CN116937708A - 弱电网下逆变器输出电压控制方法、装置及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明的技术方案是公开了一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，包括以下步骤：建立弱电网下逆变器输出电压的小信号模型，表示为由电网电压环的控制器Gi(s)对输出电压进行控制，控制器Gi(s)的输入为输出电压参考值的扰动与输出电压的扰动的差值，且在控制器Gi(s)的输出叠加前馈控制再乘以‑1，作为输出电压模型的无功电流的扰动的给定值，通过前馈控制抵消输出电压模型中的功角前馈项本发明还公开了一种逆变器输出电压控制装置以及计算机可读存储介质。本发明工程实施复杂度低，且保证逆变器在弱电网下稳定性的前提下，提升了逆变器动态性能，加快功率调度的响应，降低过渡过程中输出电压过冲幅度。

Description

弱电网下逆变器输出电压控制方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及一种并网逆变器的输出电压控制方法，尤其是在并网逆变器接入弱电网时，可应用于并网逆变器及其衍生产品，包括光伏逆变器、风电变流器、储能变流器等。
背景技术
随着构建新型电力系统目标的提出，新能源发电占比将进一步提升。然而，大规模新能源发电站大多距离用电负荷较远，造成电网强度较弱，等效为并网逆变器端口到无限大电网之间的阻抗增大。电网阻抗增大后，逆变器输出电压有效值会降低，如不加干预，则可能触发逆变器低电压穿越功能或脱网，影响逆变器正常稳定运行。此时，逆变器需要向电网注入一定无功电流，维持逆变器输出电压在合理范围。通常采用控制环路对所需无功电力进行计算，然而，弱电网下为了提高逆变器的稳定性，输出电压控制环路控制参数较弱，这造成输出电压响应的动态性较差，在功率调度等场合难以满足法规要求。
公开号为CN 115566691 A的发明专利申请公开了一种根据逆变器输出电压是否在预设区间无功功率的调整方法，主要问题有：①只能在超出电压预设区间后对无功功率进行调整，动态性能受区间设置的宽度影响；②未提及无功电流具体计算方法。公开号为CN107612018 B的发明专利公开了一种逆变器无功电流的计算和输出电压的控制方法，主要问题有：①建模过程中未考虑弱电网下逆变器输出电压与电网电压之间的功角，造成建模结果不精确；②无功电流计算环路的动态性能较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：弱电网下为了提高逆变器的稳定性，输出电压控制环路控制参数较弱，造成输出电压响应的动态性较差，在功率调度等场合难以满足法规要求。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，包括以下步骤：
建立弱电网下逆变器输出电压的小信号模型，表示为：
式中，表示逆变器输出电压的扰动，ωLg表示电网感抗，/>表示输出电压与电网电压之间的功角的扰动，/>表示无功电流的扰动，Id表示有功电流；由输出电压小信号模型可知，无功电流和功角的扰动对输出电压均产生影响。
由电网电压环的控制器Gi(s)对输出电压进行控制，控制器Gi(s)的输入为输出电压参考值的扰动与输出电压的扰动/>的差值，且在控制器Gi(s)的输出叠加前馈控制后乘以-1，作为输出电压模型中的无功电流扰动/>的给定值，前馈控制的作用是抵消输出电压模型中的功角前馈项/>
优选地，在控制器Gi(s)输出叠加的前馈控制的输入为功角扰动电网电流扰动或有功电流扰动/>
优选地，所述功角前馈控制的表达式为/>
优选地，所述功角前馈控制的表达式为/>kff为小于1的系数。
优选地，所述电网电流扰动前馈控制的表达式为/>VPCC表示输出电压。
优选地，所述电网电流扰动前馈控制的表达式为/>kff为小于1的系数。
优选地，所述有功电流扰动前馈控制的表达式为/>VPCC表示输出电压。
优选地，所述有功电流扰动前馈控制的表达式为/>kff为小于1的系数。
本发明的另一个技术方案是提供了一种逆变器输出电压控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储指令，所述处理器用于执行所述指令，所述处理器执行所述指令后使得所述控制装置执行上述任一项所述的控制方法。
本发明的另一个技术方案是提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述任一项所述的控制方法。
与现有技术方案相比，本发明具体具有如下优点：
本发明的逆变器输出电压控制方法可以在保证逆变器在弱电网下稳定性的前提下，提升逆变器动态性能，加快功率调度的响应，降低过渡过程中输出电压过冲幅度。而且，本发明的方法工程实施复杂度低。
附图说明
图1为并网逆变器接入弱交流电网时的系统电路图；
图2为并网逆变器输出电压与电网电压的矢量图；
图3为逆变器各变量施加小扰动示意图；
图4为逆变器输出电压的小信号模型及控制框图；
图5为基于功角前馈的逆变器输出电压控制框图；
图6为基于电网电流或有功电流前馈的逆变器输出电压控制框图；
图7示意了采用单电网电压反馈闭环的逆变器功率调度时的功率和输出电压响应曲线；
图8示意了采用电网电压反馈和有功电流前馈的逆变器功率调度时的功率和输出电压响应曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本实施例公开了一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，包括以下步骤：
建立弱电网下逆变器输出电压的小信号模型：
并网逆变器接入弱交流电网时的系统电路图如图1所示，其中，VPCC是逆变器的输出电压，Vg是电网电压，Ig是逆变器注入电网的电流，Rg+jωLg是电网阻抗，j为虚数单位(j2＝-1)。为了便于分析，考虑到实际电网阻抗中的电阻值远小于感抗值，因此在建模过程中忽略电网电阻。
弱网下逆变器的端口电压与电网电压之间的夹角(或称“功角”)较大，逆变器需向电网注入一定无功电流以支撑输出电压维持在合理范围，此时并网逆变器输出电压与电网电压的矢量图如图2所示。逆变器输出电压与电网电压有矢量关系：
逆变器的同步旋转坐标系的d轴以逆变器输出电压做定向，在逆变器d轴上可建立输出电压的标量关系式：
VPCC＝Vgcosδ-ωLgIq (2)
式中：δ为输出电压与电网电压之间的功角；无功电流Iq为负，表示逆变器向电网发出无功。为了建立弱电网下逆变器输出电压的小信号模型，对标量关系式施加小扰动，原理如图3所示，有：
式中，表示逆变器输出电压的扰动，/>表示电网电压的扰动，/>表示功角的扰动，/>表示无功电流的扰动。其中可认为电网是理想电网，其扰动为零，即/>对式(3)进行线性化处理，小信号模型为：
式中，ωLg表示电网感抗，Id表示有功电流。
于是逆变器输出电压的小信号模型如图4中虚线框所示，逆变器输出电压同时受逆变器输出的无功电流和系统功角影响，系统受控对象为ωLg。对于q轴来说，通常采用电网电压、电网电流的双闭环控制，如图4所示，由于电网电流内环的截止频率远高于电网电压外环，因此控制框图中忽略了电流内环。电网电压外环的控制环节Gi(s)可以采用积分控制、比例积分控制、比例积分微分控制或其他控制，控制器输出需乘-1作为无功电流的扰动的给定。理论上逆变器输出参考电压VPCCref可设置为任意值，实际中VPCCref一般设置为逆变器额定电压。
弱电网下，为了保证逆变器的稳定性，电网电压环的控制器Gi(s)参数通常设计较弱，在逆变器经历功率调度等动态过程当中，逆变器的动态性不足。因此，本发明在图4所建立的输出电压小信号模型基础上提出了一种基于前馈的逆变器输出电压控制，在控制器Gi(s)的输出叠加前馈控制的输入为功角扰动电网电流扰动/>或有功电流扰动/>
如图5所示，实现功角前馈的具体方法为功角取正弦三角函数与有功电流相乘再乘以系数kff(即)，与电网电压环控制器Gi(s)的输出相加后，乘以-1作为无功电流的扰动/>的给定值。若kff＝1，可以完全抵消输出电压小信号模型中的前馈项，实际中设置kff<1以保证系统稳定性。由于功角前馈的增加，逆变器在弱电网下的动态性大幅提升。
由于逆变器稳定运行时的功角获取难度较高，根据图3中的几何关系如图6所示，本发明提出一种基于电网电流前馈的逆变器输出电压控制，具体方法为电网电流的扰动/>(在dq旋转坐标系下的视在电流)与电网感抗ωLg、有功电流Id相乘，除以逆变器输出电压VPCC，再乘以系数kff(即/>)，与电网电压环控制器Gi(s)的输出相加后，乘以-1作为无功电流的扰动/>的给定值，其中，前馈控制输入项取电网电流的扰动/>实际中，设置kff<1以保证系统稳定性。电网感抗ωLg可通过各类阻抗辨识方法得到。此方法在提高逆变器动态性的前提下，大幅降低了实施的复杂度。
电网电流在dq同步旋转坐标系下的计算方法为需要用到开方运算，所占用的芯片计算资源较大。考虑到逆变器在弱电网下稳定运行时，逆变器输出电流中有功电流显著大于无功电流，本发明提出一种基于有功电流前馈的逆变器输出电压控制，如图6所示，具体方法为有功电流的平方/>与电网感抗ωLg相乘除以逆变器输出电压VPCC，再乘以系数kff(即/>)，与电网电压环控制器Gi(s)的输出相加后，乘以-1作为无功电流的给定值，其中，前馈控制输入项取电网电流的扰动/>实际中，设置kff<1以保证系统稳定性。此方法在提高逆变器动态性的前提下，实施的复杂度进一步降低。
本实施例的另一个方面是提供了逆变器输出电压控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储指令，所述处理器用于执行所述指令，所述处理器执行所述指令后使得所述控制装置执行上述的控制方法。
本实施例的另一个方面是提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的控制方法。
以一种光伏并网逆变器在弱电网下的功率调度为例，逆变器的额定功率为1.1MW、额定电压为630V、额定频率为50Hz，弱电网的短路比为1.15，对应的电网感抗为0.314Ω，电网电感为0.999mH。逆变器的有功功率从95％降至80％，再降至60％，再降至40％，再降至20％，最后升至95％。当逆变器采用单电网电压反馈闭环控制时，逆变器的功率和输出电压响应如图7所示。当发生有功功率下降时，逆变器输出电压的最大过冲达到1.08pu；当发生有功功率上升时，逆变器输出电压过冲最低值为0.88pu。无功功率响应明显较慢。
当逆变器采用电网电压反馈和有功电流前馈的闭环控制时，逆变器的功率和输出电压响应如图8所示，其中系数Kff取0.5。当发生有功功率下降时，逆变器输出电压的最大过冲为1.04pu；当发生有功功率上升时，逆变器输出电压过冲最低值为0.98pu。无功功率响应明显较快，逆变器的动态性能明显提升。

Claims (10)

1.一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立弱电网下逆变器输出电压的小信号模型，表示为：
式中，表示逆变器输出电压的扰动，ωLg表示电网感抗，/>表示输出电压与电网电压之间的功角的扰动，/>表示无功电流的扰动，Id表示有功电流；
由电网电压环的控制器Gi(s)对输出电压进行控制，控制器Gi(s)的输入为输出电压参考值的扰动与输出电压的扰动/>的差值，且在控制器Gi(s)的输出叠加前馈控制后乘以-1，作为输出电压模型中的无功电流的扰动/>的给定值，通过前馈控制抵消输出电压模型中的功角前馈项/>
2.如权利要求1所述的一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，其特征在于，在控制器Gi(s)输出叠加的前馈控制的输入为功角前馈电网电流的扰动/>或有功电流的扰动/>
3.如权利要求2所述的一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述功角前馈控制的表达式为/>
4.如权利要求2所述的一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述功角前馈控制的表达式为/>kff为小于1的系数。
5.如权利要求2-4任一项所述的一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述电网电流扰动前馈控制的表达式为/>VPCC表示输出电压。
6.如权利要求2-4任一项所述的一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述电网电流扰动前馈控制的表达式为/>kff为小于1的系数。
7.如权利要求2-4任一项所述的一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述有功电流扰动前馈控制的表达式为/>VPCC表示输出电压。
8.如权利要求2-4任一项所述的一种弱电网下逆变器输出电压控制方法，其特征在于，所述有功电流扰动前馈控制的表达式为/>kff为小于1的系数。
9.一种逆变器输出电压控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储指令，所述处理器用于执行所述指令，所述处理器执行所述指令后使得所述控制装置执行如权利要求1-8中任一项所述的控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-8中任一项所述的控制方法。
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