CN115347616B - 一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法 - Google Patents

一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法，将公共耦合点的电压u pcc通过陷波器，滤掉基波以及主要背景谐波，获取谐波电压值u pcch，送入虚拟电阻环节，输出谐波电流参考值i h_ref，在控制回路中加一条有源阻尼器支路，重塑逆变器的输出阻抗，改善阻尼特性，在额定功率下，阻尼特性不下降，轻载时通过提高开关频率实现有源阻尼器功能，阻尼其他逆变器与电网之间的谐振。本发明利用不同类型新能源发电系统在时间尺度上的互补特征，在不同类型新能源进行能量互补的同时，实现阻尼互济，综合抑制新能源并网发电引发的宽频振荡现象，使系统能维持稳定运行。

Description

一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法
技术领域
本发明涉及并网逆变器控制技术领域，具体为一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法。
背景技术
由于新能源密集汇入电网易触发宽频振荡风险。目前，常采用逆变器阻抗重塑法抑制电压源逆变器-电网耦合系统宽频振荡现象，但该方法无法抑制超过逆变器奈奎斯特频率以上的高频谐振现象。针对并网逆变器系统稳定性分析问题，常用的方法是阻抗分析法，在宽频振荡机理分析的基础上有多种振荡抑制措施，主要可分为并网逆变器自身阻抗塑造和在公共耦合点（Point of common coupling，PCC）外接阻尼装置。
针对并网逆变器自身阻抗塑造方法，可通过优化并网逆变器控制参数和方法，减少负阻尼区域、以及通过修改采样方式如即时采样等方法减小计算延时，提高了系统的鲁棒性，但会导致采样信号的混叠以及占空比损失，通过校正输出阻抗只能在一定频率范围内抑制宽频谐振，且调整控制方法和参数的适用范围十分有限。
外接阻尼装置可在PCC点处并联有源阻尼器，进行阻抗校正可使并网逆变器在更宽的频率范围内保持电阻特性，但是在以上抑制宽频振荡的方法中，需要直接在并网逆变器控制结构上进行调整，通用性较差，而在PCC点处并联有源阻尼器会增加成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法，旨在减少建设成本的同时，利用新能源发电在时间尺度上的互补特征，将逆变器在间歇阶段重塑为有源阻尼器，在各类新能源能量互补的同时，实现了阻尼互济，综合抑制新能源并网发电引发的宽频振荡现象，使系统能维持稳定运行。技术方案如下：
一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在并网逆变器的控制环节中增设有源阻尼器控制支路，包括陷波器和虚拟电阻环节；
步骤2：采集LCL型并网逆变器的并网电流i 2(t)、电容电流i C(t)，以及公共耦合点电压u pcc(t)，公共耦合点电压u pcc(t)通过锁相环生成电流环的基波电流参考值i 2ref(t)；将采集的电容电流i C(t)反馈到电流环的输出，阻尼LCL型逆变器的自身谐振；
步骤3：将公共耦合点电压u pcc(t)通过陷波器，滤掉基波及主要背景谐波，获取谐波电压值u pcch(t)；将谐波电压值u pcch(t)送入虚拟电阻环节，输出谐波电流参考值i h_ref(t)；将谐波电流参考值i h_ref(t)作为控制的输入；
步骤4：根据开关频率与功率的关系，在有源阻尼器模式和额定工作模式两种工作模式间切换，控制结构无需改变；
步骤5：当多台新能源逆变器并联时，具有有源阻尼器功能的并网逆变器运行于有源阻尼器模式，以增强其余工作于额定工作模式的并网逆变器稳定性。
进一步的，所述步骤2中，基波电流参考值i 2ref(t)由时域量作拉普拉斯变换，得到其频域量i 2ref(s)计算如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，I m为基波电流参考值幅值，u pcc(s)为采集的公共耦合点电压值u pcc(t)在频域下的表示，G PLL(s)为频域下锁相环的传递函数。
更进一步的，所述步骤3中，陷波器的传递函数为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
（2）
陷波器输出的谐波电压值在频域下的表示为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
（3）
所述谐波电流参考值在频域下的表示为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为基波角频率，Q是品质因数，h是陷波器特征频率对应的谐波次数；G NA(s)是陷波器的传递函数，u pcch(s)为陷波器输出的谐波电压值u pcch(t)在频域下的表示，H i2为并网电流的反馈系数，R v为虚拟电阻；i h_ref (s)为谐波电流参考值i h_ref (t)在频域下的表示；s为拉普拉斯算子；u pcc(s)为采集的公共耦合点电压值u pcc(t)在频域下的表示。
更进一步的，步骤4中，所述有源阻尼器模式为：逆变器功率低于10%额定值时，将逆变器开关频率设置在20~50kHz之间，其作为有源阻尼器阻尼发电单元与电网之间的谐振；
所述额定工作模式为：逆变器功率大于10%额定值时，将逆变器开关频率降低为额定开关频率，并网逆变器工作于常规发电状态。
更进一步的，所述步骤5中，当某类新能源逆变器作为主发电单元，而另一类新能源逆变器处于低发或空载状态时，将轻载并网逆变器开关频率提高，作为有源阻尼器阻尼主发电单元与电网之间的谐振。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在控制环节中增加虚拟电阻支路，校正逆变器的输出阻抗，在额定开关频率工况下，提高了并网逆变器阻尼特性，并在轻载工况下提高并网逆变器开关频率，实现有源阻尼器功能，阻尼其他逆变器与电网之间的谐振，提高了系统的鲁棒性，并且减少了外接阻尼装置的成本，提高了经济效益。
附图说明
图1为LCL型并网逆变器电路及控制图。
图2为有源阻尼器的电路拓扑和控制图。
图3为具有有源阻尼器功能的并网逆变器控制框图。
图4为采用所提控制方法的逆变器简化控制框图。
图5为采用不同控制方法的并网逆变器输出阻抗Bode图。
图6为具有有源阻尼器功能的并网逆变器的工作状态图。
图7为多台并网逆变器系统拓扑图。
图8为额定开关频率时不同控制方法下并网逆变器的奈奎斯特图。
图9为L g=200μH时不同控制模式下并网逆变器的奈奎斯特图。
图10为L g=50μH时不同控制方法下并网逆变器的仿真波形。
图11为两台并网逆变器均在额定工作模式的仿真波形。
图12为轻载逆变器切换为有源阻尼模式的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法，包括以下步骤：
步骤1：采集LCL型并网逆变器的并网电流i 2(t)、电容电流i C(t)以及公共耦合点电压u pcc(t)，公共耦合点电压通过锁相环生成电流环的基波电流参考值i 2ref(t)；将采集的电容电流i C(t)反馈到电流环的输出，阻尼LCL逆变器的自身谐振。
所获得的基波电流参考时域量i 2ref(t)作拉普拉斯变换，得到其频域量i 2ref(s)为：
Figure 430187DEST_PATH_IMAGE001
（1）
步骤2：将公共耦合点电压u pcc(t)通过陷波器，滤掉基波以及三次、五次、七次主要背景谐波，获取谐波电压值u pcch(t)，送入虚拟电阻环节，输出谐波电流参考值i h_ref(t)，该谐波电流参考值作为控制的输入，引入有源阻尼器支路。
Figure 268699DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 986120DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 568280DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，
Figure 54756DEST_PATH_IMAGE005
为基波角频率，Q是品质因数，h是陷波器特征频率对应的谐波次数；G NA(s)是陷波器的传递函数，u pcch(s)为陷波器输出的谐波电压值u pcch(t)在频域下的表示，H i2为并网电流的反馈系数，R v为虚拟电阻；i h_ref (s)为谐波电流参考值i h_ref (t)在频域下的表示；s为拉普拉斯算子。
步骤3：增加有源阻尼器控制支路的并网逆变器具有两种工作模式，根据开关频率与功率的关系进行切换工作模式，控制结构无需改变。
采用所提控制方法的逆变器工作模式切换规律为：逆变器功率低于10%额定值时，将逆变器开关频率设置在20~50kHz之间，其作为有源阻尼器阻尼主要发电单元与电网之间的谐振，称为“有源阻尼器模式”。反之逆变器功率大于10%额定值时，将逆变器开关频率降低为额定开关频率，并网逆变器工作与常规发电状态，称为“额定工作模式”。
步骤4：当多台新能源逆变器并联时，具有有源阻尼器功能的并网逆变器运行于有源阻尼器模式，可有效增强其余工作于额定工作模式的并网逆变器稳定性，提升新能源消纳能力，增强了新能源电力系统的安全稳定性。
当某类新能源逆变器作为主要发电单元，而另一类新能源逆变器处于低发或空载状态时，将轻载并网逆变器开关频率提高，作为有源阻尼器阻尼主要发电单元与电网之间的谐振。
采用数字控制的LCL型并网逆变器系统结构如图1所示。图1中，L 1和L 2分别为逆变器侧电感和网侧电感，C为滤波电容，L g为电网阻抗。U dc为直流侧输入电压，u inv为逆变器输出电压，u g为电网电压，u pcc为公共耦合点电压，i 1 、i 2和i C分别为L 1、L 2和电容C上的电流，H i1和H i2分别为电容电流和并网电流的反馈系数，PLL为锁相环，cosθ为锁相环检测PCC电压基波分量的相位θ的余弦量，I ref为电流参考的幅值，i 2ref为电流参考值，G i (s)为并网电流调节器的传递函数，v M为调制波电压。
根据图2所示的有源阻尼器的电路拓扑和控制结构，Q 1 ~Q 4为开关管，L A为滤波电感，i A为有源阻尼器端口电流，C dc为直流侧电容，U dc和U dcref分别为电容电压和直流侧电压参考值，cosθ为锁相环检测PCC电压基波分量的相位θ的余弦量，I 1_ref为基波电流参考值幅值，i 1_ref和i h_ref分别为基波电流参考值、谐波电流参考值，u pcc为PCC点电压，G NA(s)为陷波器的传递函数，u pcch为陷波器输出的谐波电压，R v为虚拟电阻。
首先建立采用所提控制方法的系统数学模型，得到图3所示的频域下具有有源阻尼器功能的并网逆变器控制框图，u pcc(s)为PCC点电压，u pcch(s)为需要阻尼的谐振电压，i 2ref(s)和i h_ref(s)分别为基波电流参考值和谐波电流参考值，G i (s)为并网电流调节器的传递函数，i C(s)、u C(s)为电容C上的电流和电压，Z L1(s)、Z L2(s)和Z C(s)分别为电感L 1、L 2和电容C对应的阻抗，K PWM为调制波到逆变器输出电压u inv(s)的传递函数，G d(s)为采用数字控制引入的1拍计算延时和0.5拍调制延时，T s为采样周期，其表达式为G d(s)=e -s1.5Ts 。进一步简化得到图4的简化控制框图。
图4中，传递函数G X1(s)和G X2(s)的表达式如式（5）～式（6）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（5）
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（6）
其中，G 1(s)=CH i1 K PWM G d(s)。
根据图4，系统的环路增益T(s)和并网电流i 2(s)为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（7）
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（8）
其中，i s(s)为等效的理想电流源，Z o(s)为原始的输出阻抗，Z v(s)为虚拟电阻对应的阻抗，表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（9）
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（10）
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（11）
因此，增加有源阻尼器控制支路后的阻抗为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（12）
式（5）到式（12）的计算是采用所提控制方法的逆变器的阻抗建模推导，式（12）表达式为端口阻抗，为下文的稳定性分析采用的奈奎斯特判据所用。
图5为采用不同控制方法的并网逆变器输出阻抗Bode图，基于阻抗分析法，相比于传统控制方法，校正后的阻抗与电网阻抗交截频率处对应的相位小于-90°，阻抗特性明显改善。
具有有源阻尼器控制功能的逆变器有两个工作模式，其工作模式与开关频率和功率有关，如图6所示。
为了验证所提控制方法的有效性，对采用不同控制方法的逆变器进行稳定性分析，以图7所示的两台新能源并网逆变器并联为例，图8为额定开关频率时采用不同控制方法的并网逆变器的奈奎斯特图，在电网阻抗L g为50μH时，采用传统控制方法的逆变器系统等效环路增益的Nyquist曲线包围(-1,j0)点，系统不稳定，所提控制方法的新能源逆变器系统等效环路增益Nyquist曲线不包围(-1,j0)点，系统稳定。因此，增加有源阻尼器控制支路后，额定工作模式下的逆变器的阻尼特性不下降。
图9为所提控制方法在不同工作模式下并网逆变器的奈奎斯特图，弱电网下，电网阻抗在较宽范围内变化，当L g增大到200uH时，两台额定工作模式下的新能源逆变器系统失去稳定，此时将轻载逆变器开关频率提高，从额定工作模式切换成有源阻尼器模式，系统稳定，逆变器的阻尼特性进一步改善。
下面通过具体实例，使用本发明提出的方法与传统的控制结果进行比较。
图7所示并网逆变器Ⅰ和并网逆变器Ⅱ主电路参数相同，具体如下：U dc=380V，L 1=1.2mH，L 2=150μH，C=10μF，u g=220V（有效值），并网电流的反馈系数H i2=0.15，电容电流的反馈系数H i1=0.1，额定工作模式下，电流环比例系数k p=0.8，电流环谐振系数k r=600，有源阻尼器模式下，电流环比例系数k p=0.5，电流环谐振系数k r=200。
图10为采用不同控制方法的并网逆变器输出电流波形，电网阻抗设为L g=50μH，在0.4s时将逆变器采用的控制方法由传统控制方法切换为所提控制方法，在0.4s之前，系统不稳定，THD值为33.27%，0.4s后切换为所提控制方法，并网逆变器系统变稳定，THD值为1.55%，采用所提控制方法的并网逆变器系统稳定性更好。
图11为采用所提控制方法的逆变器系统在电网阻抗变化时的电流波形，电网阻抗从50μH增大到200μH，系统失去稳定，对比图9和图10可以得到采用所提控制方法的逆变器阻尼特性在弱电网下更强。
图12为轻载逆变器切换为有源阻尼器模式的仿真波形，电网阻抗增大到200μH时，将轻载逆变器的开关频率提高，系统重新稳定，仿真结果与理论分析一致。
可以看到，本发明方法相对于逆变器的传统控制方法，使采用传统控制方法的逆变器具备了有源阻尼器功能，且所提控制方法在工作模式的切换中无需修改电路结构，降低了控制方法切换对电网的冲击，使系统在弱电网下的稳定性提高，在实现各类新能源能量互补的同时，实现了阻尼互济。

Claims (4)

1.一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在并网逆变器的控制环节中增设有源阻尼器控制支路，包括陷波器和虚拟电阻环节；
步骤2：采集LCL型并网逆变器的并网电流i 2(t)、电容电流i C(t)，以及公共耦合点电压u pcc(t)，公共耦合点电压u pcc(t)通过锁相环生成电流环的基波电流参考值i 2ref(t)；将采集的电容电流i C(t)反馈到电流环的输出，阻尼LCL型逆变器的自身谐振；
步骤3：将公共耦合点电压u pcc(t)通过陷波器，滤掉基波及主要背景谐波，获取谐波电压值u pcch(t)；将谐波电压值u pcch(t)送入虚拟电阻环节，输出谐波电流参考值i h_ref(t)；将谐波电流参考值i h_ref(t)作为控制的输入；
步骤4：根据开关频率与功率的关系，在有源阻尼器模式和额定工作模式两种工作模式间切换，控制结构无需改变；
所述有源阻尼器模式为：逆变器功率低于10%额定值时，将逆变器开关频率设置在20~50kHz之间，其作为有源阻尼器阻尼发电单元与电网之间的谐振；
所述额定工作模式为：逆变器功率大于10%额定值时，将逆变器开关频率降低为额定开关频率，并网逆变器工作于常规发电状态；
步骤5：当多台新能源逆变器并联时，具有有源阻尼器功能的并网逆变器运行于有源阻尼器模式，以增强其余工作于额定工作模式的并网逆变器稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法，其特征在于，所述步骤2中，基波电流参考值i 2ref(t)由时域量作拉普拉斯变换，得到其频域量i 2ref(s)计算如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，I m为基波电流参考值幅值，u pcc(s)为采集的公共耦合点电压值u pcc(t)在频域下的表示，G PLL(s)为频域下锁相环的传递函数。
3.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法，其特征在于，所述步骤3中，陷波器的传递函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
陷波器输出的谐波电压值在频域下的表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
所述谐波电流参考值在频域下的表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为基波角频率，Q是品质因数，h是陷波器特征频率对应的谐波次数；G NA(s)是陷波器的传递函数，u pcch(s)为陷波器输出的谐波电压值u pcc(t)在频域下的表示，H i2为并网电流的反馈系数，R v为虚拟电阻；i h_ref (s)为谐波电流参考值i h_ref (t)在频域下的表示；s为拉普拉斯算子；u pcc(s)为采集的公共耦合点电压值u pcc(t)在频域下的表示。
4.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器的阻尼互济控制方法，其特征在于，所述步骤5中，当某类新能源逆变器作为主发电单元，而另一类新能源逆变器处于低发或空载状态时，将轻载并网逆变器开关频率提高，作为有源阻尼器阻尼主发电单元与电网之间的谐振。
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