CN115579951A - 多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，属于电气工程领域。本发明针对逆变器随机即插即用和电网阻抗波动等不确定情况导致的逆变器控制性能下降，甚至***变得不稳定的问题，通过设计一种基于端口受控哈密尔顿结构的非线性观测器，在引入该观测器后仍旧满足无源性和稳定性条件的同时，解决参数摄动、未建模误差及逆变器即插即用等不确定因素和非线性变化带的无源控制性能下降的问题；并采用基于电网阻抗辨识的自适应动态阻尼控制，通过根据预先定义的非线性曲线设置阻尼，以确保多逆变器电站的整体动态性能且无需通信的问题。本发明实施简单，实现了多逆变器电站分布式协同稳定控制，提高了多逆变器电站的电网适应性。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程领域，更具体的，涉及一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法、控制装置以及新能源电站。
背景技术
大力发展可再生能源，减少温室气体排放，建设环境友好型国家对我国的国家能源安全、环境改善、经济可持续发展等具有非常重要的意义。风力发电、光伏等可再生能源发电作为最具备大规模开发及应用前景的发电方式，技术日趋成熟，逐渐被广泛应用。然而，随着风电、光伏等可再生能源并网发电***装机容量的不断增大，一方面，在电源侧，因为风光的不确定，逆变器存在即插即用的运行特性，电网结构/参数呈现非线性变化；另一方面，在电网侧，因为新能源电站一般建于电网末端，电网阻抗、电压等参量呈现出大幅波动特性，给新能源并网***的控制性能带来了巨大挑战。挑战之一是现有并网逆变器的控制通常基于线性理论设计的比例积分控制器，针对既定电网结构/参数具有良好的稳定性，一旦应用到电网特性非线性变化等不确定场景时，其适应能力不足所引发的小信号稳定性问题，表现为电网中电压/电流等电气量的宽频振荡。已有研究表明：在多机接入及电网特性发生变化时，电力电子设备之间及其与电网之间的交互作用是宽频振荡的主因。
有源阻尼器是抑制宽频振荡的有效方法，它通常安装在多逆变器电厂的共同耦合点。它的容量是由发电厂的规模决定的，而发电厂的规模是很大的。因此，这种解决方案的成本很高。另一种方法是为每个逆变器设计合适的稳定控制技术，以提供额外的振荡阻尼，如有源阻尼和虚拟阻抗技术。然而，这种设计在具有固定结构和参数的预定电网中更有效。由于逆变器随机即插即用和电网阻抗波动等不确定的情况，逆变器控制性能将恶化，甚至***变得不稳定。
并网逆变器的无源控制是另一种能够为多逆变器电站提供稳定性控制的技术，它考虑到了控制器的设计与能量重塑。当几个具有基于无源性理论进行控制设计的子***并联形成一个大***时，可以利用其无源性来保证整个***的稳定性。因此，只要单个逆变器的控制器是由无源性理论设计的，许多这样并联的并网逆变器将保持无源性和稳定性。
目前，针对基于无源性的并网逆变器稳定性控制方法，既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，例如：
1)曾正、杨欢等人发表于2012年《电网技术》第36卷第4期上的《基于无源哈密尔顿***理论的LC滤波并网逆变器控制》一文。该文提出了一种逆变器无源哈密尔顿***数学模型，该方案从***无源性的角度提出参考电流生成算法，具有静态、动态响应能力和谐波抑制能力。
2)李敏和徐群发表于2014年《电力***及其自动化学报》第26卷第4期上的《基于IDA-PBC的LCL滤波并网逆变器控制》一文。该文提出了LCL滤波三相并网逆变器的端口受控耗散哈密顿数学模型，然后提出了一种基于互联与阻尼配置的无源控制策略，从理论上保证了闭环***的渐进稳定。
3)黄敏、陈凡等人发表于2022年《电机与控制学报》第26卷第3期上的《弱电网下无锁相环的并网逆变器无源控制策略》一文。该文针对高电网阻抗下的弱电网场景，采用一种无锁相环的无源控制器，具有更好的稳定性、抗干扰能力。
4)中国专利文献CN 111355257 A于2020年6月30日公开公告的《一种弱电网下光伏并网逆变器无源准PR控制方法》，通过分析弱电网下单相全桥逆变器单相并网逆变器的能量关系，得到逆变器***的误差能量存储方程变化率，从而通过阻尼参数来调节误差能量存储方程的变化速率，从而实现了无源控制。
5)发表于2018年第21届国际电机和***国际会议的“Liu Guihua,Wang Wenxiu,Zhu Xiaohui,Wang Wei,Improved passivity-based control method of grid-connected PV inverter in weak grids”,2018International Conference onElectrical Machines and Systems,2018,11(8)：2144.(“弱电网中基于无源性的光伏并网逆变器改进控制方法”)，该文献提出了基于准PR控制方法的改进的无源控制方法，实现适用于高电网阻抗场景下的改进无源控制方法。
然而，这类方法存在这样的不足：无源控制本身是一种基于模型的方案，针对既定的并网逆变器和电网结构/参数进行设计，严重依赖于精确的***数学模型。考虑到实际运行时并网逆变器硬件主电路滤波器参数摄动、线路及开关损耗、甚至传感器测量误差都是不确定性参数，而这些参数在实际中往往难以准确获知，并且会随时间发生变化；而且，随着电网规模越来越大、网架结构越来越复杂，并且设备的即插即用导致也将导致电网结构/参数呈现非线性变化和不确定性，同样难以精确建模。现有的无源控制方案往往假定电网为单机无穷大***，不会发生并网对象参数和结构的变化。因此，模型参数的不确定性、外部干扰和被控对象的结构变化都可能降低其性能。针对参数不确定性和扰动问题，中国专利文献CN 109004669 B于2018年12月14日授权公告的《基于干扰观测器补偿的三相并网逆变器改进无源控制方法》提出通过干扰观测器进行输出补偿，抑制了参数摄动、未建模误差及扰动等不确定因素对稳态/动态响应特性的影响，从而提高了无源控制器的鲁棒性。然而，这篇发明所提出的非线性状态观测器是额外引入的环节，并不能保证其引入无源控制器之后是否仍旧可以保证***的无源性和稳定性。类似的，2018年5月11日公开公告的《一种风电场并网的无源控制方法》的中国专利文献CN108021719A，提出通过采用积分补偿的无源控制方法消除出现大干扰或参数不准确时引发的稳态误差。但是，该方案引入了积分器环节，将会引起逆变器的动态响应特性恶化，且同样存在积分器引入无源控制器之后是否仍旧可以保证***的无源性和稳定性的问题。
除了由于逆变器随机即插即用和电网阻抗波动等不确定导致的逆变器控制性能将恶化问题之外，现有无源控制方案一旦从单台逆变器扩展到多逆变器电站时，将存在协同多个逆变器的动态性能的问题。考虑到逆变器的即插即用特性，保证多逆变器电站***级振荡阻尼特性非常重要。因为即使单个逆变器具有完美的阻尼特性，也很难保证整个电站的动态性能。在这种情况下，逆变器之间的相互协同是必要的。
目前，针对基于无源性的并网逆变器在多逆变器之间实现协同控制的技术，可以通过多个逆变器之间的通信来实现，但其性能受到通信带宽的限制。例如，发表于2016年4月IEEE电力电子学汇刊的“Y.Han,H.Li,P.Shen,E.A.A.Coelho,and J.M.Guerrero,"Review of active and reactive power sharing strategies in hierarchicalcontrolled microgrids,"IEEE Trans.Power Electron.,vol.32,no.3,pp.2427-2451,Mar.2016.(“分层控制微电网的有功和无功功率均分策略综述”)，该文章提出指出现有的协同控制通常是在慢速动态要求的条件下应用的，如多个逆变器之间的功率调度，对于快速振荡阻尼的应用，因为所需带宽太高，导致基于通信的协同控制很难发挥作用。协同控制另一类方法是直接利用本地测量信息，提前设定协作规则，实现多个逆变器之间的相互协同，表现出分布式控制特性，称为分布式协同控制。例如，发表于2007年9月IEEE电力电子学汇刊的“T.Lee and P.Cheng,"Design of a new cooperative harmonic filteringstrategy for distributed generation interface converters in an islandingnetwork,"IEEE Trans.Power Electron.,vol.22,no.5,pp.1919-1927,Sep.2007.(“一种新型的孤岛网络中分布式发电接口转换器的协同谐波滤波策略的设计”)，该文献提出在每个逆变器的谐波电导指令和谐波无功功率消耗量之间建立下垂关系，以无需通信的形式分担谐波滤波的能力。但是，从本质上讲，该方法本质仍是线性方案，当并联逆变器的数量在非线性即插即用的情况下随机变化时，同样很难提供令人满意的性能，存在抑制非线性宽频振荡失效的问题。
综上所述，现有技术存在以下问题：
(1)在多机接入及电网特性发生变化时，电力电子设备之间及其与电网之间的交互作用引发宽频振荡，现有方案提出的有源阻尼器、有源阻尼和虚拟阻抗技术针对固定电网结构或参数设计，无法应对逆变器随机即插即用和电网阻抗波动等不确定情况；
(2)现有文献提出的逆变器无源控制方案依赖于精确已知的逆变器滤波器等模型参数，且假定电网为既定结构和参数，在弱联并网多逆变器***即插即用和电网特性非线性变化下将导致的逆变器控制性能下降。为此，现有文献提出引入干扰观测器、积分器补偿无源控制的参数不确定性，但是现有文献不能保证额外引入的干扰观测器、积分器引入无源控制器之后是否仍旧可以保证***的无源性和稳定性；
(3)现有文献提出的基于通讯的多逆变器协同控制对于快速振荡阻尼的应用，因为所需带宽太高，导致其很难发挥作用；而现有分布式协同控制本质仍是线性方案，当并联逆变器的数量在非线性即插即用的情况下随机变化时，同样很难提供令人满意的性能，存在抑制非线性宽频振荡失效的问题。
(4)现有文献方案均未涉及通过设计一种基于端口受控哈密尔顿结构的非线性观测器，在引入该观测器后仍旧满足无源性和稳定性条件的同时，解决参数摄动、未建模误差及逆变器即插即用等不确定因素和非线性变化带的无源控制性能下降的问题。
(5)现有的多逆变器协同控制的文献均未涉及采用基于电网阻抗辨识的自适应动态阻尼控制，通过根据预先定义的非线性曲线设置阻尼，以确保多逆变器电站的整体动态性能且无需通信的问题。
发明内容
为克服上述各种技术方案的局限性，本发明针对逆变器随机即插即用和电网阻抗波动等不确定情况导致的逆变器控制性能下降，甚至***变得不稳定的问题，提出一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法、控制装置以及新能源电站。该控制方法通过设计一种基于端口受控哈密尔顿结构的非线性观测器，在引入该观测器后仍旧满足无源性和稳定性条件的同时，解决参数摄动、未建模误差及逆变器即插即用等不确定因素和非线性变化带的无源控制性能下降的问题；并采用基于电网阻抗辨识的自适应动态阻尼控制，通过根据预先定义的非线性曲线设置阻尼，以确保多逆变器电站的整体动态性能且无需通信的问题。本发明实施简单，实现了多逆变器电站分布式协同稳定控制，提高了多逆变器电站的电网适应性。
本发明的目的是这样实现的。本发明提出了一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，所述多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法的步骤如下：
步骤1，对逆变器电压和电流进行采样，计算得到状态变量矩阵x；
步骤2，将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
步骤3，将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到自适应动态协同环路，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式；
步骤4，根据步骤2和步骤3得到的状态变量观测值
外部扰动矩阵估计值
以及阻尼系数ra，将其输入到无源控制环路，得到***控制律u。
优选地，所述步骤1的步骤如下：
步骤1.1，采集公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，采集逆变器侧电流iLa、iLb、iLc，采集逆变器直流电压udc；
步骤1.2，根据步骤1.1采集的公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量uPCCd、uPCCq；将公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc经过锁相环锁相得到公共耦合点电压相角θ；
公共耦合点电压三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
公共耦合点电压相角θ的计算公式为：
其中，ω0为公共耦合点电压的角频率，Kp_PLL为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_PLL为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；
步骤1.3，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1.1采集的逆变器侧电流iLa、iLb、iLc转化为两相旋转坐标系下的逆变器侧电流dq分量iLd和iLq；
输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
步骤1.4，根据步骤1.1和步骤1.3分别得到的逆变器直流电压udc和逆变器侧电流dq分量iLd和iLq，计算得到状态变量矩阵x，即：
其中，Cdc为逆变器的直流侧电容。
优选地，所述步骤2的步骤如下：
步骤2.1，建立并网的逆变器在两相旋转坐标系中的数学模型：
其中，ud、uq，ugd、ugq，iLd、iLq，md、mq分别为逆变器桥输出电压、电网电压、逆变器电感电流，以及开关调制的d轴和q轴分量，且有ud＝mdudc、uq＝mqudc，idc为直流电流，Cdc为直流侧电容，L为滤波电感，ω为额定角频率，r为线路等效阻尼电阻，udc是直流电压；
步骤2.2，根据步骤2.1，建立以并网的逆变器为控制对象的端口受控哈密顿模型，即：
其中，x表示状态变量矩阵，J(x)为互联矩阵，R(x)为耗散矩阵，H(x)为哈密顿函数，u为***控制律，gu(x)为输入矩阵，ξ为扰动矩阵；
步骤2.3，根据步骤2.1和步骤2.2，定义互连矩阵J(x)和耗散矩阵R(x)为：
定义输入矩阵gu(x)和***控制律u为：
定义哈密顿函数H(x)为：
其中，Q＝diag[L,L,1]；
定义扰动矩阵ξ为：
ξ＝[-ugd/L,-ugq/L,-udcidc]T
步骤2.4，根据步骤2.3中定义的扰动矩阵ξ，得到引入逆变器即插即用带来的外部扰动后的扰动矩阵ξ为：
ξ＝ge(x)Ue+gρ(x)ρ
其中，ρ＝[ρvd,ρvq,ρi]T是外部扰动矩阵；Ue＝[-ugd,-ugq,udcidc]T是外部扰动输入矩阵，上标T表示矩阵转置；ge(x)＝gρ(x)＝diag[1/L,1/L,1]是系数矩阵，diag表示对角矩阵；
步骤2.5，建立引入交流侧电压干扰和直流侧电流干扰参数后的外部扰动向量后的端口受控哈密顿形式的模型，即：
步骤2.6，定义基于端口受控哈密顿形式的非线性观测器环路，并将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到该非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
该非线性观测器环路的表达式为：
其中，xd为状态变量矩阵x的稳态值；k1、k2分别表示所述的非线性观测器的增益，且满足
上标T表示矩阵转置；Hd(x)为闭环哈密顿函数，且为
优选地，所述步骤3的步骤如下：
步骤3.1，建立基于无源控制的电流内环连续域模型，即：
其中，ugd0、ugq0为逆变器并网点电压稳态值；e1＝x1-x1d，e2＝x2-x2d，x1和x2分别为所述状态变量矩阵x中的前两个元素，即：iLd和iLq；x1d和x2d分别为x1和x2的稳态值；
步骤3.2，建立基于无源控制的电流内环离散域模型，即：
Gc(z)＝[(ra+r)Ts+(1-z-1)L]/Ts
其中，ra是阻尼系数；
步骤3.3，建立逆变器桥臂侧电压到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
其中，
a＝(LωrTs+LgsinωrTs)/(ωrL(Lg+L))，b＝(LωrTscosωrTs+LgsinωrTs)/(LωrTs+LgsinωrTs)，
Lg为电网电感，Cf为滤波电容，Ts为采样频率，s为拉普拉斯算子；
步骤3.4，根据步骤3.2和步骤3.3，建立逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
G(z)＝z-1Gc(z)Guz(z)/(1+z-1Gc(z)Guz(z))
步骤3.5，根据步骤3.4，得到阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Ac(z-1)＝1-(2cosωrTs+1)z-1
+((2cosωrTs+1)+a(ra+r)+aL/Ts)z-2
+(-1-2a(ra+r)b-2abL/Ts-aL/Ts)z-3
+(a(ra+r)+aL/Ts+2abL/Ts)z-4-aL/Tsz-5
步骤3.6，根据步骤3.5，设置期望的阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Am(z-1)＝1+am1z-1+am2z-2+am3z-3+am4z-4+am5z-5
步骤3.7，根据步骤3.5和步骤3.6，设置Am(z-1)＝Ac(z-1)，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式，即：ra＝f(Lg)。
优选地，所述步骤4的步骤如下：
步骤4.1，构建期望的互连矩阵Jd(x)和期望的耗散矩阵Rd(x)分别为：
其中，
其中，K是用于保证***控制律u有唯一解的引入参数；
步骤4.2，建立期望的***无源控制闭环环路方程为：
其中，Ued＝[-ugd0,-ugq0,udc0idc0]T是外部扰动输入矩阵Ued的稳态值；
步骤4.3，根据步骤2和步骤3得到的状态变量观测值
外部扰动矩阵估计值
以及阻尼系数ra，将其输入到步骤4.2中建立的期望的***无源控制闭环环路方程中，得到***控制律u。
本发明实施例还提供一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置，所述多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置包括：
采样矩阵模块，用于对逆变器电压和电流进行采样，计算得到状态变量矩阵x；
观测估计模块，用于将所述状态变量矩阵x输入到非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
阻尼电感关系模块，用于将所述状态变量矩阵x输入到自适应动态协同环路，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式；
***控制率模块，用于将所述状态变量观测值
所述外部扰动矩阵估计值
以及所述阻尼系数ra，输入到无源控制环路，得到***控制律u。
优选地，所述采样矩阵模块具体用于实现以下步骤：
步骤1.1，采集公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，采集逆变器侧电流iLa、iLb、iLc，采集逆变器直流电压udc；
步骤1.2，根据步骤1.1采集的公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量uPCCd、uPCCq；将公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc经过锁相环锁相得到公共耦合点电压相角θ；
公共耦合点电压三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
公共耦合点电压相角θ的计算公式为：
其中，ω为公共耦合点电压的角频率，Kp_PLL为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_PLL为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；
步骤1.3，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1.1采集的逆变器侧电流iLa、iLb、iLc转化为两相旋转坐标系下的逆变器侧电流dq分量iLd和iLq；
输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
步骤1.4，根据步骤1.1和步骤1.3分别得到的逆变器直流电压udc和逆变器侧电流dq分量iLd和iLq，计算得到状态变量矩阵x，即：
其中，Cdc为逆变器的直流侧电容。
优选地，所述观测估计模块具体用于实现以下步骤：
步骤2.1，建立并网的逆变器在两相旋转坐标系中的数学模型：
其中，ud、uq，ugd、ugq，iLd、iLq，md、mq分别为逆变器桥输出电压、电网电压、逆变器电感电流，以及开关调制的d轴和q轴分量，且有ud＝mdudc、uq＝mqudc，idc为直流电流，Cdc为直流侧电容，L为滤波电感，ω为额定角频率，r为线路等效阻尼电阻，udc是直流电压；
步骤2.2，根据步骤2.1，建立以并网的逆变器为控制对象的端口受控哈密顿模型，即：
其中，x表示状态变量矩阵，J(x)为互联矩阵，R(x)为耗散矩阵，H(x)为哈密顿函数，u为***控制律，gu(x)为输入矩阵，ξ为扰动矩阵；
步骤2.3，根据步骤2.1和步骤2.2，定义互连矩阵J(x)和耗散矩阵R(x)为：
定义输入矩阵gu(x)和***控制律u为：
定义哈密顿函数H(x)为：
其中，Q＝diag[L,L,1]；
定义扰动矩阵ξ为：
ξ＝[-ugd/L,-ugq/L,-udcidc]T
步骤2.4，根据步骤2.3中定义的扰动矩阵ξ，得到引入逆变器即插即用带来的外部扰动后的扰动矩阵ξ为：
ξ＝ge(x)Ue+gρ(x)ρ
其中，ρ＝[ρvd,ρvq,ρi]T是外部扰动矩阵；Ue＝[-ugd,-ugq,udcidc]T是外部扰动输入矩阵，上标T表示矩阵转置；ge(x)＝gρ(x)＝diag[1/L,1/L,1]是系数矩阵，diag表示对角矩阵；
步骤2.5，建立引入交流侧电压干扰和直流侧电流干扰参数后的外部扰动向量后的端口受控哈密顿形式的模型，即：
步骤2.6，定义基于端口受控哈密顿形式的非线性观测器环路，并将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到该非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
该非线性观测器环路的表达式为：
其中，xd为状态变量矩阵x的稳态值；k1、k2分别表示所述的非线性观测器的增益，且满足
上标T表示矩阵转置；Hd(x)为闭环哈密顿函数，且为
优选地，所述阻尼电感关系模块具体用于实现以下步骤：
步骤3.1，建立基于无源控制的电流内环连续域模型，即：
其中，ugd0、ugq0为逆变器并网点电压稳态值；e1＝x1-x1d，e2＝x2-x2d，x1和x2分别为所述状态变量矩阵x中的前两个元素，即：iLd和iLq；x1d和x2d分别为x1和x2的稳态值；
步骤3.2，建立基于无源控制的电流内环离散域模型，即：
Gc(z)＝[(ra+r)Ts+(1-z-1)L]/Ts
其中，ra是阻尼系数；
步骤3.3，建立逆变器桥臂侧电压到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
其中，
a＝(LωrTs+LgsinωrTs)/(ωrL(Lg+L))，b＝(LωrTscosωrTs+LgsinωrTs)/(LωrTs+LgsinωrTs)，
Lg为电网电感，Cf为滤波电容，Ts为采样频率，s为拉普拉斯算子；
步骤3.4，根据步骤3.2和步骤3.3，建立逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
G(z)＝z-1Gc(z)Guz(z)/(1+z-1Gc(z)Guz(z))
步骤3.5，根据步骤3.4，得到阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Ac(z-1)＝1-(2cosωrTs+1)z-1
+((2cosωrTs+1)+a(ra+r)+aL/Ts)z-2
+(-1-2a(ra+r)b-2abL/Ts-aL/Ts)z-3
+(a(ra+r)+aL/Ts+2abL/Ts)z-4-aL/Tsz-5
步骤3.6，根据步骤3.5，设置期望的阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Am(z-1)＝1+am1z-1+am2z-2+am3z-3+am4z-4+am5z-5
步骤3.7，根据步骤3.5和步骤3.6，设置Am(z-1)＝Ac(z-1)，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式，即：ra＝f(Lg)。
优选地，所述***控制率模块具体用于实现以下步骤：
步骤4.1，构建期望的互连矩阵Jd(x)和期望的耗散矩阵Rd(x)分别为：
其中，
其中，K是用于保证***控制律u有唯一解的引入参数；
步骤4.2，建立期望的***无源控制闭环环路方程为：
其中，Ued＝[-ugd0,-ugq0,udc0idc0]T是外部扰动输入矩阵Ued的稳态值；
步骤4.3，根据步骤2和步骤3得到的状态变量观测值
外部扰动矩阵估计值
以及阻尼系数ra，将其输入到步骤4.2中建立的期望的***无源控制闭环环路方程中，得到***控制律u。
本发明实施例还提出一种新能源电站，所述新能源电站包括：多个逆变器；
多个所述逆变器基于如上任一所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法投用运行。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明提出三种控制环路相互配合，实施方式简便有效，实现了多逆变器电站分布式协同稳定控制，提高了多逆变器电站的电网适应性。
2、本发明提出无源控制环路是单台并网逆变器的基础控制器，从能量重构的角度设计保证了***的无源性，扩展到多逆变器电站时保证了整个***的无源性和稳定性。
3、本发明设计的基于端口受控哈密尔顿结构的非线性观测器环路，在引入该观测器后仍旧满足无源性和稳定性条件的同时，可以解决参数摄动、未建模误差及逆变器即插即用等不确定因素和非线性变化带的无源控制性能下降的问题。
4、本发明通过基于电网阻抗辨识的自适应动态阻尼控制环路，根据预先定义的非线性曲线设置阻尼，确保多逆变器电站的整体动态性能且无需通信的问题，不会增加***的成本、体积和***损耗。
附图说明
图1为本发明所采用的多逆变器新能源电站拓扑结构示意图；
图2为本发明提出的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法的原理图；
图3为本发明提出的基于电网阻抗辨识的自适应动态阻尼控制环路的阻尼非线性曲线示意图；
图4为不考虑电网阻抗时d轴电网电流阶跃指令iLdref、阶跃响应iLd及所提非线性观测器输出值的仿真波形；
图5为电网阻抗等于0.1p.u.时，采用本发明下的d轴电网电流阶跃指令iLdref、阶跃响应iLd的仿真波形；
图6为电网阻抗等于1p.u.时，采用本发明下的d轴电网电流阶跃指令iLdref、阶跃响应iLd的仿真波形；
图7为电网阻抗等于5p.u.时，采用本发明下的d轴电网电流阶跃指令iLdref、阶跃响应iLd的仿真波形；
图8为电网阻抗等于5p.u.时，采用本发明下的三相并网电流阶跃响应仿真波形；
图9为电网阻抗等于5p.u.时，采用传统比例积分线性控制策略的三相并网电流阶跃响应仿真波形。
具体实施方式
本发明的实施例提供了一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，以解决现有技术存在的逆变器随机即插即用和电网阻抗波动等不确定的情况，逆变器控制性能将恶化，甚至***变得不稳定的问题，通过设计一种基于端口受控哈密尔顿结构的非线性观测器，在引入该观测器后仍旧满足无源性和稳定性条件的同时，解决参数摄动、未建模误差及逆变器即插即用等不确定因素和非线性变化带的无源控制性能下降的问题；并采用基于电网阻抗辨识的自适应动态阻尼控制，通过根据预先定义的非线性曲线设置阻尼，以确保多逆变器电站的整体动态性能且无需通信的问题。本发明实施简单，实现了多逆变器电站分布式协同稳定控制，提高了多逆变器电站的电网适应性。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明所采用的多逆变器新能源电站拓扑结构示意图如图1所示。该多逆变器新能源电站拓扑结构由多台相同的并网逆变器组成，多逆变器***中并网逆变器的数量为n，n为正整数，且n>1；每台并网逆变器拓扑结构包括直流侧电容Cdc、三相桥式逆变拓扑、逆变器侧电感L、滤波电容Cf、线路等效阻尼电阻r、网侧电感L2、滤波器通过公共耦合点PCC与带有电网阻抗Zg的三相电网相连，rg为电网阻抗Zg的阻性分量，Lg为电网阻抗Zg的感性分量。本实施例中，Cdc＝600μF，L＝2.5mH，Cf＝36μF，r＝0.15Ω，rg＝0，L2＝0.1mH，Lg＝1mH。
图2为本发明提出的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法的原理图。由图2可见，本发明实施例中控制方法的步骤如下：
步骤1，对逆变器电压和电流进行采样，计算得到状态变量矩阵x；
步骤2，将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
步骤3，将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到自适应动态协同环路，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式；
步骤4，将步骤2和步骤3得到的状态变量观测值
外部扰动矩阵估计值
以及阻尼系数ra，输入到无源控制环路，得到***控制律u。
所述步骤1的步骤如下：
步骤1.1，采集公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，采集逆变器侧电流iLa、iLb、iLc，采集逆变器直流电压udc。
步骤1.2，根据步骤1.1采集的公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量uPCCd、uPCCq；将公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc经过锁相环锁相得到公共耦合点电压相角θ。
公共耦合点电压三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
公共耦合点电压相角θ的计算公式为：
其中，ω为公共耦合点电压的角频率，Kp_PLL为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_PLL为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子。在本发明实施例中，ω＝314rad/s，Kp_PLL＝2000，Ki_PLL＝1。
步骤1.3，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1.1采集的逆变器侧电流iLa、iLb、iLc转化为两相旋转坐标系下的逆变器侧电流dq分量iLd和iLq。
输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
步骤1.4，根据步骤1.1和步骤1.3分别得到的逆变器直流电压udc和逆变器侧电流dq分量iLd和iLq，计算得到状态变量矩阵x，即：
其中，Cdc为逆变器的直流侧电容。
所述步骤2的步骤如下：
步骤2.1，建立并网的逆变器在两相旋转坐标系中的数学模型：
其中，ud、uq，ugd、ugq，iLd、iLq，md、mq分别为逆变器桥输出电压、电网电压、逆变器电感电流，以及开关调制的d轴和q轴分量，且有ud＝mdudc、uq＝mqudc，idc为直流电流，Cdc为直流侧电容，L为滤波电感，ω为额定角频率，r为线路等效阻尼电阻，udc是直流电压。
步骤2.2，根据步骤2.1，建立以并网的逆变器为控制对象的端口受控哈密顿模型，即：
其中，x表示状态变量矩阵，J(x)为互联矩阵，R(x)为耗散矩阵，H(x)为哈密顿函数，u为***控制律，gu(x)为输入矩阵，ξ为扰动矩阵。
步骤2.3，根据步骤2.1和步骤2.2，定义互连矩阵J(x)和耗散矩阵R(x)为：
定义输入矩阵gu(x)和***控制律u为：
定义哈密顿函数H(x)为：
其中，Q＝diag[L,L,1]；
定义扰动矩阵ξ为：
ξ＝[-ugd/L,-ugq/L,-udcidc]T
步骤2.4，根据步骤2.3中定义的扰动矩阵ξ，得到引入逆变器即插即用带来的外部扰动后的扰动矩阵ξ为：
ξ＝ge(x)Ue+gρ(x)ρ
其中，ρ＝[ρvd,ρvq,ρi]T是外部扰动矩阵；Ue＝[-ugd,-ugq,udcidc]T是外部扰动输入矩阵，上标T表示矩阵转置；ge(x)＝gρ(x)＝diag[1/L,1/L,1]是系数矩阵，diag表示对角矩阵。
步骤2.5，建立引入交流侧电压干扰和直流侧电流干扰参数后的外部扰动向量后的端口受控哈密顿形式的模型，即：
步骤2.6，定义基于端口受控哈密顿形式的非线性观测器环路，并将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到该非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
该非线性观测器环路的表达式为：
其中，xd为状态变量矩阵x的稳态值；k1、k2分别表示所述的非线性观测器的增益，且满足
上标T表示矩阵转置；Hd(x)为闭环哈密顿函数，且为
在本实施例中，定义非线性观测器估计误差和哈密顿函数H(x)之和作为李亚普诺夫函数V：
其中，
和
表示所述非线性观测器的估计误差矩阵。
计算李亚普诺夫函数V对时间的导数，即：
其中，
和
分别表示xd、εx和ερ对时间的导数，上标T表示矩阵转置。由于
因此引入所述非线性观测器后***能够满足李亚普诺夫稳定性条件。
所述步骤3的步骤如下：
步骤3.1，建立基于无源控制的电流内环连续域模型，即：
其中，ugd0、ugq0为逆变器并网点电压稳态值；e1＝x1-x1d，e2＝x2-x2d，x1和x2分别为所述状态变量矩阵x中的前两个元素，即：iLd和iLq；x1d和x2d分别为x1和x2的稳态值。
步骤3.2，建立基于无源控制的电流内环离散域模型，即：
Gc(z)＝[(ra+r)Ts+(1-z-1)L]/Ts
其中，ra是阻尼系数。
步骤3.3，建立逆变器桥臂侧电压到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
其中，
a＝(LωrTs+LgsinωrTs)/(ωrL(Lg+L))，b＝(LωrTscosωrTs+LgsinωrTs)/(LωrTs+LgsinωrTs)，
Lg为电网电感，Cf为滤波电容，Ts为采样频率，s为拉普拉斯算子。
步骤3.4，根据步骤3.2和步骤3.3，建立逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
G(z)＝z-1Gc(z)Guz(z)/(1+z-1Gc(z)Guz(z))
步骤3.5，根据步骤3.4，得到阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Ac(z-1)＝1-(2cosωrTs+1)z-1
+((2cosωrTs+1)+a(ra+r)+aL/Ts)z-2
+(-1-2a(ra+r)b-2abL/Ts-aL/Ts)z-3
+(a(ra+r)+aL/Ts+2abL/Ts)z-4-aL/Tsz-5
步骤3.6，根据步骤3.5，设置期望的阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Am(z-1)＝1+am1z-1+am2z-2+am3z-3+am4z-4+am5z-5
步骤3.7，根据步骤3.5和步骤3.6，设置Am(z-1)＝Ac(z-1)，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式，即：ra＝f(Lg)。
步骤3.7得到的表达式表明了电网阻抗Lg和无源控制器耗散矩阵的阻尼系数ra之间的非线性曲线。在本发明实施例中，图3为本发明提出的基于电网阻抗辨识的自适应动态阻尼控制环路的阻尼非线性曲线示意图。从图3可见，通过根据预先定义的非线性曲线设置阻尼，可确保多逆变器电站的整体动态性能且无需通信的问题。
所述步骤4的步骤如下：
步骤4.1，构建期望的互连矩阵Jd(x)和期望的耗散矩阵Rd(x)分别为：
其中，
其中，K是用于保证***控制律u有唯一解的引入参数。
步骤4.2，建立期望的***无源控制闭环环路方程为：
其中，Ued＝[-ugd0,-ugq0,udc0idc0]T是外部扰动输入矩阵Ued的稳态值。
步骤4.3，根据步骤2和步骤3得到的状态变量观测值
外部扰动矩阵估计值
以及阻尼系数ra，将其输入到步骤4.2中建立的期望的***无源控制闭环环路方程中，得到***控制律u。
图4给出了不考虑电网阻抗时d轴电网电流阶跃指令iLdref、阶跃响应iLd及所提非线性观测器输出值的仿真波形。从图4可见，并网电流响应能够快速跟踪指令信号，且采用的非线性观测器能够准确无误差得到相应的电流值。
图5、图6和图7分别为电网阻抗等于0.1p.u.、1p.u.和5p.u.时，采用本发明得到的d轴电网电流阶跃指令iLdref、阶跃响应iLd的仿真波形。对比图5、图6和图7可见：电网阻抗越大，基于无源性控制的并网逆变器电流阶跃响应的超调量越大，且调节时间越长，但***始终能够保证稳定运行。当电网阻抗等于5p.u.时，图8和图9分别给出了采用本发明下的三相并网电流阶跃响应仿真波形和采用传统比例积分线性控制策略的三相并网电流阶跃响应仿真波形。图8、图9中iLa、iLb、iLc分别表示A、B、C三相的并网电流。对比图8和图9可见，采用传统比例积分线性控制策略时，并网电流波形产生明显的谐波放大现象，而本发明所提控制策略则始终能够保证并网电流很好的质量。
对比图3～图9可见，本发明提出的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法可以有效解决现有技术存在的逆变器随机即插即用和电网阻抗波动等不确定情况导致的逆变器控制性能下降，甚至***变得不稳定的问题，有效提高了多逆变器电站的电网适应能力。
基于上述多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，本发明实施例还提出一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置，所述多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置包括：
采样矩阵模块，用于对逆变器电压和电流进行采样，计算得到状态变量矩阵x；
观测估计模块，用于将所述状态变量矩阵x输入到非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
阻尼电感关系模块，用于将所述状态变量矩阵x输入到自适应动态协同环路，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式；
***控制率模块，用于将所述状态变量观测值
所述外部扰动矩阵估计值
以及所述阻尼系数ra，输入到无源控制环路，得到***控制律u。
其中，采样矩阵模块、观测估计模块、阻尼电感关系模块以及***控制率模块各自具体实现步骤1～步骤4的方法，不多赘述。
基于上述多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，本发明实施例还提出一种新能源电站，所述新能源电站包括：多个逆变器；
多个所述逆变器基于如上述步骤1～步骤4任一所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法投用运行。
综上所述，本发明的控制方法，三种控制环路相互配合，实施方式简便有效，实现了多逆变器电站分布式协同稳定控制，提高了多逆变器电站的电网适应性；提出无源控制环路是单台并网逆变器的基础控制器，从能量重构的角度设计保证了***的无源性，扩展到多逆变器电站时保证了整个***的无源性和稳定性。设计的基于端口受控哈密尔顿结构的非线性观测器环路，在引入该观测器后仍旧满足无源性和稳定性条件的同时，可以解决参数摄动、未建模误差及逆变器即插即用等不确定因素和非线性变化带的无源控制性能下降的问题；通过基于电网阻抗辨识的自适应动态阻尼控制环路，根据预先定义的非线性曲线设置阻尼，确保多逆变器电站的整体动态性能且无需通信的问题，不会增加***的成本、体积和***损耗。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，其特征在于，所述多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法的步骤如下：
步骤1，对逆变器电压和电流进行采样，计算得到状态变量矩阵x；
步骤2，将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
步骤3，将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到自适应动态协同环路，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式；
步骤4，将步骤2和步骤3得到的状态变量观测值
外部扰动矩阵估计值
以及阻尼系数ra，输入到无源控制环路，得到***控制律u。
2.根据权利要求1所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，其特征在于，所述步骤1的步骤如下：
步骤1.1，采集公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，采集逆变器侧电流iLa、iLb、iLc，采集逆变器直流电压udc；
步骤1.2，根据步骤1.1采集的公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量uPCCd、uPCCq；将公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc经过锁相环锁相得到公共耦合点电压相角θ；
公共耦合点电压三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
公共耦合点电压相角θ的计算公式为：
其中，ω为公共耦合点电压的角频率，Kp_PLL为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_PLL为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；
步骤1.3，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1.1采集的逆变器侧电流iLa、iLb、iLc转化为两相旋转坐标系下的逆变器侧电流dq分量iLd和iLq；
输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
步骤1.4，根据步骤1.1和步骤1.3分别得到的逆变器直流电压udc和逆变器侧电流dq分量iLd和iLq，计算得到状态变量矩阵x，即：
其中，Cdc为逆变器的直流侧电容。
3.根据权利要求2所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，其特征在于，所述步骤2的步骤如下：
步骤2.1，建立并网的逆变器在两相旋转坐标系中的数学模型：
其中，ud、uq，ugd、ugq，iLd、iLq，md、mq分别为逆变器桥输出电压、电网电压、逆变器电感电流，以及开关调制的d轴和q轴分量，且有ud＝mdudc、uq＝mqudc，idc为直流电流，Cdc为直流侧电容，L为滤波电感，ω为额定角频率，r为线路等效阻尼电阻，udc是直流电压；
步骤2.2，根据步骤2.1，建立以并网的逆变器为控制对象的端口受控哈密顿模型，即：
其中，x表示状态变量矩阵，J(x)为互联矩阵，R(x)为耗散矩阵，H(x)为哈密顿函数，u为***控制律，gu(x)为输入矩阵，ξ为扰动矩阵；
步骤2.3，根据步骤2.1和步骤2.2，定义互连矩阵J(x)和耗散矩阵R(x)为：
定义输入矩阵gu(x)和***控制律u为：
定义哈密顿函数H(x)为：
其中，Q＝diag[L,L,1]；
定义扰动矩阵ξ为：
ξ＝[-ugd/L,-ugq/L,-udcidc]T
步骤2.4，根据步骤2.3中定义的扰动矩阵ξ，得到引入逆变器即插即用带来的外部扰动后的扰动矩阵ξ为：
ξ＝ge(x)Ue+gρ(x)ρ
其中，ρ＝[ρvd,ρvq,ρi]T是外部扰动矩阵；Ue＝[-ugd,-ugq,udcidc]T是外部扰动输入矩阵，上标T表示矩阵转置；ge(x)＝gρ(x)＝diag[1/L,1/L,1]是系数矩阵，diag表示对角矩阵；
步骤2.5，建立引入交流侧电压干扰和直流侧电流干扰参数后的外部扰动向量后的端口受控哈密顿形式的模型，即：
步骤2.6，定义基于端口受控哈密顿形式的非线性观测器环路，并将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到该非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
该非线性观测器环路的表达式为：
其中，xd为状态变量矩阵x的稳态值；k1、k2分别表示所述的非线性观测器的增益，且满足
上标T表示矩阵转置；Hd(x)为闭环哈密顿函数，且为
4.根据权利要求2所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，其特征在于，所述步骤3的步骤如下：
步骤3.1，建立基于无源控制的电流内环连续域模型，即：
其中，ugd0、ugq0为逆变器并网点电压稳态值；e1＝x1-x1d，e2＝x2-x2d，x1和x2分别为所述状态变量矩阵x中的前两个元素，即：iLd和iLq；x1d和x2d分别为x1和x2的稳态值；
步骤3.2，建立基于无源控制的电流内环离散域模型，即：
Gc(z)＝[(ra+r)Ts+(1-z-1)L]/Ts
其中，ra是阻尼系数；
步骤3.3，建立逆变器桥臂侧电压到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
其中，
a＝(LωrTs+LgsinωrTs)/(ωrL(Lg+L))，b＝(LωrTscosωrTs+LgsinωrTs)/(LωrTs+LgsinωrTs)，
Lg为电网电感，Cf为滤波电容，Ts为采样频率，s为拉普拉斯算子；
步骤3.4，根据步骤3.2和步骤3.3，建立逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
G(z)＝z-1Gc(z)Guz(z)/(1+z-1Gc(z)Guz(z))
步骤3.5，根据步骤3.4，得到阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Ac(z-1)＝1-(2cosωrTs+1)z-1+((2cosωrTs+1)+a(ra+r)+aL/Ts)z-2+(-1-2a(ra+r)b-2abL/Ts-aL/Ts)z-3+(a(ra+r)+aL/Ts+2abL/Ts)z-4-aL/Tsz-5
步骤3.6，根据步骤3.5，设置期望的阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Am(z-1)＝1+am1z-1+am2z-2+am3z-3+am4z-4+am5z-5
步骤3.7，根据步骤3.5和步骤3.6，设置Am(z-1)＝Ac(z-1)，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式，即：ra＝f(Lg)。
5.根据权利要求4所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法，其特征在于，所述步骤4的步骤如下：
步骤4.1，构建期望的互连矩阵Jd(x)和期望的耗散矩阵Rd(x)分别为：
其中，
其中，K是用于保证***控制律u有唯一解的引入参数；
步骤4.2，建立期望的***无源控制闭环环路方程为：
其中，Ued＝[-ugd0,-ugq0,udc0idc0]T是外部扰动输入矩阵Ued的稳态值；
步骤4.3，根据步骤2和步骤3得到的状态变量观测值
外部扰动矩阵估计值
以及阻尼系数ra，将其输入到步骤4.2中建立的期望的***无源控制闭环环路方程中，得到***控制律u。
6.一种多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置，其特征在于，所述多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置包括：
采样矩阵模块，用于对逆变器电压和电流进行采样，计算得到状态变量矩阵x；
观测估计模块，用于将所述状态变量矩阵x输入到非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
阻尼电感关系模块，用于将所述状态变量矩阵x输入到自适应动态协同环路，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式；
***控制率模块，用于将所述状态变量观测值
所述外部扰动矩阵估计值
以及所述阻尼系数ra，输入到无源控制环路，得到***控制律u。
7.根据权利要求6所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置，其特征在于，所述采样矩阵模块具体用于实现以下步骤：
步骤1.1，采集公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，采集逆变器侧电流iLa、iLb、iLc，采集逆变器直流电压udc；
步骤1.2，根据步骤1.1采集的公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量uPCCd、uPCCq；将公共耦合点电压uPCCa、uPCCb、uPCCc经过锁相环锁相得到公共耦合点电压相角θ；
公共耦合点电压三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
公共耦合点电压相角θ的计算公式为：
其中，ω为公共耦合点电压的角频率，Kp_PLL为锁相环PI调节器的比例调节系数，Ki_PLL为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；
步骤1.3，根据步骤1.2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1.1采集的逆变器侧电流iLa、iLb、iLc转化为两相旋转坐标系下的逆变器侧电流dq分量iLd和iLq；
输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：
步骤1.4，根据步骤1.1和步骤1.3分别得到的逆变器直流电压udc和逆变器侧电流dq分量iLd和iLq，计算得到状态变量矩阵x，即：
其中，Cdc为逆变器的直流侧电容。
8.根据权利要求7所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置，其特征在于，所述观测估计模块具体用于实现以下步骤：
步骤2.1，建立并网的逆变器在两相旋转坐标系中的数学模型：
其中，ud、uq，ugd、ugq，iLd、iLq，md、mq分别为逆变器桥输出电压、电网电压、逆变器电感电流，以及开关调制的d轴和q轴分量，且有ud＝mdudc、uq＝mqudc，idc为直流电流，Cdc为直流侧电容，L为滤波电感，ω为额定角频率，r为线路等效阻尼电阻，udc是直流电压；
步骤2.2，根据步骤2.1，建立以并网的逆变器为控制对象的端口受控哈密顿模型，即：
其中，x表示状态变量矩阵，J(x)为互联矩阵，R(x)为耗散矩阵，H(x)为哈密顿函数，u为***控制律，gu(x)为输入矩阵，ξ为扰动矩阵；
步骤2.3，根据步骤2.1和步骤2.2，定义互连矩阵J(x)和耗散矩阵R(x)为：
定义输入矩阵gu(x)和***控制律u为：
定义哈密顿函数H(x)为：
其中，Q＝diag[L,L,1]；
定义扰动矩阵ξ为：
ξ＝[-ugd/L,-ugq/L,-udcidc]T
步骤2.4，根据步骤2.3中定义的扰动矩阵ξ，得到引入逆变器即插即用带来的外部扰动后的扰动矩阵ξ为：
ξ＝ge(x)Ue+gρ(x)ρ
其中，ρ＝[ρvd,ρvq,ρi]T是外部扰动矩阵；Ue＝[-ugd,-ugq,udcidc]T是外部扰动输入矩阵，上标T表示矩阵转置；ge(x)＝gρ(x)＝diag[1/L,1/L,1]是系数矩阵，diag表示对角矩阵；
步骤2.5，建立引入交流侧电压干扰和直流侧电流干扰参数后的外部扰动向量后的端口受控哈密顿形式的模型，即：
步骤2.6，定义基于端口受控哈密顿形式的非线性观测器环路，并将步骤1得到的状态变量矩阵x输入到该非线性观测器环路，得到状态变量观测值
和外部扰动矩阵估计值
该非线性观测器环路的表达式为：
其中，xd为状态变量矩阵x的稳态值；k1、k2分别表示所述的非线性观测器的增益，且满足
上标T表示矩阵转置；Hd(x)为闭环哈密顿函数，且为
9.根据权利要求7所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制装置，其特征在于，所述阻尼电感关系模块具体用于实现以下步骤：
步骤3.1，建立基于无源控制的电流内环连续域模型，即：
其中，ugd0、ugq0为逆变器并网点电压稳态值；e1＝x1-x1d，e2＝x2-x2d，x1和x2分别为所述状态变量矩阵x中的前两个元素，即：iLd和iLq；x1d和x2d分别为x1和x2的稳态值；
步骤3.2，建立基于无源控制的电流内环离散域模型，即：
Gc(z)＝[(ra+r)Ts+(1-z-1)L]/Ts
其中，ra是阻尼系数；
步骤3.3，建立逆变器桥臂侧电压到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
其中，
a＝(LωrTs+LgsinωrTs)/(ωrL(Lg+L))，b＝(LωrTscosωrTs+LgsinωrTs)/(LωrTs+LgsinωrTs)，
Lg为电网电感，Cf为滤波电容，Ts为采样频率，s为拉普拉斯算子；
步骤3.4，根据步骤3.2和步骤3.3，建立逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数为：
G(z)＝z-1Gc(z)Guz(z)/(1+z-1Gc(z)Guz(z))
步骤3.5，根据步骤3.4，得到阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Ac(z-1)＝1-(2cosωrTs+1)z-1+((2cosωrTs+1)+a(ra+r)+aL/Ts)z-2+(-1-2a(ra+r)b-2abL/Ts-aL/Ts)z-3+(a(ra+r)+aL/Ts+2abL/Ts)z-4-aL/Tsz-5
步骤3.6，根据步骤3.5，设置期望的阻尼系数ra相关的逆变器电流指令值到逆变器侧电流的离散域传递函数的特征方程为：
Am(z-1)＝1+am1z-1+am2z-2+am3z-3+am4z-4+am5z-5
步骤3.7，根据步骤3.5和步骤3.6，设置Am(z-1)＝Ac(z-1)，得到阻尼系数ra与电网电感Lg之间的关系式，即：ra＝f(Lg)。
10.一种新能源电站，其特征在于，所述新能源电站包括：多个逆变器；
多个所述逆变器基于如权利要求1-5任一所述的多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法投用运行。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211334773.4A CN115579951A (zh) | 2022-10-28 | 2022-10-28 | 多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211334773.4A CN115579951A (zh) | 2022-10-28 | 2022-10-28 | 多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115579951A true CN115579951A (zh) | 2023-01-06 |
Family
ID=84586430
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211334773.4A Pending CN115579951A (zh) | 2022-10-28 | 2022-10-28 | 多逆变器新能源电站分布式协同稳定控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115579951A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117526319A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-06 | 国网湖北省电力有限公司 | 抑制宽频振荡的多变流器协同控制方法及相关装置 |
-
2022
- 2022-10-28 CN CN202211334773.4A patent/CN115579951A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117526319A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-06 | 国网湖北省电力有限公司 | 抑制宽频振荡的多变流器协同控制方法及相关装置 |
| CN117526319B (zh) * | 2024-01-08 | 2024-03-26 | 国网湖北省电力有限公司 | 抑制宽频振荡的多变流器协同控制方法及相关装置 |
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