CN116436005A - 构网型逆变器并网谐波电流抑制方法和装置 - Google Patents

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CN116436005A CN202310224779.4A CN202310224779A CN116436005A CN 116436005 A CN116436005 A CN 116436005A CN 202310224779 A CN202310224779 A CN 202310224779A CN 116436005 A CN116436005 A CN 116436005A
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张展琦
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Abstract

本发明提供一种构网型逆变器并网谐波电流抑制方法和装置，在并网点与电网之间设置无源支路，所述方法包括以下步骤：对所述无源支路的两端进行谐波检测，以分别得到并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量；构建同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路，并根据所述谐波等效电路确定所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值；根据所述并网点谐波电压及其前馈系数、所述电压前馈变量谐波分量及其前馈系数，获取逆变器的谐波电压指令值，以通过所述谐波电压指令值对所述逆变器进行控制。本发明能够提高构网型逆变器并网电流质量，提升构网型逆变器接入弱电网的友好性。

Description

构网型逆变器并网谐波电流抑制方法和装置
技术领域
本发明涉及并网逆变器控制技术领域，具体涉及一种构网型逆变器并网谐波电流抑制方法和一种构网型逆变器并网谐波电流抑制装置。
背景技术
可再生能源发电一般通过电力电子装置接入电网，在推动能源结构转型升级的同时也给电网的安全稳定运行带来了挑战。为了保证安全运行并提供电压和频率支撑，虚拟同步机技术可以模拟传统同步机所具有的惯性和阻尼，使逆变器具备频率自同步特性与电压支撑功能，在向电网注入高质量电能方面发挥着重要作用。然而可再生能源一般分布在偏远地区，需要通过较长的输电线路输送电能，而随着在该弱电网背景下的非线性负载渗透率的增加以及电网侧谐波电压畸变日益严重，并网电流质量得到了较大损害，难以保证虚拟同步机连接到弱电网的环境友好性与适应性。
目前的并网谐波电流抑制方案多集中于跟网型逆变器，通过并网点电压前馈使得逆变器的输出阻抗趋于无穷大，进而消除电网谐波电压对并网电流的不利影响；通过检测谐波电流使其谐波电流指令具有与非线性负载谐波电流相同的幅度和相位，进而使得跟网型逆变器完全吸收负载谐波电流；又或者通过安装有源或无源滤波装置来吸收非线性负载的谐波电流，但该方法会使得系统谐振问题更加复杂，并额外增加了大容量的电感、电容器件。上述传统的谐波抑制方案可有效增强在弱电网工况下的电能质量，然而虚拟同步机技术表现为电压控制特性，在这种情况下，适用于跟网型逆变器的传统谐波补偿方案难以直接用于构网型逆变器。
因此，亟需提出一种适用于构网型逆变器的谐波抑制方案。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种构网型逆变器并网谐波电流抑制方法和装置，能够提高构网型逆变器并网电流质量，提升构网型逆变器接入弱电网的友好性。
本发明采用的技术方案如下：
一种构网型逆变器并网谐波电流抑制方法，在并网点与电网之间设置无源支路，所述方法包括以下步骤：对所述无源支路的两端进行谐波检测，以分别得到并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量；构建同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路，并根据所述谐波等效电路确定所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值；根据所述并网点谐波电压及其前馈系数、所述电压前馈变量谐波分量及其前馈系数，获取逆变器的谐波电压指令值，以通过所述谐波电压指令值对所述逆变器进行控制。
所述无源支路由无源电感构成。
根据下式获取逆变器的谐波电压指令值：
Figure BDA0004118117150000021
其中，
Figure BDA0004118117150000022
为所述谐波电压指令值，uPCCh为所述并网点谐波电压，ush为所述电压前馈变量谐波分量，-m为所述并网点谐波电压的前馈系数，n为所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数。
根据所述谐波等效电路确定的所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值为：
Figure BDA0004118117150000023
其中，b代表
Figure BDA0004118117150000024
Zout为所述逆变器的输出阻抗，Zg为电网侧阻抗，Ls为所述无源电感的感抗。
一种构网型逆变器并网谐波电流抑制装置，在并网点与电网之间设置无源支路，所述装置包括：检测模块，用于对所述无源支路的两端进行谐波检测，以分别得到并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量；确定模块，用于构建同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路，并根据所述谐波等效电路确定所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值；获取模块，用于根据所述并网点谐波电压及其前馈系数、所述电压前馈变量谐波分量及其前馈系数，获取逆变器的谐波电压指令值，以通过所述谐波电压指令值对所述逆变器进行控制。
所述无源支路由无源电感构成。
所述获取模块根据下式获取逆变器的谐波电压指令值：
Figure BDA0004118117150000031
其中，
Figure BDA0004118117150000032
为所述谐波电压指令值，uPCCh为所述并网点谐波电压，ush为所述电压前馈变量谐波分量，-m为所述并网点谐波电压的前馈系数，n为所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数。
所述确定模块确定的所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值为：
Figure BDA0004118117150000033
其中，b代表
Figure BDA0004118117150000034
Zout为所述逆变器的输出阻抗，Zg为电网侧阻抗，Ls为所述无源电感的感抗。
本发明的有益效果：
本发明通过确定适当的前馈系数来分别重塑并网点到逆变器的输出阻抗和电网侧到逆变器的阻抗，由此，能够提高构网型逆变器并网电流质量，提升构网型逆变器接入弱电网的友好性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的构网型逆变器并网电路的拓扑图；
图2为本发明实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制方法的流程图；
图3为本发明一个实施例的仅考虑非线性负载谐波电流的条件下的谐波等效电路拓扑图；
图4为本发明一个实施例的仅考虑电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路拓扑图；
图5为本发明一个实施例的同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路拓扑图；
图6为本发明一个实施例的重塑阻抗前后的开环增益的曲线图；
图7为本发明实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制装置的方框示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在构网型逆变器并网电路中，逆变器通过滤波电路连接到电网，为实现本发明实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制方法和装置，在并网点PCC与电网之间设置无源支路，其中，无源支路由无源电感Ls构成。通过在并网点与电网之间设置电感，使逆变器的滤波电路近似为一个LCL型滤波器，在一定程度上增加了电网侧阻抗，但为了避免过大的电压降和体积，无源电感Ls的电感值极小，例如可以为原滤波电感Lf的百分之一至千分之一之间。
如图2所示，本发明实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制方法包括以下步骤：
S1，对无源支路的两端进行谐波检测，以分别得到并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量。
如图1所示，并网点的电压为uPCC，无源支路在本发明实施例中起到的作用是引入一个额外的电压前馈变量us，通过对无源支路的近电网端和近逆变器端(并网点PCC)进行谐波检测，可得到并网点谐波电压uPCCh和电压前馈变量谐波分量ush。
S2，构建同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路，并根据谐波等效电路确定并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值。
S3，根据并网点谐波电压及其前馈系数、电压前馈变量谐波分量及其前馈系数，获取逆变器的谐波电压指令值，以通过谐波电压指令值对逆变器进行控制。
可由图1中的有源支路，根据并网点谐波电压及其前馈系数、电压前馈变量谐波分量及其前馈系数获取逆变器的谐波电压指令值，具体地，可根据下式(1)获取逆变器的谐波电压指令值：
Figure BDA0004118117150000051
其中，
Figure BDA0004118117150000052
为谐波电压指令值，uPCCh为并网点谐波电压，ush为电压前馈变量谐波分量，-m为并网点谐波电压uPCCh的前馈系数，表现为负前馈，n为电压前馈变量谐波分量ush的前馈系数，表现为正前馈。
在仅考虑非线性负载谐波电流的条件下，谐波等效电路如图3所示。并网电流ioh的表达式如下式(2)所示：
Figure BDA0004118117150000061
其中Zout为逆变器的输出阻抗。将式(1)代入式(2)可得式(3)：
Figure BDA0004118117150000062
由分压关系可得式(4)：
Figure BDA0004118117150000063
其中Zg为电网侧阻抗，Ls为串入的无源电感的感抗，b代表
Figure BDA0004118117150000064
将式(4)代入式(3)可得式(5)：
Figure BDA0004118117150000065
则从并网点PCC往逆变器侧看进去的等效阻抗Zeq为：
Figure BDA0004118117150000066
因此等效阻抗可以看成原输出阻抗并联一虚拟阻抗Zout/(m-bn)，通过选取合适的前馈系数值可使得等效阻抗小于电网侧阻抗，即：
Figure BDA0004118117150000067
那么，非线性负载的谐波电流将基本上流向阻抗较小的一侧，被逆变器吸收，从而改善非线性负载工况下并网电流的畸变率。
在仅考虑电网背景谐波电压的条件下，谐波等效电路如图4所示。并网电流igh的表达式如下式(8)所示：
Figure BDA0004118117150000071
其中，Ztotal为逆变器侧阻抗加上电网侧阻抗。将式(1)代入式(8)可得式(9)：
Figure BDA0004118117150000072
考虑到：
Figure BDA0004118117150000073
根据式(9)和式(10)可得式(11)和式(12)：
Figure BDA0004118117150000074
Figure BDA0004118117150000075
从电网电压前馈点向逆变器侧看进去的等效阻抗为：
Figure BDA0004118117150000076
其中H为放大系数。此时若选取前馈参数m＝n+1，则等效阻抗Zeq'的分母为零，等效阻抗趋于无穷，能够完全消除电网谐波电压对并网电流的不利影响。
在同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下，谐波等效电路如图5所示。并网电流谐波分量表达式为：
Figure BDA0004118117150000081
其中iloadh为非线性负载谐波电流，ugh为电网背景谐波电压。
为了获得更好的并网电流质量，期望不超过1/5的非线性负载谐波电流流入电网，同时仍然期望能够完全消除电网谐波电压对并网电流畸变的影响，此时可得并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值为：
Figure BDA0004118117150000082
设定任意满足式(15)的并网点谐波电压的前馈系数-m、电压前馈变量谐波分量的前馈系数n，参照图1，由有源支路运算得到逆变器的谐波电压指令值
Figure BDA0004118117150000083
然后结合VSG给的电压，生成控制逆变器开关管的控制信号，实现对逆变器的控制。由此，不仅增大了电网侧到逆变器的谐波阻抗，还降低了并网点PCC到逆变器的输出阻抗，既能够减小非线性负载谐波电流的影响，又能够消除电网谐波电压对并网电流畸变的影响。
根据本发明实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制方法，通过确定适当的前馈系数来分别重塑并网点到逆变器的输出阻抗和电网侧到逆变器的阻抗，由此，能够提高构网型逆变器并网电流质量，提升构网型逆变器接入弱电网的友好性。
此外，在本发明的一个实施例中，还可判断整个并网电路的阻抗稳定性。
定义开环增益T为：
Figure BDA0004118117150000084
其中Zg,eq为电网侧等效阻抗，Zout,eq为逆变器侧等效阻抗。
在重塑阻抗前后的开环增益的曲线如图6所示，由图6可知开环增益T满足奈奎斯特稳定判据。
对应上述实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制方法，本发明还提出一种构网型逆变器并网谐波电流抑制装置。
如图7所示，本发明实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制装置包括检测模块10、确定模块20和获取模块30。其中，检测模块10用于对无源支路的两端进行谐波检测，以分别得到并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量；确定模块20用于构建同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路，并根据谐波等效电路确定并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值；获取模块30用于根据并网点谐波电压及其前馈系数、电压前馈变量谐波分量及其前馈系数，获取逆变器的谐波电压指令值，以通过谐波电压指令值对逆变器进行控制。
在本发明的一个实施例中，获取模块30根据下式获取逆变器的谐波电压指令值：
Figure BDA0004118117150000091
其中，
Figure BDA0004118117150000092
为谐波电压指令值，uPCCh为并网点谐波电压，ush为电压前馈变量谐波分量，-m为并网点谐波电压的前馈系数，n为电压前馈变量谐波分量的前馈系数。
在本发明的一个实施例中，确定模块20确定的并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值为：
Figure BDA0004118117150000093
其中，b代表
Figure BDA0004118117150000101
Zout为逆变器的输出阻抗，Zg为电网侧阻抗，Ls为无源电感的感抗。
本发明实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制装置更具体的实施方式可参照上述构网型逆变器并网谐波电流抑制方法的实施例，在此不再赘述。
根据本发明实施例的构网型逆变器并网谐波电流抑制装置，通过确定适当的前馈系数来分别重塑并网点到逆变器的输出阻抗和电网侧到逆变器的阻抗，由此，能够提高构网型逆变器并网电流质量，提升构网型逆变器接入弱电网的友好性。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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针对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。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
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 (8)

1.一种构网型逆变器并网谐波电流抑制方法，其特征在于，在并网点与电网之间设置无源支路，所述方法包括以下步骤：
对所述无源支路的两端进行谐波检测，以分别得到并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量；
构建同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路，并根据所述谐波等效电路确定所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值；
根据所述并网点谐波电压及其前馈系数、所述电压前馈变量谐波分量及其前馈系数，获取逆变器的谐波电压指令值，以通过所述谐波电压指令值对所述逆变器进行控制。
2.根据权利要求1所述的构网型逆变器并网谐波电流抑制方法，其特征在于，所述无源支路由无源电感构成。
3.根据权利要求2所述的构网型逆变器并网谐波电流抑制方法，其特征在于，根据下式获取逆变器的谐波电压指令值：
Figure FDA0004118117130000011
其中，
Figure FDA0004118117130000012
为所述谐波电压指令值，uPCCh为所述并网点谐波电压，ush为所述电压前馈变量谐波分量，-m为所述并网点谐波电压的前馈系数，n为所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数。
4.根据权利要求3所述的构网型逆变器并网谐波电流抑制方法，其特征在于，根据所述谐波等效电路确定的所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值为：
Figure FDA0004118117130000013
其中，b代表
Figure FDA0004118117130000021
Zout为所述逆变器的输出阻抗，Zg为电网侧阻抗，Ls为所述无源电感的感抗。
5.一种构网型逆变器并网谐波电流抑制装置，其特征在于，在并网点与电网之间设置无源支路，所述装置包括：
检测模块，用于对所述无源支路的两端进行谐波检测，以分别得到并网点谐波电压和电压前馈变量谐波分量；
确定模块，用于构建同时考虑非线性负载谐波电流与电网背景谐波电压的条件下的谐波等效电路，并根据所述谐波等效电路确定所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值；
获取模块，用于根据所述并网点谐波电压及其前馈系数、所述电压前馈变量谐波分量及其前馈系数，获取逆变器的谐波电压指令值，以通过所述谐波电压指令值对所述逆变器进行控制。
6.根据权利要求5所述的构网型逆变器并网谐波电流抑制装置，其特征在于，所述无源支路由无源电感构成。
7.根据权利要求6所述的构网型逆变器并网谐波电流抑制装置，其特征在于，所述获取模块根据下式获取逆变器的谐波电压指令值：
Figure FDA0004118117130000022
其中，
Figure FDA0004118117130000023
为所述谐波电压指令值，uPCCh为所述并网点谐波电压，ush为所述电压前馈变量谐波分量，-m为所述并网点谐波电压的前馈系数，n为所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数。
8.根据权利要求7所述的构网型逆变器并网谐波电流抑制装置，其特征在于，所述确定模块确定的所述并网点谐波电压和所述电压前馈变量谐波分量的前馈系数的取值为：
Figure FDA0004118117130000031
其中，b代表
Figure FDA0004118117130000032
Zout为所述逆变器的输出阻抗，Zg为电网侧阻抗，Ls为所述无源电感的感抗。
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