CN116979621A - 一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法，属于电力电子并网逆变器控制技术领域。本发明控制方法在间接电流控制的基础上增加了虚拟串联补偿控制，从而提升逆变器远距离并网的电能传输效率。通过采集并网点电压信号并运用锁相环获取并网点电压的相位角。此外，采集逆变器输出电流信号并进行abc/dq坐标变换。最后，将dq坐标系下的电流信号输入到电流环控制器和虚拟串联补偿控制器，并将两个控制器中前者与后者的输出信号作差后得到逆变器的调制信号。所述虚拟串联补偿控制与实际电容串联补偿在效果上等效，可以提升逆变器远距离电能传输的效率，降低新能源发电输电损耗，提升系统的稳定性。

Description

一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法

技术领域

本发明属于电力电子逆变器控制领域，涉及一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法，适用于电力电子逆变器的控制。

背景技术

新能源发电场多位于偏远地区，远离用电负荷中心，导致其输电线路的感性电抗较大，在并网点的短路比较小，接入后会降低电能的传输效率。针对上述情况普遍使用串联电容器补偿技术来提升电网远距离输电的能力。串联补偿可以抵消线路的一部分电抗，相当于减小了输电线路的电感。这可以改善电网系统的电压，减少电能损耗，提高输电线路的传输容量。但是传统的电容器串联补偿技术会使电网阻抗在低频段呈现容性，容易与并网逆变器在并网点发生振荡，降低系统的稳定性。

因此，提出了一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法。使用虚拟串联补偿能在实现串联补偿效果的同时减少并网逆变器的阻抗中的负电阻分量，提升系统的稳定性。并且由于提出的控制方法没有使用实际电容器，可以降低串联补偿的成本。

发明内容

本申请提供一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法，提高逆变器远距离并网的电能传输效率，降低串联补偿的成本，提升系统的稳定性。本申请包括以下步骤：

步骤(1)：采集并网逆变器的输出电流i_a,i_b,i_c和并网点电压v_a,v_b,v_c，通过锁相环获得与并网点电压v_a,v_b,v_c同步的相位，对i_a,i_b,i_c进行abc/dq变换得到在dq坐标系下的电流分量i_d与i_q；

步骤(2)：电流参考值i_dref和i_qref与电流i_d和i_q分别作差，再经过电流环得到输出信号n_d和n_q的表达式为：

其中，K_d为电流环的解耦系数；I_dref和I_qref为给定常量；G_i(s)为电流环PI控制器的传递函数，其表达式为：

其中，k_{p_i}为电流环PI控制器的比例系数；k_{i_i}为电流环PI控制器的积分系数；

步骤(3)：d-q坐标系下，电流i_d和i_q经过虚拟串联补偿控制得到输出信号m_d和m_q表达式为：

其中，K_f为虚拟串联补偿控制方法的解耦系数；H_c(s)为虚拟串联补偿控制器的传递函数，其表达式为：

其中，L_f为LC滤波器的电感值；C_f为LC滤波器的电容值；K_pwm为并网逆变器的等效增益；k是虚拟串联补偿控制的比例系数；

步骤(4)：在d-q坐标系下电流环输出信号和虚拟串联补偿控制输出信号作差，得到逆变器输出电压的调制信号c_d和c_q的表达式为：

步骤(5)：使用序列阻抗建模方法，假设A相电压相位为0，在并网点注入扰动电压，则并网点电压可以表示为：

其中，V₁为电网电压的基波幅值；f₁为电网电压的基波频率；V_p为正序扰动电压的幅值；f_p为正序扰动电压的频率；φ_vp为正序扰动电压的相位；V_n为负序扰动电压的幅值；f_n为负序扰动电压的频率；φ_vn为负序扰动电压的相位；

步骤(6)：对三相静止坐标系下的并网点三相电压表达式(6)进行傅里叶变换，其频域表达式为：

其中，V₁＝V₁/2；

步骤(7)：注入扰动电压后并网逆变器输出的电流可以表示为：

其中，I₁为逆变器输出的电流的基波幅值；φ_i1为逆变器输出的电流的基波相位；I_p为正序电流响应的幅值；φ_ip为正序电流响应的相位；I_n为负序电流响应的幅值；φ_in为负序电流响应的相位；

步骤(8)：对三相静止坐标系下的注入扰动电压后并网逆变器输出的电流表达式(8)进行傅里叶变换，其频域表达式为：

其中，

步骤(9)：将d-q坐标系下逆变器输出电压的调制信号变换到三相静止坐标系可以得到：

其中，H_v(s)和H_i(s)分别为电压和电流采样的等效传递函数，表达式分别为：

其中，ω_v和ω_i分别为电压和电流采样滤波器的截止频率；T_v和T_i分别为电压和电流的采样周期；

T_PLL(s)是锁相环的闭环传递函数，其表达式为：

其中，H_PLL(s)是锁相环开环传递函数，其表达式为：

其中，k_{p_PLL}和k_{i_PLL}分别为锁相环PI控制器的比例系数和积分系数；

步骤(10)：通过图1可以得到并网逆变器的电路关系式为：

其中，L_f为LC滤波器的电感值；K_m为并网逆变器的等效增益；V_dc为并网逆变器直流侧电压值；

根据式(1)～(15)，可以得到所述控制方法下并网逆变器的正序阻抗表达式为：

其中，Z_s(s)为并网逆变器的正序阻抗频域表达式；j为虚数单位；T₁是直流分量，其表达式为：

与现有技术相比，所述方法具有如下的优点及效果：

(1)使用虚拟串联补偿控制方法，可以与传统串联电容器补偿技术等效，对电网进行无功补偿，提升逆变器远距离并网的电能传输效率；

(2)由于所述方法使用虚拟电容控制实现串联补偿，与传统串联电容器补偿技术相比，所述方法可以优化并网逆变器的输出阻抗，提升系统的稳定性；并且由于未使用实际的电容器，可以减少串联补偿的元器件的使用。

附图说明

图1为所述并网逆变器虚拟串联补偿控制方法及系统框图。

图2为传统控制方法下并网逆变器在并网点短路比变化下电网有功功率和无功功率仿真波形图。

图3为加入所述控制方法后并网逆变器在并网点短路比变化下电网有功功率和无功功率仿真波形图。

图4为传统控制方法下并网逆变器的阻抗频率特性图。

图5为加入所述控制方法后并网逆变器的阻抗频率特性图。

图6为传统控制方法下逆变器并网点的电流仿真波形图。

图7为加入所述虚拟串联补偿控制后逆变器并网点的电流仿真波形图。

具体实施方式

本申请提出的一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法，结合附图详细说明如下：

图1是所述并网逆变器虚拟串联补偿控制方法及系统框图。采集并网逆变器输出电流i_a,i_b,i_c和并网点电压v_a,v_b,v_c，通过锁相环获得与并网点电压v_a,v_b,v_c同步的相位，对逆变器输出电流进行abc/dq变换得到逆变器输出电流i_a,i_b,i_c在d-q坐标系下的分量i_d和i_q；将电流参考值i_dref和i_qref分别与电流i_d和i_q作差经过电流环控制器得到输出信号n_d和n_q的表达式为：

式中,K_d为电流环的解耦系数；I_dref和I_qref为给定常量；G_i(s)为电流环PI控制器的传递函数，其表达式为：

其中，k_{p_i}为电流环PI控制器的比例系数；k_{i_i}为电流环PI控制器的积分系数；

d-q坐标系下虚拟串联补偿控制方法的输出信号m_d和m_q表达式为：

其中，K_f为虚拟串联补偿控制方法的解耦系数；H_c(s)为虚拟串联补偿控制器的传递函数，其表达式为：

其中，L_f为LC滤波器的电感值；C_f为LC滤波器的电容值；K_pwm为并网逆变器的等效增益；k为虚拟串联补偿控制的比例系数；

在d-q坐标系下由电流环输出信号和虚拟串联补偿控制输出信号相减得到逆变器输出电压调制信号c_d和c_q的表达式为：

使用序列阻抗建模方法，假设A相电压相位为0，在并网点注入扰动电压，则并网点电压可以表示为：

其中，V₁为电网电压的基波幅值；f₁为电网电压的基波频率；V_p为正序扰动电压的幅值；f_p为正序扰动电压的频率；φ_vp为正序扰动电压的相位；V_n为负序扰动电压的幅值；f_n为负序扰动电压的频率；φ_vn为负序扰动电压的相位；

对三相静止坐标系下的并网点三相电压表达式(6)进行傅里叶变换，其频域表达式为：

其中，V₁＝V₁/2；

注入扰动电压后并网逆变器输出的电流响应可以表示为：

其中，I₁为逆变器输出电流响应的基波幅值；φ_i1为逆变器输出电流响应的基波相位；I_p为正序电流响应的幅值；φ_ip为正序电流响应的相位；I_n为负序电流响应的幅值；φ_in为负序逆变器输出电流响应的相位；

对三相静止坐标系下的注入扰动电压后并网逆变器输出的电流响应表达式(8)进行傅里叶变换，其频域表达式为：

其中，

对d-q坐标系下公式(5)进行dq/abc变换可以得到三相静止坐标系下逆变器的A相输出电压的调制信号表达式：

其中，H_v(s)和H_i(s)分别为电压和电流采样的等效传递函数，表达式分别为：

其中，ω_v和ω_i为采样滤波器的截止频率；T_v和T_i分别为电压和电流的采样周期；

T_PLL(s)是锁相环的闭环传递函数，其表达式为：

其中，H_PLL(s)是锁相环开环传递函数，其表达式为：

其中，k_{p_PLL}和k_{i_PLL}分别为锁相环PI控制器的比例系数和积分系数；

通过图1可以得到并网逆变器的电路关系式为：

其中，L_f为LC滤波器的电感值；K_m为并网逆变器的等效增益；V_dc为并网逆变器直流侧电压值；

根据式(1)～(15)，可以得到所述控制策略下并网逆变器的正序阻抗表达式为：

其中，Z_s(s)为并网逆变器的正序阻抗频域表达式；j为虚数单位；T₁为直流分量，其表达式为：

根据图1搭建基于MATLAB的并网逆变器虚拟串联补偿控制仿真实验平台，仿真实验结果如图2和图3所示。图2传统控制方法下并网逆变器在并网点短路比变化下电网有功功率和无功功率仿真波形图，给出了逆变器采用间接电流控制，并网点短路比变化前后传输到电网有功功率P_m和无功功率Q_m的曲线。在1.2s时并网点电网的短路比由8变化为4，由于未加入串联补偿系统(串补度为0％)且电网电感值增加，所以传输到电网的有功功率减少，感性无功功率增加。图3为加入所述控制方法后并网逆变器在并网点短路比变化下电网有功功率和无功功率仿真波形图，在图3的仿真结果中，1.2s时加入所述控制方法并且系统再次达到稳态后，有功功率和无功功率与短路比变化前相等，说明提出的方法在控制效果上可以与串联电容器补偿方法等效，对电网电感进行串联补偿。因此提出的并网逆变器虚拟串联补偿控制方法可以提升逆变器远距离电能传输的效率，降低了串联电容器补偿技术中使用实际电容器的成本。

图4为传统控制方法下并网逆变器的阻抗频率特性图。图5为加入所述控制方法后并网逆变器的阻抗频率特性图。图4和图5分别给出传统控制方法和加入所述控制方法后并网逆变器的阻抗频率特性图，从图4和图5可以看出，在所研究的10-50Hz频段，所述控制方法可以优化并网逆变器的阻抗，即所述控制方法可以有效减少并网逆变器阻抗的负电阻分量，从而增强了并网逆变器接入串联补偿电网的稳定性。

图6为传统控制方法下逆变器并网点的电流仿真波形图。图7为加入所述虚拟串联补偿控制后逆变器并网点的电流仿真波形图。通过图6的仿真实验结果可以看出，在串补度由0提高到60％，传统串联补偿会使并网逆变器在并网点发生次同步振荡；通过图7的实验结果可以看出，加入所述控制方法后，在串补度为60％时，并网逆变器在并网点的次同步振荡被抑制。仿真结果与阻抗分析方法的结果一致，因此所述并网逆变器虚拟串联补偿控制方法可以很好的提升系统的稳定性。

Claims (5)

1.一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法，其特征在于，提高远距离电能传输效率，减少串联补偿电容器，包括以下步骤：

(1)、采集逆变器输出电流i_a,i_b,i_c和并网点电压v_a,v_b,v_c，通过锁相环获得与并网点电压v_a,v_b,v_c同步的相位；对i_a,i_b,i_c进行abc/dq变换得到在d-q坐标系下的电流分量i_d与i_q，；电流参考值I_dref和I_qref分别与电流i_d与i_q，作差，之后经过电流环控制器得到d-q坐标系下输出信号n_d和n_q；

(2)、逆变器输出电流i_a,i_b,i_c在d-q坐标系下的分量i_d与i_q,经过虚拟电容控制器得到d-q坐标系下输出信号m_d和m_q；

(3)、将电流环输出信号n_d和n_q与虚拟电容控制器输出信号m_d和m_q分别作差，生成逆变器在d-q坐标系下调制信号c_d和c_q；对c_d和c_q进行dq/abc变换得到三相静止坐标系下的逆变器的调制信号c_a,c_b,c_c进行PWM调制，控制并网逆变器开关管的导通和关断；

(4)、通过序阻抗建模方法，根据并网逆变器的电路关系、扰动电压以及加入扰动电压后扰动电流响应的频域表达式，得到所述控制方法下并网逆变器的序阻抗Z_s(s)。

2.根据权利要求1所述的一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法，其特征在于，步骤(1)中电流环控制器d-q坐标系下表达式为：

其中，n_d和n_q为d-q坐标系下的电流环输出信号；K_d为电流环的解耦系数；I_dref和I_qref为给定常量；G_i(s)为电流环PI控制器的传递函数，其表达式为：

其中，k_{p_i}是电流环PI控制器的比例系数；k_{i_i}是电流环PI控制器的积分系数。

3.根据权利要求1所述的一种并网逆变器虚拟串联补偿控制方法，其特征在于，步骤(2)中虚拟串联补偿控制的d-q坐标系下表达式为：

其中，m_d和m_q为d-q坐标系下虚拟串联补偿控制的输出信号；K_f为虚拟串联补偿控制的解耦系数；H_c(s)为虚拟串联补偿控制器的传递函数，其表达式为：

其中，L_f为LC滤波器的电感值；C_f为LC滤波器的电容值；K_pwm为并网逆变器的等效增益；k为虚拟串联补偿控制的比例系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于并网逆变器的虚拟串联补偿控制方法，其特征在于，步骤(3)中d-q坐标系下并网逆变器的调制信号c_d和c_q的表达式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于并网逆变器的虚拟串联补偿控制方法，其特征在于，步骤(4)中并网逆变器频域阻抗表达式为：

其中，Z_s(s)为并网逆变器的频域阻抗表达式；j为虚数单位；f₁为电网电压的频率；V_dc为并网逆变器直流侧电压值；V₁为并网点电压基波的幅值；I₁为逆变器输出电流基波的幅值；

T_PLL(s)是锁相环的闭环传递函数，其表达式为：

其中，H_PLL(s)是锁相环开环传递函数，其表达式为：

其中，k_{p_PLL}和k_{i_PLL}分别为锁相环PI控制器的比例系数和积分系数；

H_v(s)和H_i(s)分别是电压和电流采样的等效传递函数，表达式分别为：

其中，ω_v和ω_i为采样滤波器的截止频率；T_v和T_i分别为电压和电流的采样周期；

T₁是直流分量，表达式为：