一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法

1.本发明涉及电网电能质量控制技术领域，更具体的说是涉及一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法。


背景技术：

2.光伏发电多以光伏逆变器集群的形式并网发电，多台逆变器并入弱电网时会构成一个复杂的高阶网络，当光伏逆变器输出的谐波电流频率与谐振频率相同时，光伏逆变器集群系统会发生谐波谐振，严重时甚至可能危及控制系统稳定性。电网阻抗的宽范围变化也可能会使原工作于稳定状态的系统发生谐振。
3.目前，在抑制系统的谐振问题上，通常将控制参数设置为定值，而有源阻尼器难以在不同工况下均能实现较好的谐振抑制效果。
4.因此，如何提供一种利用有源阻尼器分频控制各频段阻尼电阻大小，以实现能够针对不同的运行工况调节控制器参数的光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法，可以根据公共连接点处各次谐波电压含量调节不同频率段虚拟电阻数值，从而更有效的抑制光伏逆变器集群系统的谐波谐振问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法，包括：
8.构建数学模型，基于所述数学模型对光伏逆变器集群系统的谐振特性进行分析；
9.根据光伏逆变器集群系统的谐振特性在公共母线处接入有源阻尼器，重塑光伏逆变器集群系统的阻抗特性，增加谐振频率处阻尼电阻；
10.引入自适应分频控制策略，使有源阻尼器分频控制各频段阻尼电阻大小。
11.优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，所述构建数学模型，包括：
12.将光伏逆变器集群分为电源子系统和负载子系统，其中，所述电源子系统采用诺顿等效电路表示，所述负载子系统采用一个负载阻抗表示；
13.采用叠加定理得出公共节点电压，表达式如下：
[0014][0015]
其中，u
pcc
(s)表示公共节点电压，i
sk
(s)表示光伏逆变器集群中第i台逆变器的电流指令，tm(s)为光伏逆变器集群系统的最小环路增益，zg(s)表示电网阻
抗，z
inv_p
(s)表示光伏逆变器集群系统的总输出阻抗，ug(s)表示电网电压；当光伏逆变器集群系统的最小环路增益tm(s)满足奈奎斯特稳定性判据时，则光伏逆变器集群系统是稳定的。
[0016]
优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，光伏逆变器集群系统并入电网时，不因谐波谐振而失去稳定性的条件为：
[0017]
条件一：电网阻抗zg(s)＝0时或光伏逆变器集群系统并入强电网时；
[0018]
条件二：最小环路增益tm(s)满足奈奎斯特判据时，电网阻抗zg(s)与光伏逆变器集群系统总输出阻抗z
inv_p
(s)的幅频特性曲线不存在交截；或者电网阻抗zg(s)与光伏逆变器输出阻抗z
inv_p
(s)的幅频特性曲线存在交截，但交截频率f
int
处的相位裕度为正。
[0019]
优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，交截频率f
int
处的相位裕度的表达式为：
[0020]
pm＝180
°‑
[∠zg(j2πf
int
)-∠z
inv_p
(j2πf
int
)]；
[0021]
上式中，j表示虚部。
[0022]
优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，在公共母线处接入有源阻尼器等效于在公共母线处并联接入一电阻，且电阻仅能通过谐波电流，基波处电阻值为无穷大；通过控制器计算出有源阻尼器的输出电流为i
abc
，当i
abc
与接入谐波电阻时的输出电流相同时，则认为有源阻尼器被等效为一个虚拟电阻，光伏逆变器集群系统的阻尼得到了增加。
[0023]
优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，所述重塑光伏逆变器集群系统的阻抗特性，包括：
[0024]
基于公共节点电压，得到有源阻尼器的调制信号；
[0025]
根据所述调制信号对有源阻尼器进行反馈控制，使有源阻尼器模拟阻抗外特性，重塑光伏逆变器集群系统的阻抗特性。
[0026]
优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，所述引入自适应分频控制策略，使有源阻尼器分频控制各频段阻尼电阻大小，包括：
[0027]
引入指定次谐波电压分离策略，从公共母线三相电压中分离出不同频率的谐波电压信号；
[0028]
引入虚拟电阻分频控制策略，根据谐波电压信号的数值，对不同频率的虚拟电阻进行分频控制。
[0029]
优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，所述调制信号的获得过程为：
[0030]
测量公共母线公共节点电压大小u
abc
；
[0031]
通过指定次谐波电压分离策略将不同次谐波信号相互分离得到谐波电压u
habc
；
[0032]
将谐波电压u
habc
与给定的电阻值rv相除得到输出电流的谐波参考值；
[0033]
通过有源阻尼器的直流稳压模块得到有源阻尼器输出电流的基波参考值；
[0034]
将输出电流的谐波参考值与基波参考值相加，再通过电流闭环系统得到有源阻尼器的调制信号。
[0035]
优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，所述虚拟电阻分频控制策略的表达式为：
[0036][0037]
上式中，r
vn
为n倍频率虚拟电阻数值；r
ref
为虚拟电阻参考值u
pcchn
为经过指定次谐波电压分离策略后得到的n倍频谐波电压大小，u
lim
为谐波电压允许上限。
[0038]
优选的，在上述一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法中，有源阻尼器的最小容量表示为：
[0039][0040]
上式中，s
min
为有源阻尼器最小设计容量；λ
h_max
为公共连接点中可能出现的电压总谐波畸变率最大值；r
min
为有源阻尼器等效虚拟电阻最小值。
[0041]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法，光伏逆变器集群并联接入弱电网时，多台光伏逆变器与电网之间相互耦合会构成一个复杂的高阶网络。当光伏逆变器输出的谐波电流频率与谐振频率相同时，光伏逆变器集群系统会发生谐波谐振，严重时甚至可能危及控制系统稳定性。通过在公共连接点处并联接入有源阻尼器的方式，重塑光伏逆变器集群系统的输出阻抗，同时，通过引入自适应分频控制策略可以根据公共连接点处各次谐波电压含量调节不同频率段虚拟电阻数值，从而更有效的抑制光伏逆变器集群系统的谐波谐振问题，减少公共连接点处电压谐波从而提高系统的稳定性。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0043]
图1为本发明提供的光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法的流程图；
[0044]
图2为本发明提供的指定次谐波电压分离策略结构示意图；
[0045]
图3为本发明提供的虚拟电阻下垂曲线；
[0046]
图4为本发明提供的含有源阻尼器的光伏逆变器集群结构图；
[0047]
图5为本发明提供的含有源阻尼器的光伏逆变器集群模型；
[0048]
图6为本发明提供的传统的有源阻尼控制方法示意图；
[0049]
图7为本发明提供的自适应分频控制策略示意图；
[0050]
图8为本发明提供的虚拟电阻自适应调节算法示意图；
[0051]
图9为本发明提供的分频控制电流控制器；
[0052]
图10为本发明提供的电流控制器伯德图；
[0053]
图11为本发明提供的采用电容电流反馈控制的lcl型光伏逆变器；
[0054]
图12为本发明提供的未加入有源阻尼器时公共连接点电压波形；
[0055]
图13为本发明提供的加入有源阻尼器后公共连接点电压波形
[0056]
图14为本发明提供的加入有源阻尼器后暂态过程；
[0057]
图15为本发明提供的未加入有源阻尼器时电压谐波畸变率；
[0058]
图16为本发明提供的加入有源阻尼器后电压谐波畸变率。
具体实施方式
[0059]
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。
[0060]
如图1所示，本发明实施例公开了一种光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法，包括：
[0061]
s1、构建数学模型，基于数学模型对光伏逆变器集群系统的谐振特性进行分析；
[0062]
s2、根据光伏逆变器集群系统的谐振特性在公共母线处接入有源阻尼器，重塑光伏逆变器集群系统的阻抗特性，增加谐振频率处阻尼电阻；
[0063]
s3、在s2的基础上引入自适应分频控制策略，使有源阻尼器分频控制各频段阻尼电阻大小。
[0064]
有源阻尼器与有源电力滤波器工作原理类似。有源阻尼器通过对输出电流的反馈控制模拟阻抗的外特性，达到校正并网逆变器输出阻抗的目的。含有源阻尼器的光伏逆变器集群结构图如图4所示。光伏集群中n台光伏逆变器与有源阻尼器接入公共连接点。其中ug为电网电压，ig为光伏逆变器集群并网电流，zg为电网阻抗。l1和l2分别为桥臂侧滤波电感和网侧滤波电感，c为逆变器滤波电容。u
dc
为有源阻尼器电容电压。有源阻尼器需要检测公共母线的谐波分量。并根据谐波电压和虚拟电导大小控制其输出电流。通过电压闭环控制用于稳定电容电压u
dc
，并通过控制算法将有源阻尼器等效为一虚拟电导，if为有源阻尼器输出电流，输出电流中包含基波成分和谐波成分。当虚拟电导较大时，有源阻尼器能较好抑制光伏逆变器集群的谐振，但这会增加有源阻尼器的容量。
[0065]
一个包含有源阻尼器的光伏逆变器集群结构如图5所示，图中n台光伏逆变器与一台有源阻尼器接于公共节点。公共节点通过线路阻抗zg连接大电网。z
inv_i
为逆变器输出阻抗；ug为电网电压；rv和gv分别为虚拟电阻和虚拟电导。
[0066]
传统有源阻尼器控制方法如图6所示。控制方法需要提取电压电流中的谐波分量，该专利采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。得到逆变器输出交流电的谐波分量后，通过算法可以求出逆变器需要输出的电流大小。经过反馈控制即可以实现对虚拟阻抗外特性的模拟。由于有源阻尼器中的开关器件在运行时需要消耗能量。所以，在运行过程中控制系统还要吸收网侧电能以维持有源阻尼器的稳定运行。该过程可以通过对逆变器直流侧电容电压进行反馈控制实现。
[0067]
下面对上述光伏逆变器集群谐振有源阻尼分频控制方法做进一步详细描述。
[0068]
s1构建数学模型的过程具体如下：
[0069]
将光伏逆变器集群分为电源子系统和负载子系统，其中，电源子系统采用诺顿等效电路表示，负载子系统采用一个负载阻抗表示；该光伏逆变器集群系统可用反映子模块频域端口特性
‑‑
输出/输入阻抗进行描述：
[0070]
采用叠加定理得出公共节点电压，表达式如下：
[0071]
上式可以改进为：
[0072][0073]
其中，u
pcc
(s)表示公共节点电压，i
sk
(s)表示光伏逆变器集群中第i台逆变器的电流指令，tm(s)为光伏逆变器集群系统的最小环路增益，zg(s)表示电网阻抗，z
inv_p
(s)表示光伏逆变器集群系统的总输出阻抗，ug(s)表示电网电压；当光伏逆变器集群系统的最小环路增益tm(s)满足奈奎斯特稳定性判据时，则光伏逆变器集群系统是稳定的。
[0074]
若单台光伏逆变器在电网阻抗zg(s)＝0的情况下是稳定的，那么式中括号部分就是稳定的。
[0075]
由阻抗分析法可知，当且仅当系统等效环路增益tm(s)满足奈奎斯特稳定性判据时，光伏逆变器集群系统是稳定的。从以上的分析可知，光伏逆变器集群系统并入电网时，系统不因谐波谐振而失去稳定性的条件为：
[0076]
条件一：电网阻抗zg(s)＝0时或光伏逆变器集群系统并入强电网时；
[0077]
条件二：光伏逆变器集群系统最小增益tm(s)(即电网阻抗与光伏逆变器集群系统总输出阻抗的比值)满足奈奎斯特判据。此时，电网阻抗zg(s)与光伏逆变器集群系统总输出阻抗z
inv_p
(s)的幅频特性曲线不存在交截；或者电网阻抗zg(s)与光伏逆变器输出阻抗z
inv_p
(s)的幅频特性曲线存在交截，但是交截频率f
int
处的相位裕度为正。相位裕度可以表示为：
[0078]
pm＝180
°‑
[∠zg(j2πf
int
)-∠z
inv_p
(j2πf
int
)]；
[0079]
上式中，j表示虚部。
[0080]
s2中，在公共母线处接入有源阻尼器等效于在公共母线处并联接入一电阻，且电阻仅能通过谐波电流，基波处电阻值为无穷大；通过控制器计算出有源阻尼器的输出电流为i
abc
，当i
abc
与接入谐波电阻时的输出电流相同时，则认为有源阻尼器被等效为一个虚拟电阻，光伏逆变器集群系统的阻尼得到了增加。
[0081]
其中，重塑光伏逆变器集群系统的阻抗特性，包括：
[0082]
基于公共节点电压，得到有源阻尼器的调制信号；
[0083]
根据调制信号对有源阻尼器进行反馈控制，使有源阻尼器模拟阻抗外特性，重塑光伏逆变器集群系统的阻抗特性。
[0084]
如图7所示，s3中的自适应分频控制策略包括两个策略。有源阻尼器通过控制算法使输出电流趋近于参考值，实现对阻抗外特性的模拟。阻尼谐振所需能量从公共连接点处获取，对直流侧电容电压进行反馈控制，使直流侧电容电压稳定在700v左右，维持有源阻尼器的稳定运行。
[0085]
策略一为：引入指定次谐波电压分离策略，从公共母线三相电压中分离出不同频
率的谐波电压信号；指定次谐波电压分离策略的如图2所示，其原理为使dq坐标轴按照指定频率旋转，该频率电压分量在坐标轴上的投影为直流分量，而其他频率的投影为交流分量。通过低通滤波滤去交流分量，再经反park变换即得到了指定频率处的谐波电压大小。
[0086]
策略二为：引入虚拟电阻分频控制策略，根据谐波电压信号的数值，对不同频率的虚拟电阻进行分频控制。虚拟电阻分频控制策略如图8所示，当谐波电压含量较大时，光伏逆变器集群谐波谐振问题比较严重，需将较小的阻尼电阻接入系统以提升阻尼效果。为进一步提高谐振抑制效果，可对不同频率虚拟电阻分频控制。据虚拟电阻下垂曲线可求出各次谐波电阻数值，虚拟电阻分频控制策略的表达式为：
[0087][0088]
上式中，r
vn
为n倍频率虚拟电阻数值；r
ref
为虚拟电阻参考值u
pcchn
为经过指定次谐波电压分离策略后得到的n倍频谐波电压大小，u
lim
为谐波电压允许上限。虚拟电阻下垂曲线如图3所示。
[0089]
根据中国电能质量相关标准当谐波电压含量较大大于3％时，光伏逆变器集群谐波谐振问题比较严重，需将较小的阻尼电阻接入系统以提升阻尼效果。为进一步提高谐振抑制效果，需对不同频率虚拟电阻分频控制。据虚拟电阻下垂曲线可得到各次谐波电阻数值，从而更有效的抑制系统谐波谐振。有源阻尼器通过模拟电阻的外特性达到抑制光伏逆变器集群系统谐波谐振的目的。据此特点，有源阻尼器的最小容量可以表示为。
[0090][0091]
上式中，s
min
为有源阻尼器最小设计容量；λ
h_max
为公共连接点中可能出现的电压总谐波畸变率最大值；r
min
为有源阻尼器等效虚拟电阻最小值。
[0092]
由于光伏逆变器集群系统输出电流有一定的随机性和波动性，且受外界因素影响较大。所以，光伏逆变器集群系统可能处于电流跳变或电压跳变的动态过程中。通常，λ
h_max
取值远大于电网总谐波畸变率上限，本发明实施例中取λ
h_max
为10％；u
pcc
取0.38kv；r
min
取10ω；
[0093]
在s3中自适应分频控制策略下，s2中调制信号的具体获得过程为：
[0094]
测量公共母线公共节点电压大小u
abc
；
[0095]
通过指定次谐波电压分离策略将不同次谐波信号相互分离得到谐波电压u
habc
；
[0096]
将谐波电压u
habc
与给定的电阻值rv相除得到输出电流的谐波参考值；
[0097]
通过有源阻尼器的直流稳压模块得到有源阻尼器输出电流的基波参考值；
[0098]
将输出电流的谐波参考值与基波参考值相加，再通过电流闭环系统得到有源阻尼器的调制信号。
[0099]
由内模原理可知，在线性定常系统中如果要实现对任意形式参考输入信号的的无静差跟踪，其反馈回路必须包含一个与参考信号相同的动力学模型。为了实现对不同频率信号的无静差控制，电流控制器采用广义积分pi控制器。
[0100]
该控制器传递函数为
[0101][0102]
式中，k
p
为比例控制系数；kr为谐振积分控制的系数；ω0为电网基波频率；ωc能够影响控制器的带宽。
[0103]
电流控制器控制框图如图9所示。该控制器在特定次谐波频率处有较高增益，能实现对不同频率处输出电流的反馈控制，图中n＝1,2,...。考虑到光伏逆变器集群系统公共连接点处谐波电压主要以奇次谐波的形式出现，在控制器中n只取奇次数值。
[0104]
分频控制电流控制器伯德图如图10所示。可见该控制器在特性次谐波频率处有较高增益，能够实现对该频率电流的跟踪控制。
[0105]
下面结合仿真来验证本发明提供的控制方法的正确性。
[0106]
在matlab/simulink中对文中提出的有源阻尼器控制方法进行验证。仿真模型采用离散模型，模型中采用双线性变换处理连续模型与离散模型之间的转换，采样时间选择10-7
s，光伏逆变器集群系统中包括两台光伏逆变器。光伏逆变器采用电容电流反馈的控制策略，其硬件电路及控制方法如图11所示。有源阻尼器控制方法如图7所示。
[0107]
为验证有源阻尼器对光伏逆变器集群系统谐波谐振抑制效果。首先光伏逆变器集群系统在电网阻抗rg＝1.1ω；lg＝1.1mh环境下并网发电，公共连接点电压波形如图12所示。
[0108]
从图12可以看出，公共连接电压u
pcc
谐波含量较大。光伏逆变器集群系统存在明显的谐波谐振问题。这会对光伏逆变器集群系统的电能质量产生不良影响。
[0109]
仿真中设置有源阻尼器在0.2s时并联接入公共连接点。可看出当有源阻尼器并联接入公共连接点后，光伏逆变器集群系统电压波形得到明显的改善。加入有源阻尼器后公共连接点电压波形如图13所示：
[0110]
有源阻尼器并联接入公共连接点后暂态过程如图14所示。有源阻尼器在0.2s时并联接入公共连接点。从图中可以看出有源阻尼器能够在半周期内进入稳定状态，暂态过程较短，控制回路快速性较好。
[0111]
未加入有源阻尼器时电压谐波畸变率如15所示。光逆变器集群系统公共连接点处存在明显的谐波分量。谐波主要以奇次谐波为主，偶次谐波含量较少，总谐波畸变率达到了9.73％。奇次谐波主要出现在650hz频率附近。可判断光伏逆变器集群系统在650hz频率附近发生了谐波谐振问题。光伏逆变器集群系统电能质量较差。
[0112]
加入有源阻尼器后电压谐波畸变率如图16所示。可见加入有源阻尼器后，电能质量得到了明显改善。电压总谐波畸变率由加入有源阻尼器前的9.73％降至1.57％。光伏逆变器集群系统的谐波谐振问题得到了明显的改善。
[0113]
从以上分析可以看出本发明提供的有源阻尼器的自适应分频控制策略可以减少光伏集群系统的谐振风险。所以在公共母线处接入一台的有源阻尼器为电网提供阻尼，可以抑制集群谐振的产生。
[0114]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。
[0115]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。