CN108023352A - 抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置，包括功率并网变流器和谐振阻抗控制器，谐振阻抗控制器包含谐振检测模块和谐振电流跟踪模块，所述谐振检测模块通过电压传感器检测PCC点电压u_pcc，将u_pcc经过预定电路处理得到谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^‑和谐振频率ω_r，所述谐振电流跟踪模块将u_pccr ⁺、u_pccr ^‑、谐振频率ω_r、PCC点电压u_pcc、直流电压U_dc按照预定电路处理得到控制功率并网变流器开关管通断的PWM脉冲信号，本发明在该并网公共连接点PCC处安装所述电网高频阻抗重塑装置，该装置通过检测PCC点谐振电压分量，经过含有等效阻尼电阻信息的谐振阻抗控制器获取变流器输出电流指令，控制变流器跟踪该指令值，产生虚拟可变的谐波阻抗从而实现电网谐波抑制。

Description

抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置及方法

技术领域

本发明涉及分布式发电谐波控制技术领域，尤其涉及一种抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置及方法。

背景技术

随着全球范围内能源危机和环境污染问题日益突出，以光伏发电、风力发电和水力发电为代表的可再生能源发电正在快速发展，在将来的能源组成中必将占据重要的地位。针对可能生能源分散性和随机性的分布特点，目前最为理想的选择是采用分布式发电(distributed generation，DG)技术。DG主要利用负荷周围的可再生能源，实现电力的就近消耗，具有输电损耗少、能源安全、环境友好、成本低等众多优点。考虑到DG单元输出的电能通常不能满足并网要求，需要通过并网逆变器才能与电网相连。DG***中的并网逆变器与电网相连，通常采用电流源并网方式，如果使用LC滤波器就会为电网注入开关次谐波，为减小注入电网电流的高频谐波，目前并网逆变器所采用的方法是使用LCL滤波器。但LCL存在两个谐振点，其谐振特性一方面受控制参数的影响，另一方面，随着DG单元容量的提高和渗透率的提升，电网成为相对弱电网，其背景谐波电压会通过电网阻抗与LCL滤波器的C发生谐振。

目前针对谐振抑制的研究主要集中于单台并网逆变器，主要分为以电容上串联电阻为主的无源阻尼和检测电容电流反馈进行阻抗虚拟的有源阻尼两大类。无源阻尼的方法是在滤波元件上串/并联电阻直接增加***阻尼，不需要增加传感器，也不需要改变控制算法。Dahono P A等最早分别在滤波电感L和滤波电容C上串/并联电阻实现了谐振抑制。在LCL滤波器的三个滤波元件上分别串或并联电阻，可以得到六种无源阻尼的方式，从阻尼特性、控制特性、滤波特性以及功率损耗的角度综合分析，滤波电容串联电阻的方案综合性能优于其他五种，实际工程中一般采用此种无源阻尼方式。为进一步减小阻尼电阻的功率损耗，改善对高频谐波的衰减能力，在电容串联电阻的基础上，Rockhill A A 等提出了一系列改进的措施，主要思路是利用电感和电容在低频和高频不同的阻抗特性，分别为低频和高频谐波电流提供低阻尼通路。随着无源元件数量和种类的增加，***的成本和体积也增大，通过一定的控制算法虚拟出一个并联电阻代替实际存在的阻尼电阻，则可以克服上述不足，这称之为有源阻尼方法。按照不同的有源阻尼思想将现有的方法分为三类：赵强松等提出的基于滤波器与电流调节器级联的有源阻尼、Zhou X等提出的基于***降阶的有源阻尼以及许津铭等提出的基于状态变量反馈的有源阻尼。对于状态变量反馈方法，由于电容电流比例反馈有易软件实现，且网侧电流反馈可实现单位功率因数控制，近年来，文献中研究最多的是电容电流比例反馈和并网电流反馈的双环控制策略。

然而随着并网发电规模的不断扩大，并网节点数的增多，因为分布式电源改变了配电网的等效阻抗、功率潮流和网络等效拓扑，区域性的高渗透率新能源并网发电主要接入配电网，***的结构特点是，多个并网逆变器并联在一个公共连接点(point of commoncoupling,PCC)，配电网中有多个这样的PCC点接入。假设某个PCC点有n台并网逆变器接入，则对于某一个PCC点的单台并网逆变器来说，电网等效阻抗增大了n倍，电网相对单台并网逆变器就成为弱电网，当由电网畸变引起的谐波电压u_pcch频率等于或接近阻抗网络的串联谐振频率时，会导致网络发生串联谐振或准谐振。因此，即使单台逆变器都能够满足并网标准，此变化的阻抗网络在并网逆变器的密度较高时仍会发生谐振情况。目前针对多并网逆变器运行的谐振抑制研究主要集中在建模和谐振机理分析上，鲜有提出有效的谐振抑制方法。He J、胡伟、许德志等将包含逆变器控制回路的并网逆变器等效为由一个受控电流源并联一个等效输出阻抗的诺顿等效电路，电网侧等效为一个电网电压串联电网阻抗的戴维南电路，并将该模型用于研究逆变器自身影响、逆变器的交互影响以及电网电压的影响。当由***非线性负载引起的谐波电流i_h频率等于或接近阻抗网络的并联谐振频率时，将导致网络发生并联谐振或准谐振。孙振奥等指出多逆变器之间正是通过电网阻抗产生交互影响，陈新、Yang D等从阻抗分析的角度出发，指出在逆变器侧阻抗与网侧阻抗大小相等而相位相差180°的频率处，此时若有频率匹配的谐波激励源，***最容易出现谐振现象。曾正等考虑重塑光伏并网逆变器的阻抗进行谐波谐振抑制，基波阻抗和高次谐波阻抗分开考虑，对于基波频率，不引入虚拟的电阻，故不影响其并网功率跟踪，对于谐波频段，引入逆变器侧电感串联虚拟电阻和滤波电容并联虚拟电阻进行输出阻抗重塑。

总之，目前对单机并网逆变器的谐振抑制研究比较成熟，而多机并联***中也是仅仅考虑并网逆变器本身的阻抗重塑，整个***的谐振抑制研究略显不足。在实际应用中，电网阻抗的存在使逆变器之间产生耦合，由此组成的谐振网络更加复杂，若不采取有效的抑制措施，可能会导致并网逆变器的无故障跳闹，甚至进一步引发连锁故障，从而影响配电网的电能质量和稳定运行。因此，探寻新型具有全局性特点的谐振抑制策略，发明一种适应高密度分布式发电谐振的抑制方法成为亟需解决的问题。

发明内容

有必要提出一种抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置。

还有必要提出一种利用抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置对电网高频阻抗进行重塑的方法。

一种抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置，包括功率并网变流器和谐振阻抗控制器，功率并网变流器包含一个三相半桥逆变电路，逆变桥的直流端并接一个电容，起稳压及无功交换作用，逆变桥的交流端通过电抗器和电容器滤波后，接入变压器，经变压器升压接到高压电网的PCC点；谐振阻抗控制器包含谐振检测模块和谐振电流跟踪模块，所述谐振检测模块通过电压传感器检测PCC点电压u_pcc，将u_pcc经过预定电路处理得到谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-和谐振频率ω_r，并将谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-和谐振频率ω_r提供至谐振电流跟踪模块，以作为谐振电流跟踪模块的输入量，所述谐振电流跟踪模块将u_pccr ⁺、u_pccr ^-、谐振频率ω_r、PCC点电压u_pcc、直流电压U_dc按照预定电路处理得到控制功率并网变流器开关管通断的PWM脉冲信号。

一种利用抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置对电网高频阻抗进行重塑的方法，包括以下步骤：

利用电压传感器检测PCC点电压u_pcc，将u_pcc经过abc/αβ变换、SOGI算法，得出谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-，将u_pcc经过锁频环FLL获取谐振频率ω_r；

利用基于同步参考系锁相环对PCC点电压u_pcc提取得到基波部分电流指令值的频率相位部分θ_f，将直流电压U_dc经过PI调节器控制输出基波部分电流指令值的幅值I_m，进而得到基波部分电流指令值

利用谐波阻抗算法对谐振频率ω_r进行运算，得到谐波模拟阻抗R_dref，再将R_dref与谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-按照欧姆定律运算得到谐波部分电流指令值i_r ^*；其中，所述谐波阻抗计算采用以下公式计算：

式中，R_d和R_dref分别为功率并网变流器等效的实际电阻和模拟电阻，ω_c为所述谐振阻抗控制器的带宽，由谐振阻抗控制器设定，设定满足ω_c覆盖谐振频率的附近的谐波，ω_r为谐振检测模块检测的谐振频率；

对求和预算后的基波部分电流指令值和谐波部分电流指令值i_r ^*与与功率并网变流器的实际输出电流i_abc进行比较，其差值经过PI控制器处理得到控制功率并网变流器开关管通断的PWM脉冲信号。

本发明中，在公共耦合点接入多个并网逆变器，在该并网公共连接点PCC 处安装一台本发明的电网高频阻抗重塑装置，该装置通过检测PCC点谐振电压分量，经过含有等效阻尼电阻信息的谐振阻抗控制器获取变流器输出电流指令，控制变流器跟踪该指令值，产生虚拟可变的谐波阻抗从而实现电网谐波抑制。电网高频阻抗重塑装置对谐振电流进行补偿，因而变流器的容量小、开关频率高，可以适应谐振频率变化范围大的情况，所使用的控制方案等效于在PCC点并联一个虚拟电阻，因而不产生功率损耗。由于在PCC点接入变流器以重塑电网高频阻抗的作用对象是多逆变器并联***，具有全局性优点。

附图说明

图1为本发明的装置在10kv高压电网中的多个PCC点接入示意图。

图2为本发明的装置电路结构图。

图3为谐振检测模块的电路结构图。

图4为谐振电流跟踪模块的电路结构图。

图5为在图1电网中的PCC1点为例，该点结构等效示意图。

图6为PCC1点电压波形。

图7为PCC1点电流波形。

图8为PCC1点检测出的谐振频率ω_r波形。

图9为电网高频阻抗重塑装置的输出电流i_r。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1至图4，本发明实施例提供了一种抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置，包括功率并网变流器和谐振阻抗控制器，谐振阻抗控制器包含谐振检测模块和谐振电流跟踪模块，如图2所示，对谐振频率处的谐波进行补偿，相当于引入了等效的阻尼电阻，从分布式并网变流器角度看来，电网的高频阻抗被重塑了。

(1)功率并网变流器

功率并网变流器包含一个三相半桥逆变电路，逆变桥的直流端并接一个电容，起稳压及无功交换作用；逆变桥的交流端通过电抗器和电容器滤波后，接入变压器，经变压器升压接到高压电网。本实施例中变流器模拟电网高频阻抗，输出功率较小，故而逆变桥中的功率开关器件采用MOSFET，满足其因模拟电网高频谐波阻抗所需的高开关频率。本实施例中LC滤波器为高带宽滤波器，电抗器和电容器的数量均为三个。

(2)谐振阻抗控制器

谐振阻抗控制器包含谐振检测模块和谐振电流跟踪模块。

1)谐振检测模块

谐振阻抗控制器在检测谐振频率处电压时应满足较高的精确性和快速性要求。本实施例采用基于SOGI-FLL的谐振频率、电压检测方法，可以实现对输入信号的自适应检测功能。谐振检测模块如图3所示，通过电压传感器检测PCC 点电压u_pcc，经过abc/αβ变换得到正交分量u_α、u_β，分别对u_α、u_β进行广义二阶积分，以u_α为例，SOGI部分对应的正交传递函数D(s)、Q(s)以及为误差传递函数E(s)分别为

其中，旋转因子q＝e^-j(π/2)将信号的相位滞后90°。可以看出，D(s)对应一个带通滤波器(BPF)，Q(s)对应一个低通滤波器(LPF)，E(s)对应一个陷波器。

根据对称分量法，任意一组不对称的三相电压可以分解为正序、负序和零序分量，本实施例中变流器采用三相半桥逆变电路，是三线制连接，输出电流只含正序和负序分量，因此，可只考虑αβ轴正序和负序电压分量，表达式如下

将αβ轴正序和负序电压分量进行αβ/abc坐标变换，可得出谐振电压分量 u_pccr ⁺、u_pccr ^-，并获取谐振频率ω_r。

锁频环FLL中，频率的误差ε_f定义为qu_αr乘以ε_uα与qu_βr乘以ε_uβ的和。当 SOGI谐振频率ω_r大于输入信号u_pcc的角频率ω时，ε_f平均值为正；当ω_r<ω时，ε_f平均值为负；当ω_r＝ω时，ε_f平均值为零，因此，采用一个带负增益(-γ)的积分，可以消除误差ε_f的直流分量，可实现SOGI谐振频率ω_r与输入信号u_pcc的角频率ω匹配。增益系数γ决定了自适应速度和与之对应的对输入信号频率的跟踪速度，一般对精确度与速度进行折中考虑γ的值。

本实施例中谐振检测模块输出的谐振频率和谐振电压分量作为谐振电流跟踪模块输入量。

2)谐振电流跟踪模块

谐振电流跟踪模块如图4所示，电流指令值i^*由基波部分电流指令值和谐波部分电流指令值i_r ^*叠加构成，其中，基波部分电流指令值的幅值由直流电压U_dc的PI控制器的输出给定，以实现稳压及无功交换功能。采用传统的基于同步参考系锁相环(synchronousreference frame phase-locked loop，SRF-PLL)，提取电网的基波频率相位θ_f，从而获得基波部分电流指令值的频率相位。

基波部分电流指令值的是一个正弦量，表达式为I_m ^*sin(θ_f)，其幅值部分 I_m ^*由直流电压U_dc的PI调节器输出给定，其频率相位部分由电网的基波频率相位θ_f给定。其中的U_dc ^*是直流电压U_dc的指令值，是谐振阻抗控制器程序软件设定值。因此，基波部分电流指令值是由θ_f的正弦运算和I_m ^*乘法运算得到的。

谐波电流指令值i_r ^*由谐波阻抗算法产生，实现在谐波频率段对特定阻抗的模拟，该部分的输入量为谐振检测模块输出的谐振频率ω_r和谐振电压分量u_pccr ⁺、 u_pccr ^-，谐波阻抗计算如下：

式中，R_d和R_dref分别为功率并网变流器等效的实际电阻和模拟电阻，ω_c为所述谐振阻抗控制器的带宽，由谐振阻抗控制器设定，设定满足ω_c覆盖谐振频率的附近的谐波，ω_r为谐振检测模块检测的谐振频率。

电流指令i^*与其实际输出电流i_abc进行比较，其差值经过PI控制器输出变流器逆变桥电压PWM调制波。本实施例的优点在于考虑了谐振频率变化时有源阻尼器的有效性，更加符合实际并网***的运行情况。

(3)实施案例仿真波形

以图1中的PCC1点为例，该点结构等效为图5所示，多个并网逆变器总的并网电流为i_pcc，PCC1点电压记为u_pcc，电网高频阻抗重塑器等效为R_d。在0.6s 时高频阻抗重塑器接入，相关仿真波形如图6-图9所示，图6所示为并网点电压波形，图7所示为总并网电流波形，图8所示为检测出的谐振频率ω_r，图9 所示为高频阻抗重塑器的输出电流i_r。在0.6s高频阻抗重塑器接入之前，并网点电压和电流波形有畸变，检测出的谐振频率为350Hz；接入高频阻抗重塑器之后，并网点电压和电流波形的畸变减小。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置，其特征在于：包括功率并网变流器和谐振阻抗控制器，功率并网变流器包含一个三相半桥逆变电路，逆变桥的直流端并接一个电容，起稳压及无功交换作用，逆变桥的交流端通过电抗器和电容器滤波后，接入变压器，经变压器升压接到高压电网的PCC点；谐振阻抗控制器包含谐振检测模块和谐振电流跟踪模块，所述谐振检测模块通过电压传感器检测PCC点电压u_pcc，将u_pcc经过预定电路处理得到谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-和谐振频率ω_r，并将谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-和谐振频率ω_r提供至谐振电流跟踪模块，以作为谐振电流跟踪模块的输入量，所述谐振电流跟踪模块将u_pccr ⁺、u_pccr ^-、谐振频率ω_r、PCC点电压u_pcc、直流电压U_dc按照预定电路处理得到控制功率并网变流器开关管通断的PWM脉冲信号。

2.如权利要求1所述的抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置，其特征在于：所述谐振检测模块包括谐振电压分量u_pccr ⁺生成电路、谐振电压分量u_pccr ^-生成电路、以及谐振频率ω_r生成电路，谐振电压分量u_pccr ^-生成电路包含abc/αβ变换、SOGI算法、对称分量电路，谐振电压分量u_pccr ⁺生成电路包含abc/αβ变换、SOGI算法、对称分量电路，以将输入电压u_pcc换算得到电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-，谐振频率ω_r生成电路包括锁频环FLL，以将SOGI算法的中间量运算得到谐振频率ω_r。

3.如权利要求1所述的抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置，其特征在于：所述谐振电流跟踪模块包括基波部分电流指令值生成电路和谐波部分电流指令值i_r ^*生成电路、以及PI控制器，基波部分电流指令值生成电路依据PCC点电压u_pcc和直流电压U_dc提取得到基波部分电流指令值谐波部分电流指令值i_r ^*生成电路依据u_pccr ⁺、u_pccr ^-和谐振频率ω_r计算得到谐波部分电流指令值i_r ^*，PI控制器将求和后的基波部分电流指令值和谐波部分电流指令值i_r ^*与实际输出电流i_abc运算得到控制功率并网变流器开关管通断的PWM脉冲信号。

4.一种利用如权利要求1-3之一所述的抑制分布式发电谐振的电网高频阻抗重塑装置对电网高频阻抗进行重塑的方法，其特征在于包括以下步骤：

利用电压传感器检测PCC点电压u_pcc，将u_pcc经过abc/αβ变换、SOGI算法，得出谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-，将u_pcc经过锁频环FLL获取谐振频率ω_r；

利用基于同步参考系锁相环对PCC点电压u_pcc提取得到基波部分电流指令值的频率相位部分θ_f，将直流电压U_dc经过PI调节器控制输出基波部分电流指令值的幅值I_m，进而得到基波部分电流指令值

利用谐波阻抗算法对谐振频率ω_r进行运算，得到谐波模拟阻抗R_dref，再将R_dref与谐振电压分量u_pccr ⁺、u_pccr ^-按照欧姆定律运算得到谐波部分电流指令值i_r ^*；其中，所述谐波阻抗计算采用以下公式计算：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>d</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，R_d和R_dref分别为功率并网变流器等效的实际电阻和模拟电阻，ω_c为所述谐振阻抗控制器的带宽，由谐振阻抗控制器设定，设定满足ω_c覆盖谐振频率的附近的谐波，ω_r为谐振检测模块检测的谐振频率；

对求和预算后的基波部分电流指令值和谐波部分电流指令值i_r ^*与与功率并网变流器的实际输出电流i_abc进行比较，其差值经过PI控制器处理得到控制功率并网变流器开关管通断的PWM脉冲信号。