CN117220334A - 一种并网逆变器稳定性判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并网逆变器稳定性判断方法，属于电力电子系统建模技术领域。首先采集注入扰动信号后的电压信号和电流信号，通过锁相环传递函数和采样滤波标幺化传递函数计算并网逆变器的三相电压三相电流频域表达式；然后根据控制策略，基于采样环节、滤波环节、标幺环节、多种控制策略复合传递函数计算输出的变流器参考电压信号；最后得到正负序阻抗的表达式。本发明在考虑实际控制策略的情况下，提高了数学建模的准确性，同时防止了控制策略变更时，模型重新长时间推导，提高效率节约了时间，使序阻抗表示式具有通用性，灵活性，从而提高并网逆变器稳定性判断的效率，使并网逆变器稳定性的判断更加精确。

Description

一种并网逆变器稳定性判断方法

技术领域

本发明涉及一种并网逆变器稳定性判断方法，属于电力电子系统建模技术领域。

背景技术

并网逆变器是新能源发电系统与电网能量交换的核心装置，随着新能源发电的增加在电网中得到了大规模应用，对其进行阻抗建模分析，改进控制策略，有助于增强逆变器对复杂电网的适应能力，提高系统稳定性。

目前对并网逆变器的阻抗建模主要是谐波线性化的序阻抗建模方法，基于三相变换器的谐波线性化，计算推导主电路中的电气量在频域下的表达式，得到变流器的正负序阻抗进行建模。该建模过程只考虑锁相环、电流控制PI环对控制系统的影响，但是在实际控制过程中还包括电压电流采样环节、滤波环节、标幺化环节等，可能会导致最终建立的阻抗模型出现误差，从而影响对并网逆变器稳定性的判断。而且当控制策略出现变化时，需要重新推导建立序阻抗模型，极大的增加了时间成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种并网逆变器稳定性判断方法，以解决目前建模过程存在的耗时长、误差大导致稳定性判断精度低、效率不高的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种并网逆变器稳定性判断方法，该方法包括以下步骤：

1)在并网逆变器的公共连接点注入扰动信号，采集并网逆变器与电网公共连接点处电压信号和并网逆变器中电流信号；

2)根据电压信号和电流信号，通过锁相环传递函数和电压采样滤波标幺化传递函数、电流采样滤波标幺化传递函数分别计算三相电压三相电流频域表达式；

3)根据并网逆变器使用的控制策略，基于电流控制传递函数、电压采样滤波标幺化传递函数、电流采样滤波标幺化传递函数、电容电流采样滤波标幺函数、dq轴电压前馈传递函数和αβ轴电压前馈传递函数计算并网逆变器的参考电压信号；

4)根据并网逆变器参考电压和三相电压三相电流的电气关系式，得到正负序阻抗的表达式；

5)通过并网逆变器序阻抗表达式得出并网逆变器阻抗频域图，与所在电网阻抗频域图对比，判断并网逆变器在电网中的稳定性。

本发明首先采集注入扰动信号后的电压信号和电流信号，通过锁相环传递函数和采样滤波标幺化传递函数计算并网逆变器在公共连接点注入扰动后的三相电压三相电流频域表达式；然后根据控制策略，基于采样环节、滤波环节、标幺环节、多种控制策略复合传递函数计算输出的变流器参考电压信号；最后得到正负序阻抗的表达式；通过并网逆变器序阻抗表达式得出并网逆变器频域图，判断并网逆变器所在电网的稳定性。本发明在考虑实际控制策略的情况下，还考虑了采样环节、滤波环节、标幺环节、多种控制策略复合作用环节，提高了数学建模的准确性，同时防止了控制策略变更时，模型重新长时间推导，提高效率节约了时间，使序阻抗表示式具有通用性，灵活性，从而提高并网逆变器稳定性判断的效率，使并网逆变器稳定性的判断更加精确。

进一步地，所述的并网逆变器中电流信号使用LC滤波器在电感上采集。

进一步地，所述的三相电压三相电流在两相旋转坐标系的频域表达式为：

其中，U₁为稳态相电压幅值，U_p为正序扰动相电压幅值，U_n为负序扰动相电压幅值，ω₁为稳态电网角频率，ω_p为正序扰动角频率，ω_n为负序扰动角频率，G_u(s)为电压采样滤波标幺化传递函数，G_PLL(s)为锁相环传递函数，I₁为稳态相电流幅值，G_i(s)为电流采样滤波标幺化传递函数，I_p为正序扰动相电流幅值，为稳态相电流初始相位，/>为正序扰动初始相位，/>为负序扰动初始相位，/>为正序扰动电流初始相位，/>为负序扰动电流初始相位，I_n为负序扰动相电流幅值。

进一步地，所述的参考电压信号为：

F₁(s)、F₂(s)、F₃(s)、F₄(s)、F₅(s)为传递函数，表达式为：

F₂(s)＝G_ic(s)；

F₃(s)＝G_αf(s)G_u(s)；

F₄(s)＝G_i(s)G_c(s)；

其中，U_p为正序扰动相电压幅值，为正序扰动初始相位，ω₁为稳态电网角频率，v_d1为稳态工作时参考电压的d轴分量，v_q1为稳态工作时参考电压的q轴分量，C_f为滤波电容，U₁为稳态相电压幅值，R_f为滤波电容电阻，K_d为有源阻尼系数，I₁为稳态相电流幅值，/>为稳态相电流初始相位，I_p为正序扰动相电流幅值，/>为正序扰动电流初始相位，G_PLL(s)为锁相环传递函数，G_u(s)为电压采样滤波标幺化传递函数，G_ic(s)为电容电流采样滤波标幺函数，G_αf(s)为αβ轴电压前馈传递函数，G_c(s)为电流控制传递函数，G_i(s)为电流采样滤波标幺化传递函数，G_Uf(s)为dq轴电压前馈传递函数。

进一步地，控制策略为用于控制并网逆变器的数字信号处理芯片的程序处理逻辑。

进一步地，所述的并网逆变器的正序阻抗表达式为：

并网逆变器的负序阻抗表达式为：

其中，L_f为滤波电感，U_dc为直流侧电压，T_d表示控制系统的延时时间，ω₁为稳态电网角频率，v_d1为稳态工作时参考电压的d轴分量，v_q1为稳态工作时参考电压的q轴分量，C_f为滤波电容，U₁为稳态相电压幅值，R_f为滤波电容电阻，I₁为稳态相电流幅值，为稳态相电流初始相位，F₁(s)、F₂(s)、F₃(s)、F₄(s)、F₅(s)为传递函数。

进一步地，该方法还包括对并网逆变器进行滤波处理，得到滤波后的正序阻抗表达式为：

滤波后的负序阻抗表达式为：

其中，C_f为滤波电容，R_f为滤波电容电阻，Z_p为未考虑滤波电容影响的并网逆变器的正序阻抗。

考虑到滤波电容的影响，对并网逆变器进行滤波处理，使得到的正序阻抗更加准确。

附图说明

图1是本发明并网逆变器系统结构图；

图2是本发明实施例中频域正序阻抗建模结果和扫频结果对比图；

图3是本发明实施例中负序阻抗建模结果和扫频结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

并网逆变器稳定性判断方法的实施例

本发明首先采集并网逆变器与电网公共连接点处电压信号和并网逆变器中电流信号，通过锁相环传递函数和采样滤波标幺化传递函数计算并网逆变器在公共连接点注入扰动后的三相电压三相电流频域表达式；然后根据控制策略，基于锁相环传递函数、电压采样滤波标幺化传递函数、电流采样滤波标幺化传递函数、电流控制传递函数、电容电流采样滤波标幺函数、dq轴电压前馈传递函数和αβ轴电压前馈传递函数计算输出的变流器参考电压信号；最后根据变流器参考电压和公共连接点电压的电气关系式，得到正负序阻抗的表达式；通过并网逆变器序阻抗表达式得出并网逆变器频域图，与所在电网阻抗频域图对比，判断并网逆变器在电网中的稳定性。下面结合具体的实例来进行说明。

并网逆变器系统结构如图1所示，用三相交流电压源和电阻电感代表实际电网，公共连接点处采集电压信号，并网逆变器使用LC滤波器，在电感上采集电流信号，电流方向为从逆变器到电网，并网逆变器直流侧为电池等效的直流源。

1.推导并网逆变器在公共连接点注入扰动后的三相电压三相电流频域表达式。

在公共连接点注入扰动信号后，公共连接点的三相电压时域信号表示为：

其中，t为时间，U₁为稳态相电压幅值，ω₁为稳态电网角频率，U_p为正序扰动相电压幅值，ω_p为正序扰动角频率，为正序扰动初始相位，U_n为负序扰动相电压幅值，ω_n为负序扰动角频率，/>为负序扰动初始相位。

并网逆变器电感滤波器上采样的电流时域信号表示为：

其中，I₁为稳态相电流幅值，为稳态相电流初始相位，I_p为正序扰动相电流幅值，/>为正序扰动电流初始相位，I_n为负序扰动相电流幅值，/>为负序扰动电流初始相位。

将三相电压电流坐标变换到dq坐标系，其坐标变换使用的相位角为θ，进行欧拉变换；

欧拉变换的形式为e^jθ＝cosθ+jsinθ，将三角函数用e的指数表示，得到A相电压关于频域的表达式为：

由于数字信号处理芯片在坐标变换时使用的角度θ与电网实际相位ω₁t并不完全相等，将abc坐标轴的变量转换到dq坐标轴时，存在角度误差Δθ(t)＝ω₁t-θ。d轴电压时域表达式为：

忽略二阶小信号误差，对一阶误差进行近似处理，最终可以得到频域下的通用表达式，

d轴电压频域表达式：

q轴电压频域表达式：

d轴电流频域表达式：

q轴电流频域表达式：

不同的控制策略使用的相位角表达式各自不同，从而得到不同的三相电压电流dq坐标系频域表达式，电流源型并网逆变器相位角来源于锁相环。

实际的三相电压电流信号通过采样滤波环节，标幺化环节送入数字信号处理芯片中。得到：

I_1dG_i(s)＝I_d；I_1qG_i(s)＝I_q；U_PCCdG_u(s)＝U_d；U_PCCqG_u(s)＝U_q； (9)

其中，电流采样滤波标幺化传递函数为Gi(s)，电压采样滤波标幺化传递函数为Gu(s)。

锁相环频域表达式为：

其中，锁相环传递函数为GPLL(s)，锁相环比例系数为k_p，积分系数为k_i。

结合上述公式得到

d轴电压频域表达式：

q轴电压频域表达式：

d轴电流频域表达式：

q轴电流频域表达式：

2.根据使用的控制策略，推导数字信号处理芯片最终输出的变流器参考电压信号。

参考电压信号来自于dq轴控制器、αβ轴控制器。dq轴控制器包括电流控制、电压前馈控制、电流解耦控制，其在频域上的表达式为：

其中，G_c(s)为电流控制传递函数，为包括PI控制、重复控制、PR控制的多种复杂控制方法的复合传递函数，I^* _d、I^* _q为电流给定信号频域表达式，其在ω＝0时为常数，ω≠0时为0，G_Uf(s)为dq轴电压前馈传递函数，k_ωl为电流解耦系数。

引入小信号模型，并忽略高阶小信号，得到：

v_α＝v_dcosθ-v_qsinθ＝(v_d1-Δv_d)cos(θ₁-Δθ)-(v_q1-Δv_q)sin(θ₁-Δθ)； (16)

v_α≈v_d1cosθ₁-v_q1sinθ₁+(v_d1sinθ₁+v_q1cosθ₁)Δθ-Δv_dcosθ₁+Δv_qsinθ₁； (17)

(16)(17)推导得出dq轴频域信号转换到αβ轴频域信号满足的关系式：

其中v_d1为稳态工作时参考电压的d轴分量，v_q1为稳态工作时参考电压的q轴分量，其满足的关系式为：

U_dc为直流侧电压，L_f为滤波电感，P₁、Q₁为并网逆变器输出的有功功率与无功功率。

αβ轴控制器包括有源阻尼控制、电压前馈控制，其在频域上的表达式为：

V_α'(ω)＝V_α(ω)+K_dI_cα(ω)+G_αf(s)U_α(ω)； (20)

其中，K_d为有源阻尼系数，I_cα为电容电流的频域表达式，G_αf(s)为αβ轴电压前馈传递函数，U_α为α轴电压的频域表达式。

结合公式(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(18)、(19)、(20)得到变流器参考电压信号：

其中C_f为滤波电容，R_f为滤波电容电阻，传递函数F₁(s)、F₂(s)、F₃(s)、F₄(s)、F₅(s)的表达式为：

F₂(s)＝G_ic(s)； (23)

F₃(s)＝G_αf(s)G_u(s)； (24)

F₄(s)＝G_i(s)G_c(s)； (25)

其中G_ic(s)为电容电流采样滤波标幺函数。

3.根据变流器参考电压和公共连接点电压的电气关系式，得到正负序阻抗的表达式。

αβ轴控制器的输出是最终的变流器参考电压信号，其与并网点电网电压满足的关系式为：

其中，T_d表示控制系统的延时时间，该延时时间与开关周期有关，数字仿真中为0.5倍开关周期，实际工况中为1.5倍开关周期。

并网逆变器的正序阻抗可表示为：

结合公式(21)、(27)、(28)得到正序阻抗的表达式为：

同理得到负序阻抗的表达式为：

考虑到滤波电容的影响，并网逆变器的正序阻抗表达式为：

同理得到并网逆变器的负序阻抗表达式。

4.根据正序阻抗表达式和负序阻抗表达式得到序阻抗频域伯德图，分析并网逆变器在扰动信号下的电网稳定性。

频域正序阻抗建模结果和扫频结果对比图如图2所示，虚线为通过扫频测量得到的阻抗幅值与相位，实线为根据正序阻抗表达式计算得到的阻抗幅值与相位。在频率50Hz左右接近电网频率的区间二者存在差别的原因是此时扰动源频率接近电网频率，基波与谐波区分难度变大，影响了扫频测量结果与模型计算结果。图2证明了本发明方案的正序阻抗模型计算值与测量值在非50Hz区间基本一致，精确度较高。

频域负序阻抗建模结果和扫频结果对比图如图3所所示，虚线为通过扫频测量得到的阻抗幅值与相位，实线为根据负序阻抗表达式计算得到的阻抗幅值与相位。图3证明了本发明方案的负序阻抗模型计算值与测量值在非50Hz区间基本一致，精确度较高。

Claims (7)

1.一种并网逆变器稳定性判断方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在并网逆变器的公共连接点注入扰动信号，采集并网逆变器与电网公共连接点处电压信号和并网逆变器中电流信号；

2)根据电压信号和电流信号，通过锁相环传递函数和电压采样滤波标幺化传递函数、电流采样滤波标幺化传递函数分别计算三相电压三相电流频域表达式；

3)根据并网逆变器使用的控制策略，基于电流控制传递函数、电压采样滤波标幺化传递函数、电流采样滤波标幺化传递函数、电容电流采样滤波标幺函数、dq轴电压前馈传递函数和αβ轴电压前馈传递函数计算并网逆变器的参考电压信号；

4)根据并网逆变器参考电压和三相电压三相电流的电气关系式，得到正负序阻抗的表达式；

5)通过并网逆变器序阻抗表达式得出并网逆变器阻抗频域图，与所在电网阻抗频域图对比，判断并网逆变器在电网中的稳定性。

2.根据权利要求1所述的并网逆变器稳定性判断方法，其特征在于，所述的并网逆变器中电流信号使用LC滤波器在电感上采集。

3.根据权利要求1所述的并网逆变器稳定性判断方法，其特征在于，所述的三相电压三相电流在两相旋转坐标系中频域表达式为：

其中，U₁为稳态相电压幅值，U_p为正序扰动相电压幅值，U_n为负序扰动相电压幅值，ω₁为稳态电网角频率，ω_p为正序扰动角频率，ω_n为负序扰动角频率，G_u(s)为电压采样滤波标幺化传递函数，G_PLL(s)为锁相环传递函数，I₁为稳态相电流幅值，G_i(s)为电流采样滤波标幺化传递函数，I_p为正序扰动相电流幅值，为稳态相电流初始相位，/>为正序扰动初始相位，为负序扰动初始相位，/>为正序扰动电流初始相位，/>为负序扰动电流初始相位，I_n为负序扰动相电流幅值。

4.根据权利要求1所述的并网逆变器稳定性判断方法，其特征在于，所述的参考电压信号为：

F₁(s)、F₂(s)、F₃(s)、F₄(s)、F₅(s)为传递函数，表达式为：

F₂(s)＝G_ic(s)；

F₃(s)＝G_αf(s)G_u(s)；

F₄(s)＝G_i(s)G_c(s)；

其中，U_p为正序扰动相电压幅值，为正序扰动初始相位，ω₁为稳态电网角频率，v_d1为稳态工作时参考电压的d轴分量，v_q1为稳态工作时参考电压的q轴分量，C_f为滤波电容，U₁为稳态相电压幅值，R_f为滤波电容电阻，K_d为有源阻尼系数，I₁为稳态相电流幅值，/>为稳态相电流初始相位，I_p为正序扰动相电流幅值，/>为正序扰动电流初始相位，G_PLL(s)为锁相环传递函数，G_u(s)为电压采样滤波标幺化传递函数，G_ic(s)为电容电流采样滤波标幺函数，G_αf(s)为αβ轴电压前馈传递函数，G_c(s)为电流控制传递函数，G_i(s)为电流采样滤波标幺化传递函数，G_Uf(s)为dq轴电压前馈传递函数。

5.根据权利要求1所述的并网逆变器稳定性判断方法，其特征在于，控制策略为用于控制并网逆变器的数字信号处理芯片的程序处理逻辑。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的并网逆变器稳定性判断方法，其特征在于，所述的并网逆变器的正序阻抗表达式为：

并网逆变器的负序阻抗表达式为：

其中，L_f为滤波电感，U_dc为直流侧电压，T_d表示控制系统的延时时间，ω₁为稳态电网角频率，v_d1为稳态工作时参考电压的d轴分量，v_q1为稳态工作时参考电压的q轴分量，C_f为滤波电容，U₁为稳态相电压幅值，R_f为滤波电容电阻，I₁为稳态相电流幅值，为稳态相电流初始相位，F₁(s)、F₂(s)、F₃(s)、F₄(s)、F₅(s)为传递函数。

7.根据权利要求1所述的并网逆变器稳定性判断方法，其特征在于，该方法还包括对并网逆变器进行滤波处理，得到滤波后的正序阻抗表达式为：

滤波后的负序阻抗表达式为：

其中，C_f为滤波电容，R_f为滤波电容电阻，Z_p为未考虑滤波电容影响的并网逆变器的正序阻抗。