三相电流，并将其中任意一个记为三相电流采样值I_PCC(t)，t为控制周期T内的任一个采样时刻；将采样得到的所有三相电流采样值I_PCC(t)按照采样时刻的顺序存入一个三相电流序列Yi，其中每一个三相电流采样值I_PCC(t)作为三相电流序列Yi中的一个电流数据点。

步骤2，给定滑动窗口W_M，用滑动窗口W_M采集三相电流序列Yi中的一个片段并记为电流序列i_M(t)，电流序列i_M(t)定义为：

i_M(t)＝{I_PCC(t-M+1),I_PCC(t-M+2),…,I_PCC(t-1),I_PCC(t)}

其中，I_PCC(t-M+1)为t-M+1时刻采样得到的三相电流采样值，I_PCC(t-M+2)为t-M+2时刻采样得到的三相电流采样值，I_PCC(t-1)为t-1时刻采样得到的三相电流采样值，M为电流序列i_M(t)的长度。

步骤3，电流序列i_M(t)经过傅里叶变换，得到t时刻的傅里叶变换值I_t(k)，其表达式为：

其中，k是傅里叶变换值的序号，k＝0,1,...M-1，j是柯西主值，m是电流序列i_M(t)中任一个数据点的序号，m＝0,2,...M-1。

步骤4，通过t时刻的傅里叶变换值I_t(k)得到流入并网点的背景谐波频率f_h和该谐波频率处的电流谐波分量其表达式为：

步骤5，通过流入并网点的背景谐波频率f_h和该谐波频率处的电流谐波分量计算谐波含量限制值I_{fh_lim}，其计算式为：

其中f_n为并网额定频率，I_n为并网额定电流。

设经过计算，逆变器并网系统中出现大于谐波含量限制值I_{fh_lim}的X个背景谐波，将该X个背景谐波中的任一背景谐波记为超出背景谐波H^x，x＝1,2,...,X，将超出背景谐波H^x的谐波分量记为待消除谐波分量待消除谐波分量/>的谐波频率记为待消除谐波频率f_h ^x；

步骤6，根据待消除谐波分量计算实时自适应谐波频率的背景谐波抑制模块其表达式为：

式中，s为拉普拉斯算子，为背景谐波分量自适应函数，/>x＝1,2,...,X，S为逆变器i的额定容量。

步骤7，图3为多重背景谐波自适应抑制模块结构图，针对X个超出背景谐波采用多重谐波抑制模块，得到调制电压的多谐波抑制前馈分量ΔU_{m_h}，其表达式为：

步骤8，通过电流控制得到逆变器i三相调制电压，并经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，具体实现过程包括：

1)对步骤1中得到的三相电压采样值U_PCC(t)经过双广义积分锁相环PLL得到公共耦合点PCC处的电压相角θ₁，然后对三相电流采样值I_PCC(t)进行坐标变换，得到dq坐标系下的电流分量i_d、i_q，其坐标变换式分别为：

2)通过PI调节器得到dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq，其计算公式为：

u_md＝(K_p+K_i/s)(i_{d_ref}-i_d)

u_mq＝(K_p+K_i/s)(i_{q_ref}-i_q)

式中，K_p为PI调节器的比例控制系数，K_i为PI调节器的积分控制系数，i_{d_ref}为给定的d轴电流分量参考值，i_{q_ref}为给定的q轴电流分量参考值；

3)对dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的调制电压U_m，其表达式为：

4)通过调制电压U_m进行SVPWM调制，生成并网逆变器功率器件的开关信号，控制三相全桥逆变电路，将电能输送到三相电网。

为了佐证本发明的有益效果，对本发明进行了仿真，K_p＝25，K_i为＝1000。

图4和图6为不同工况下未加入背景谐波抑制策略时的PCC电压波形和THD分析，不同工况分别对应低频和高频的背景谐波，工况1的背景谐波为5次谐波和7次谐波；工况2的背景谐波为15次谐波和18次谐波。可以看出PCC电压波形发生明显畸变，工况1时并网逆变器的并网电压THD为19.37％，工况2时并网逆变器的并网电压THD为7.84％。

应用后本发明提供的背景谐波实时自适应抑制方法后，图5和图7为两种工况下的PCC点电压波形和THD分析，公共母线上背景谐波含量明显降低，工况1时并网逆变器的并网电压THD为1.84％，工况2时并网逆变器的并网电压THD为1.6％。

Claims (1)

1.一种逆变器并网系统背景谐波实时自适应抑制方法，应用该方法的逆变器并网系统为高比例新能源发电系统，包含三相电网阻抗L_g、三相电网和并联在公共耦合点PCC处的N台拓扑结构相同的并网逆变器，N为大于1的整数；将N台并网逆变器中的任一个并网逆变器记为逆变器i，i＝1,2,...,N，所述逆变器i的主电路拓扑结构包括直流侧电压源、三相全桥逆变电路、三相LC滤波器，所述三相LC滤波器包括滤波电容C、滤波电感L₁和滤波电阻R_d；所述直流侧电压源与三相全桥逆变电路并联，三相全桥逆变电路的输出端与三相LC滤波器的一端相连，N台三相LC滤波器的另一端并联后接入公共耦合点PCC，并依次与三相电网阻抗L_g和三相电网串联；

其特征在于，所述抑制方法在每台逆变器i的控制周期T内均进行一轮背景谐波检测与提取、并网控制计算、背景谐波自适应抑制计算，逆变器并网系统会出现多个背景谐波，根据检测得到的多个背景谐波频率调整背景谐波抑制策略，且考虑实时变化的谐波含量，自适应改变背景谐波抑制策略的抑制程度，具体步骤包括：

步骤1，采样一个控制周期T内由LC滤波器流入公共耦合点PCC的三相电压，并将其中任意一个记为三相电压采样值U_PCC(t)，采样一个控制周期T内由LC滤波器流入公共耦合点PCC的三相电流，并将其中任意一个记为三相电流采样值I_PCC(t)，t为控制周期T内的任一个采样时刻；将采样得到的所有三相电流采样值I_PCC(t)按照采样时刻的顺序存入一个三相电流序列Yi，其中每一个三相电流采样值I_PCC(t)作为三相电流序列Yi中的一个电流数据点；

步骤2，给定滑动窗口W_M，用滑动窗口W_M采集三相电流序列Yi中的一个片段并记为电流序列i_M(t)，电流序列i_M(t)定义为：

i_M(t)＝{I_PCC(t-M+1),I_PCC(t-M+2),…,I_PCC(t-1),I_PCC(t)}

其中，I_PCC(t-M+1)为t-M+1时刻采样得到的三相电流采样值，I_PCC(t-M+2)为t-M+2时刻采样得到的三相电流采样值，I_PCC(t-1)为t-1时刻采样得到的三相电流采样值，M为电流序列i_M(t)的长度；

步骤3，电流序列i_M(t)经过傅里叶变换，得到t时刻的傅里叶变换值I_t(k)，其表达式为：

其中，k是傅里叶变换值的序号，k＝0,1,...M-1，j是柯西主值，m是电流序列i_M(t)中任一个数据点的序号，m＝0,2,...M-1；

步骤4，通过t时刻的傅里叶变换值I_t(k)得到流入并网点的背景谐波频率f_h和该谐波频率处的电流谐波分量其表达式为：

步骤5，通过流入并网点的背景谐波频率f_h和该谐波频率处的电流谐波分量计算谐波含量限制值/>其计算式为：

其中f_n为并网额定频率，I_n为并网额定电流；

设经过计算，逆变器并网系统中出现大于谐波含量限制值的X个背景谐波，将该X个背景谐波中的任一背景谐波记为超出背景谐波H^x，x＝1,2,...,X，将超出背景谐波H^x的谐波分量记为待消除谐波分量/>待消除谐波分量/>的谐波频率记为待消除谐波频率f_h ^x；

步骤6，根据待消除谐波分量计算实时自适应谐波频率的背景谐波抑制模块/>其表达式为：

式中，s为拉普拉斯算子，为背景谐波分量自适应函数，/>x＝1,2,...,X，S为逆变器i的额定容量；

步骤7，针对X个超出背景谐波采用多重谐波抑制模块，得到调制电压的多谐波抑制前馈分量ΔU_{m_h}，其表达式为：

步骤8，通过电流控制得到逆变器i三相调制电压，并经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，具体实现过程包括：

1)对步骤1中得到的三相电压采样值U_PCC(t)经过双广义积分锁相环PLL得到公共耦合点PCC处的电压相角θ₁，然后对三相电流采样值I_PCC(t)进行坐标变换，得到dq坐标系下的电流分量i_d、i_q，其坐标变换式分别为：

2)通过PI调节器得到dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq，其计算公式为：

u_md＝(K_p+K_i/s)(i_{d_ref}-i_d)

u_mq＝(K_p+K_i/s)(i_{q_ref}-i_q)

式中，K_p为PI调节器的比例控制系数，K_i为PI调节器的积分控制系数，i_{d_ref}为给定的d轴电流分量参考值，i_{q_ref}为给定的q轴电流分量参考值；

3)对dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的调制电压U_m，其表达式为：

4)通过调制电压U_m进行SVPWM调制，生成并网逆变器功率器件的开关信号，控制三相全桥逆变电路，将电能输送到三相电网。