CN115133552B - 一种多逆变器并网***谐振实时自适应抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多逆变器并网***谐振实时自适应抑制方法，属于电网电能质量控制技术领域。该方法使用滑窗FFT算法获取并网电压的谐振信息，能够节省很多计算时间，保证谐振信息的实时检测效率。针对多逆变器并网***中谐振点的谐振频率f_h以及谐振分量在不断变化的情况，谐振抑制模块仅在谐振频率f_h处有较小增益，不影响其余频率处控制特性，并且通过谐振分量自适应函数G_A，根据电压谐振分量实时自适应谐振抑制模块的抑制程度，相较于结构确定的谐振抑制策略，该方法能够有效提升多逆变器并网***稳定性。

Description

一种多逆变器并网***谐振实时自适应抑制方法

技术领域

本发明涉及电网电能质量控制技术领域，尤其涉及新能源逆变器的控制技术及电力电子技术领域，具体是一种多逆变器并网***谐振实时自适应抑制方法。

背景技术

随着光伏发电、风力发电等新能源发电在电力***中占据越来越大的比重，发电单元与电网之间、多个发电单元之间的耦合程度不断增强，多逆变器***谐振的问题逐渐显现，在谐振频率处,较小的谐波电流会使电压发生严重的畸变，降低了其并网发电的能力和对用户供电的可靠性。此外，大量逆变器并联运行,会在逆变器内部、逆变器之间、逆变器和电网之间形成谐波谐振,发生***中存在多个谐振点的情况，且随着并联台数增加,谐振频率向着低频段偏移,极大加剧***的谐波谐振风险,进而可能引发***的谐振频率在不断变化。

为了抑制谐振频率处发生的并联谐振,国内外已有广泛研究,提出了无源阻尼法、有源阻尼法等谐振抑制方法,但无源阻尼法由于引入了物理元件,带来不必要的损耗；为了有效抑制逆变器谐振，一般采用有源阻尼策略,即通过控制算法增加逆变器阻尼来抑制谐振。目前，对于逆变器的谐振问题已有多篇学术论文以及专利进行研究，例如：

1、中国发明专利文献(公开号CN201811009265.2)于2018年12月11日公开的《一种弱网下多逆变器并网***的全局高频振荡抑制方法》，提出了一种引入公共节点PCC点电压全局变量和并网电流高频分量到逆变器控制环节，构造出并联逆变器在PCC处以及并联在逆变器输出滤波电容两端的虚拟电阻，可实现多逆变器***的高频振荡抑制，但是并未详细描述公共节点PCC点电压和并网电流高频分量的检测过程，并且其控制器参数为给定值，并未考虑谐振含量的对虚拟阻抗大小选择的问题。

2、中国发明专利文献(公开号CN202010318290.X)于2020年7月28日公开的《抑制光伏逆变器集群谐振的有源阻尼器自适应控制方法》，提出了一种根据母线出谐波电压含量调解虚拟电导的有源阻尼策略，从而用较小的容量抑制***的谐振，但是该专利通过并网逆变器的数学模型得到集群***谐振特性，提前设计好的有源阻尼结构只能抑制特定频率的谐振，不能很好的适应谐振不断变化的多机复杂情况。

综合以上文献，现有技术中存在以下不足：

1、现有的文献并未详细考虑公共节点PCC点电压和并网电流的谐振分量检测过程，针对多台逆变器并网的复杂情况，有必要研究并网电压电流信号中谐振分量的快速准确提取方法。

2、当多逆变器并联运行时，根据并网逆变器数学模型计算谐振频率的有源阻尼策略，未考虑电网状态变化时,***中谐振点的谐振频率以及谐振程度在不断变化的情况，有必要研究能够适应谐振的谐振抑制策略。

发明内容

为克服上述方案的局限性，本发明提出了一种多逆变器并网***谐振实时自适应抑制方法，该方法应用于高比例新能源发电***。使用滑窗FFT算法能够快速准确的提取并网电压电流信号中谐振分量，使得***快速响应并网信号中的谐振分量并进行相应的抑制策略；其次，根据谐振频率自适应调整谐振抑制环节，并且考虑谐振频率处的谐振含量，调节虚拟阻抗的大小。通过本方法能够快速获取并网信号中的谐振分量，有效抑制多逆变器并联谐振，提高多逆变器***的稳定性。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种多逆变器并网***谐振实时自适应抑制方法，应用该方法的多逆变器并网***为高比例新能源发电***，包含三相电网阻抗、三相电网和并联在公共耦合点处的N台拓扑结构相同的并网逆变器，N为大于1的整数；将N台并网逆变器中的任一个并网逆变器记为逆变器i，i＝1,2,…,N，所述逆变器i的主电路拓扑结构包括直流侧电压源、三相全桥逆变电路、三相LC滤波器，所述三相LC滤波器包括滤波电容C、滤波电感L₁和滤波电阻R_d；所述直流侧电压源与三相全桥逆变电路并联，三相全桥逆变电路的输出端与三相LC滤波器的一端相连，N台三相LC滤波器的另一端并联后接入公共耦合点PCC，并依次与三相电网阻抗和三相电网串联；

所述抑制方法在逆变器i的控制周期T内均进行一轮谐振检测与提取、并网控制计算、谐振自适应抑制计算，根据每台逆变器谐振频率调整谐振抑制策略的结构，对不断变化的谐振进行抑制，且考虑实时变化的谐波含量，自适应改变谐振抑制策略的抑制程度，具体步骤包括：

步骤1，给定采样频率f_s，采样一个控制周期T内由滤波器i流入公共耦合点PCC的三相电流，并将其中任意一个记为三相电流采样值I_PCC(t)，采样一个控制周期T内滤波电容C的输出端电压，并将其中任意一个记为三相电压采样值U_PCC(t)，t为控制周期T内的任一个采样时刻；将采样得到的所有三相电压采样值U_PCC(t)按照采样时刻的顺序存入一个三相电压序列Yu，其中每一个三相电压采样值U_PCC(t)作为三相电压序列Yu中的一个电压数据点；

步骤2，给定滑动窗口W_M，用滑动窗口W_M采集三相电压序列Yu中的一个片段并记为电压序列u_M(t)，电压序列u_M(t)定义为：

u_M(t)＝{U_PCC(t-M+1)，U_PCC(t-M+2)，…，U_PCC(t-1)，U_PCC(t)}

其中，M为电压序列u_M(t)中电压数据点的个数，U_PCC(t-M+1)为t-M+1时刻采样得到的三相电压采样值，U_PCC(t-M+2)为t-M+2时刻采样得到的三相电压采样值，U_PCC(t-1)为t-1时刻采样得到的三相电压采样值；

步骤3，电压序列u_M(t)经过傅里叶变换，得到t时刻的傅里叶变换值U_t(k)，其表达式为：

其中，k是傅里叶变换值的序号，k＝0,1,...M-1，j是柯西主值，m是电压序列u_M(t)中任一个数据点的序号，m＝0,2,...M-1；

步骤4，通过t时刻的傅里叶变换值U_t(k)得到逆变器i实时变化的谐振频率f_h和该谐振频率处的电压谐振分量其表达式为：

步骤5，通过实时变化的谐振频率f_h和该谐振频率处的电压谐振分量设计能够实时自适应谐振频率f_h的谐振抑制模块/>其表达式为：

式中，s为拉普拉斯算子，G_A为谐振分量自适应函数，U_n为逆变器i的额定电压，S为逆变器i的额定容量；

步骤6，求电流指令的谐振前馈分量其计算式为：

步骤7，通过电流控制得到逆变器i三相调制电压，并经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，具体实现过程包括：

1)对步骤1中得到的三相电压采样值U_PCC(t)经过双广义积分锁相环PLL得到公共耦合点PCC处的电压相角θ₁，然后对三相电流采样值I_PCC(t)和谐振前馈分量进行坐标变换，得到dq坐标系下的电流分量i_d、i_q和dq坐标系下的谐振前馈分量其坐标变换式分别为：

2)通过PI调节器得到dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq，其计算公式为：

式中，K_p为PI调节器的比例控制系数，K_i为PI调节器的积分控制系数，i_{d_ref}为给定的d轴电流分量参考值，i_{q_ref}为给定的q轴电流分量参考值；

3)对dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的调制电压U_m，其表达式为：

4)通过调制电压U_m进行SVPWM调制，生成并网逆变器功率器件的开关信号，控制三相全桥逆变电路，将电能输送到三相电网。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提供了一种多逆变器并网***谐振实时自适应抑制方法，通过滑窗FFT算法，以更高的速率获取并网点实时变化的谐振信息，能够节省很多计算时间，保证谐振信息的实时检测效率；

2、当多逆变器并联运行时，***中谐振点的谐振频率以及谐振程度在不断变化，本控制策略能根据谐振频率以及谐振程度实时自适应调节谐振抑制环节，相较于结构确定的谐振抑制策略，该方法能够有效提升多逆变器并网***稳定性。

附图说明

图1为应用本发明的高比例新能源发电***主电路拓扑图。

图2为含滑窗FFT算法的谐振实时自适应抑制结构图。

图3为电流控制型三相并网逆变器的谐振实时自适应抑制控制框图。

图4为工况1下未加入谐振抑制模块时的PCC电压波形和THD分析。

图5为工况1下加入谐振抑制模块时的PCC电压波形和THD分析。

图6为工况2下未加入谐振抑制模块时的PCC电压波形和THD分析。

图7为工况2下加入谐振抑制模块时的PCC电压波形和THD分析。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1为应用本发明的高比例新能源发电***主电路拓扑图，由图1可见，应用该方法的多逆变器并网***为高比例新能源发电***，包含三相电网阻抗、三相电网和并联在公共耦合点处的N台拓扑结构相同的并网逆变器，N为大于1的整数。将N台并网逆变器中的任一个并网逆变器记为逆变器i，i＝1,2,…,N，所述逆变器i的主电路拓扑结构包括直流侧电压源、三相全桥逆变电路、三相LC滤波器，所述三相LC滤波器包括滤波电容C、滤波电感L₁和滤波电阻R_d；所述直流侧电压源与三相全桥逆变电路并联，三相全桥逆变电路的输出端与三相LC滤波器的一端相连，N台三相LC滤波器的另一端并联后接入公共耦合点PCC，并依次与三相电网阻抗和三相电网串联。

在图1中，10为直流侧电压源，20为三相全桥逆变电路，30为三相LC滤波器，40为三相电网阻抗，50为三相电网。

图2为含滑窗FFT算法的谐振实时自适应抑制结构图，图3为电流控制型三相并网逆变器的谐振实时自适应抑制控制框图。由图2和图3可见，所述抑制方法在逆变器i的控制周期T内均进行一轮谐振检测与提取、并网控制计算、谐振自适应抑制计算，根据每台逆变器谐振频率调整谐振抑制策略的结构，对不断变化的谐振进行抑制，且考虑实时变化的谐波含量，自适应改变谐振抑制策略的抑制程度，具体步骤包括：

步骤1，给定采样频率f_s，采样一个控制周期T内由滤波器i流入公共耦合点PCC的三相电流，并将其中任意一个记为三相电流采样值I_PCC(t)，采样一个控制周期T内滤波电容C的输出端电压，并将其中任意一个记为三相电压采样值U_PCC(t)，t为控制周期T内的任一个采样时刻；将采样得到的所有三相电压采样值U_PCC(t)按照采样时刻的顺序存入一个三相电压序列Yu，其中每一个三相电压采样值U_PCC(t)作为三相电压序列Yu中的一个电压数据点；

步骤2，给定滑动窗口W_M，用滑动窗口W_M采集三相电压序列Yu中的一个片段并记为电压序列u_M(t)，电压序列u_M(t)定义为：

u_M(t)＝{U_PCC(t-M+1)，U_PCC(t-M+2)，…，U_PCC(t-1)，U_PCC(t)}

其中，M为电压序列u_M(^t)中电压数据点的个数，U_PCC(t-M+1)为t-M+1时刻采样得到的三相电压采样值，U_PCC(t-M+2)为t-M+2时刻采样得到的三相电压采样值，U_PCC(t-1)为t-1时刻采样得到的三相电压采样值；

步骤3，电压序列u_M(t)经过傅里叶变换，得到t时刻的傅里叶变换值U_t(k)，其表达式为：

其中，k是傅里叶变换值的序号，k＝0,1,...M-1，j是柯西主值，m是电压序列u_M(t)中任一个数据点的序号，m＝0,2,...M-1；

步骤4，通过t时刻的傅里叶变换值U_t(k)得到逆变器i实时变化的谐振频率f_h和该谐振频率处的电压谐振分量其表达式为：

步骤5，通过实时变化的谐振频率f_h和该谐振频率处的电压谐振分量设计能够实时自适应谐振频率f_h的谐振抑制模块/>其表达式为：

式中，s为拉普拉斯算子，G_A为谐振分量自适应函数，U_n为逆变器i的额定电压，S为逆变器i的额定容量；

步骤6，求电流指令的谐振前馈分量其计算式为：

步骤7，通过电流控制得到逆变器i三相调制电压，并经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，具体实现过程包括：

1)对步骤1中得到的三相电压采样值U_PCC(t)经过双广义积分锁相环PLL得到公共耦合点PCC处的电压相角θ₁，然后对三相电流采样值I_PCC(t)和谐振前馈分量进行坐标变换，得到dq坐标系下的电流分量i_d、i_q和dq坐标系下的谐振前馈分量其坐标变换式分别为：

2)通过PI调节器得到dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq，其计算公式为：

式中，K_p为PI调节器的比例控制系数，K_i为PI调节器的积分控制系数，i_{d_ref}为给定的d轴电流分量参考值，i_{q_ref}为给定的q轴电流分量参考值；

3)对dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的调制电压U_m，其表达式为：

4)通过调制电压U_m进行SVPWM调制，生成并网逆变器功率器件的开关信号，控制三相全桥逆变电路，将电能输送到三相电网。

在本实施例中，K_p＝25，K_i为＝1000。

为了佐证本发明的有益效果，对本发明进行了仿真。

图4和图6为不同工况下未加入谐振抑制策略时的PCC电压波形和THD分析，不同工况分别对应不同短路容量比，工况1的电网阻抗为Lg＝8.8mH；工况二的电网阻抗为Lg＝2.2mH。可以看出PCC电压波形发生明显畸变，工况1时并网逆变器在340Hz处发生谐振，THD为33.23％，工况2时并网逆变器在590Hz处发生谐振，THD为32.2％。

应用后本发明提供的谐振实时自适应抑制方法后，图5和图7为两种工况下的PCC电压波形和THD分析，公共母线上电压谐振含量明显降低，不同频率处的谐振得到明显抑制。

Claims (1)

1.一种多逆变器并网***谐振实时自适应抑制方法，应用该方法的多逆变器并网***为高比例新能源发电***，包含三相电网阻抗、三相电网和并联在公共耦合点处的N台拓扑结构相同的并网逆变器，N为大于1的整数；将N台并网逆变器中的任一个并网逆变器记为逆变器i，i＝1,2,...,N，所述逆变器i的主电路拓扑结构包括直流侧电压源、三相全桥逆变电路、三相LC滤波器，所述三相LC滤波器包括滤波电容C、滤波电感L₁和滤波电阻R_d；所述直流侧电压源与三相全桥逆变电路并联，三相全桥逆变电路的输出端与三相LC滤波器的一端相连，N台三相LC滤波器的另一端并联后接入公共耦合点PCC，并依次与三相电网阻抗和三相电网串联；

其特征在于，所述抑制方法在逆变器i的控制周期T内均进行一轮谐振检测与提取、并网控制计算、谐振自适应抑制计算，根据每台逆变器谐振频率调整谐振抑制策略的结构，对不断变化的谐振进行抑制，且考虑实时变化的谐波含量，自适应改变谐振抑制策略的抑制程度，具体步骤包括：

步骤1，给定采样频率f_s，采样一个控制周期T内由滤波器i流入公共耦合点PCC的三相电流，并将其中任意一个记为三相电流采样值I_PCC(t)，采样一个控制周期T内滤波电容C的输出端电压，并将其中任意一个记为三相电压采样值U_PCC(t)，t为控制周期T内的任一个采样时刻；将采样得到的所有三相电压采样值U_PCC(t)按照采样时刻的顺序存入一个三相电压序列Yu，其中每一个三相电压采样值U_PCC(t)作为三相电压序列Yu中的一个电压数据点；

步骤2，给定滑动窗口W_M，用滑动窗口W_M采集三相电压序列Yu中的一个片段并记为电压序列u_M(t)，电压序列u_M(t)定义为：

u_M(t)＝{U_PCC(t-M+1)，U_PCC(t-M+2)，…，U_PCC(t-1)，U_PCC(t)}

其中，M为电压序列u_M(t)中电压数据点的个数，U_PCC(t-M+1)为t-M+1时刻采样得到的三相电压采样值，U_PCC(t-M+2)为t-M+2时刻采样得到的三相电压采样值，U_PCC(t-1)为t-1时刻采样得到的三相电压采样值；

步骤3，电压序列u_M(t)经过傅里叶变换，得到t时刻的傅里叶变换值U_t(k)，其表达式为：

其中，k是傅里叶变换值的序号，k＝0,1,...M-1，j是柯西主值，m是电压序列u_M(t)中任一个数据点的序号，m＝0,2,...M-1；

步骤4，通过t时刻的傅里叶变换值U_t(k)得到逆变器i实时变化的谐振频率f_h和该谐振频率处的电压谐振分量其表达式为：

步骤5，通过实时变化的谐振频率f_h和该谐振频率处的电压谐振分量设计能够实时自适应谐振频率f_h的谐振抑制模块/>其表达式为：

式中，s为拉普拉斯算子，G_A为谐振分量自适应函数，U_n为逆变器i的额定电压，S为逆变器i的额定容量；

步骤6，求电流指令的谐振前馈分量其计算式为：

步骤7，通过电流控制得到逆变器i三相调制电压，并经过SVPWM调制生成并网逆变器功率器件的开关信号，具体实现过程包括：

1)对步骤1中得到的三相电压采样值U_PCC(t)经过双广义积分锁相环PLL得到公共耦合点PCC处的电压相角θ₁，然后对三相电流采样值I_PCC(t)和谐振前馈分量进行坐标变换，得到dq坐标系下的电流分量i_d、i_q和dq坐标系下的谐振前馈分量/>其坐标变换式分别为：

2)通过PI调节器得到dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq，其计算公式为：

式中，K_p为PI调节器的比例控制系数，K_i为PI调节器的积分控制系数，i_{d_ref}为给定的d轴电流分量参考值，i_{q_ref}为给定的q轴电流分量参考值；

3)对dq坐标系下的调制电压信号u_md和u_mq进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的调制电压U_m，其表达式为：

4)通过调制电压U_m进行SVPWM调制，生成并网逆变器功率器件的开关信号，控制三相全桥逆变电路，将电能输送到三相电网。