一种下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法与流程

1.本发明涉及可再生能源发电技术领域，具体涉及一种下垂控制的三相并网 逆变器的稳定方法。


背景技术：

2.近年来，随着传统能源的枯竭和追求清洁能源的目的，风能、太阳能等可 再生能源大力发展。微电网中的可再生能源发电装置利用电力电子技术，通过 并网逆变器，将电能并入大电网。可再生能源发电装置容量不断增加，并网逆 变器的数量也与日俱增，对并网逆变器的控制就显得尤为重要。为了实现大量 并网逆变器并联，实现功率均分避免环流，在传统的电压电流双闭环的基础上， 提出了下垂控制方法。实现可再生能源发电装置与传统电网电能传输的前提是 并网逆变器能够稳定且高效的并网运行。
3.当前关于下垂控制的三相并网逆变器的稳定性研究，多采用特征值和阻抗 分析等方法。特征值法需要获取并网逆变器和电网的全部参数，才能建立系统 模型。其缺陷是一旦系统的参数发生变化，需要重新建立新系统的模型，使得 系统稳定性分析变得繁琐，也不便于优化系统参数，提高系统稳定性。对于本 发明的系统，时常会受到外部的干扰，所以需要对系统的参数进行优化，保持 系统的稳定性。因此，需要一种新的下垂控制的三相并网逆变器的稳定性判定 方法。阻抗分析法不仅简化了系统建模的过程—只需建立系统输出和输入的关 系，而不需系统内部的具体结构，而且优化参数后，不需要建立新的模型，更 便于系统的稳定性分析和提高。
4.多台并网逆变器的控制对于可再生能源的发展以及逆变器的推广和应用至 观重要。因此亟需突破下垂控制的并网逆变器稳定性控制，提高电网的稳定性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法，能 够有效实现下垂控制的并网逆变器并网后的稳定性判断与控制，且误差小，速 度快。
6.本发明采用阻抗建模方法，建立下垂控制的三相并网逆变器的阻抗模型， 为进一步的系统稳定性分析和参数优化提供理论依据。阻抗建模法相比于传统 的特征值法，不仅降低了建模的复杂度，而且更容易实现参数的优化。在实际 的并网逆变器中，具有很强的理论指导，可以广泛的应用于新能源并网系统的 稳定性分析和参数优化。
7.本发明的核心在于：根据谐波线性化阻抗建模方法，对下垂控制的三相并 网逆变器进行建模，得到阻抗模型z
pp
。大多数的三相并网逆变器仅仅采用电压 电流双闭环控制，未考虑下垂控制，使得建立的模型不完整。并且新能源并网 系统是通过下垂控制方法，实现对多台逆变器的统一控制。因此建立的阻抗模 型z
pp
可以为多台逆变器系统的阻抗建模和控制提供理论参考。
8.本发明的下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法，包括如下步骤：
9.步骤1，构建下垂控制的三相并网逆变器的阻抗模型z
pp
，
[0010][0011]
其中，v
p
为逆变器的并网点处的三相正序电压，i
p
为逆变器的并网点处的 三相正序电流；
[0012]
步骤2，根据奈奎斯特稳定性判据，判断当前逆变器并网系统的z
g/zpp
频域 曲线的稳定裕度是否大于最小系统稳定裕度r
min
；若大于，则此时变流器并网系 统稳定；否则，执行步骤3；其中，zg为电网阻抗；
[0013]
步骤3，对逆变器下垂控制的控制参数进行优化，使得逆变器并网系统稳定 裕度最优。
[0014]
较优的，所述逆变器的电压电流双闭环采用pi控制。
[0015]
较优的，所述阻抗模型z
pp
采用如下方式获得：
[0016][0017]
其中
[0018][0019][0020][0021][0022]
[0023][0024]
其中，lf为滤波电感、rf为滤波电感电阻，f1为电网电压基频，v1为端口基 频电压幅值，i1为端口基频电流，v1为端口基频电压，k
p
和kq为下垂系数，k
vp
、 k
vi
为电压环pi控制参数，hv(s)和hi(s)分别为电压调节器及电流调节器的传递 函数，d0和e0分别是电压电流调节器d轴和q轴输出的直流值，kd为电流环解 耦系数。
[0025]
较优的，所述步骤3中，基于遗传算法对逆变器的下垂控制参数进行优化， 使得逆变器并网系统稳定裕度最优。
[0026]
较优的，基于遗传算法的下垂控制参数优化方法如下：
[0027]
步骤a：采用二进制编码，对下垂控制器参数进行编码；
[0028]
步骤b：利用适应度函数，计算群体中每个个体的适应度；
[0029]
步骤c：种群中的个体首先根据适应度的值进行排序，然后给所有个体赋予 一个序号，最好的个体序号为n，被选中的概率为p
max
，最差的个体序号为1， 被选中的概率为p
min
；其他的个体被选中的概率为：
[0030][0031]
步骤d：采用单点交叉法，按照设定的交叉概率pc对种群中随机地选取两 个个体，生成后代；
[0032]
步骤e：对交叉操作中产生的后代个体的每一基因值，产生一个伪随机数 rand，如果rand《pm，进行基因变异；
[0033]
步骤f：循环步骤c到e，直到进化到设定的代数，解码得到优化后的下垂 控制参数k
p
和kq。
[0034]
较优的，所述交叉概率pc＝0.6，pm＝0.06。
[0035]
有益效果：
[0036]
本发明建立的下垂控制下并网逆变器的阻抗模型，进一步完善了并网逆变 器的阻抗模型，而且使得并网系统稳定性分析更加准确，更贴近实际的工程系 统，更有利于提高并网系统的稳定裕度。本发明为提高并网系统的稳定裕度、 保证系统稳定运行提供了理论基础和可行方案，有利于可再生能源的发展以及 逆变器的推广，有利于多台并网逆变器的系统控制设计。
[0037]
本发明在基于下垂控制下并网逆变器的阻抗模型并以此分析并网系统的稳 定性的基础上，通过遗传算法对逆变器器控制参数进行及时调整，使系统运行 在稳定状态并保持较大的稳定裕度。本发明的稳定控制的方法，实现了并网逆 变器在外部干扰和故障下的阻抗调整，保证了并网逆变器系统具有较强的稳定 裕度，实现了系统的稳定运行，解决了实际的新能源并网系统因为控制参数的 设计不当，进而引发振荡危害电网的问题。
附图说明
[0038]
图1为下垂控制下并网逆变器模型拓扑和控制结构图；
[0039]
图2为实施遗传算法的控制框图；
[0040]
图3为在原始下垂控制参数下某并网逆变器电网侧和交流侧阻抗比的奈奎 斯特图；
[0041]
图4为优化设计后下垂控制参数下某并网逆变器电网侧和交流侧阻抗比的 奈奎斯特图；
[0042]
图5为本发明流程图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0044]
本发明提供了一种下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法。
[0045]
本发明针对下垂控制的三相并网逆变器系统，建立阻抗模型z
pp
。对阻抗模 型z
pp
进行特性分析，发现下垂控制参数可以重新塑造并网逆变器的阻抗曲线。 在该阻抗模型的基础上，利用阻抗分析法实现并网逆变器的稳定，并可以优化 下垂控制参数，进一步增大并网逆变器的稳定裕度。
[0046]
本发明流程图如图5所示，具体方法如下：
[0047]
步骤1，构建下垂控制的三相并网逆变器的阻抗模型z
pp
，
[0048][0049]
其中，v
p
为逆变器的并网点处的三相正序电压，i
p
为逆变器的并网点处的 三相正序电流。
[0050]
其中，当系统并网点不存在交流谐波时，v
p
为并网点假定注入的谐波值， 因此可以通过注入谐波的大小直接获得。i
p
为并网点电压谐波而产生的交流线电 流谐波，可以通过并网逆变器的拓扑结构与控制方法计算得到。当系统并网点 存在一定频率下的交流谐波时，v
p
与i
p
可以直接测得。
[0051]
步骤2，根据奈奎斯特稳定性判据，判断当前逆变器并网系统的z
g/zpp
频域 曲线的稳定裕度是否大于最小系统稳定裕度r
min
；若大于，则此时变流器并网系 统稳定；否则，执行步骤3；其中，zg为电网阻抗；
[0052]
步骤3，对逆变器下垂控制的控制参数进行优化，使得逆变器并网系统稳定 裕度最优。
[0053]
其中，当前的逆变器的电压电流双闭环多采用pi控制，本实施例以pi控制 电压电流双闭环为例，进行详细说明。当然，本发明方法不限于pi控制方式， 其他方式控制时依然适用。
[0054]
图1为传统的下垂控制下并网逆变器模型拓扑和控制结构图。其中：v
dc
为 并网逆变器的直流侧电压，c
dc
稳定直流侧电压，i
la
、i
lb
和i
lc
为逆变器逆变电流； ua、ub和uc为逆变器电压；lf和cf分别为逆变器的滤波电感和滤波电容，u
ref
、 f
ref
和p
ref
分别为参考的电压、参考的频率和参考的有功功率，u
am
,、u
bm
、u
cm
表 示逆变器的调制输出信号。
[0055]
输入并网逆变器的主要电气参数和控制参数，逆变器基本参数：直流电压 v
dc
、交流侧基频电流is，交流侧基频电压vs；逆变器控制参数：给定角速度ω0、 给定电压v0、给定有功功率p0，给定无功功率q0，下垂控制参数k
p
、kq，电 压环pi控制参数k
pv
、k
iv
，电流环p控制kpi
；设定最小系统稳定裕度r
min
。
[0056]
基于并网逆变器阻抗模型，控制器计算得到当前运行工况下的逆变器侧正 序阻抗z
pp
以及电网阻抗zg，并建立zg/z
pp
频域模型。
[0057]
基于谐波线性化阻抗建模方法，根据并网逆变器的拓扑结构和控制方法， 可以获得并网逆变器的序阻抗模型z
pp
如下：
[0058][0059]
其中，
[0060][0061][0062][0063][0064][0065][0066]
其中，lf为滤波电感、rf为滤波电感电阻，f1为电网电压基频，v1为端口基 频电压幅值，i1为端口基频电流，v1为端口基频电压，k
p
和kq为下垂系数，电 压环pi控制参数k
vp
、k
vi
，hv(s)和hi(s)分别为电压调节器及电流调节器的传递 函数，d0和e0分别是电压电流调节器d轴和q轴输出的直流值，kd为电流环解 耦系数。
[0067]
然后根据奈奎斯特稳定性判据，判断此时系统阻抗稳定裕度是否大于或等 于最
小系统稳定裕度r
min
，若满足，则此时系统稳定。若系统稳定裕度小于最小 稳定裕度，则以系统稳定裕度最优为依据，对下垂控制参数：k
p
、kq进行优化， 通过改变下垂控制参数，改变阻抗z
pp
，进一步实现对z
g/zpp
频域模型的控制， 保证z
g/zpp
频域模型曲线拥有较大的系统稳定裕度，使得逆变器并网系统稳定裕 度最优。
[0068]
下垂控制参数优化时，以逆变器并网系统的稳定裕度最优为依据，通过遗 传算法、神经网络算法、模糊控制等方法对下垂控制参数进行优化，得到新的 下垂控制参数，从而实现机组阻抗重塑，使系统获得此工况下最大的稳定裕度。
[0069]
本实施例基于遗传算法，以稳定裕度最优为依据，设计下垂控制参数的适 应性函数，在一定范围内随机生成的数据群中进行选择运算、交叉运算、变异 运算，并进行种群迭代。在到达终止条件后，下垂控制系统将得到最优控制参 数。
[0070]
具体实现过程包括：
[0071]
步骤a：采用二进制编码，对控制器参数进行编码；
[0072]
步骤b：利用适应度函数，计算群体中每个个体的适应度；
[0073]
步骤c：种群中的个体首先根据适应度的值进行排序，然后给所有个体赋予 一个序号，最好的个体为n，被选中的概率为p
max
，最差的个体序号为1，被选 中的概率为pmin,于是其他的在他们中间的个体的概率便可以根据如下公式得 到：
[0074][0075]
步骤d：采用单点交叉法，按照设定的交叉概率pc＝0.6,对库中随机地选取 两个个体，在个体串中随机地选定一个交叉点，生成后代；
[0076]
步骤e：对交叉操作中产生的后代个体的每一基因值，产生一个伪随机数 rand，如果rand《pm，进行基因变异，pm取为0.06；
[0077]
步骤f：循环步骤c到e，直到进化到第200代，解码得到优化后的下垂控 制参数k
p
和kq。
[0078]
图3中，电网侧和逆变器交流侧阻抗比的奈奎施特曲线进入禁止区域，即 系统稳定裕度小于最小稳定裕度，系统存在振荡风险；经过遗传算法的参数优 化，图4中，电网侧和逆变器交流侧阻抗比的奈奎施特曲线远离禁止区域，系 统稳定裕度大于最小稳定裕度，不存在振荡风险，可证明该控制参数优化的遗 传算法可提高系统稳定裕度，有效提升系统稳定性。
[0079]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，构建下垂控制的三相并网逆变器的阻抗模型z
pp
，其中，v
p
为逆变器的并网点处的三相正序电压，i
p
为逆变器的并网点处的三相正序电流；步骤2，根据奈奎斯特稳定性判据，判断当前逆变器并网系统的z
g/
z
pp
频域曲线的稳定裕度是否大于最小系统稳定裕度r
min
；若大于，则此时变流器并网系统稳定；否则，执行步骤3；其中，z
g
为电网阻抗；步骤3，对逆变器下垂控制的控制参数进行优化，使得逆变器并网系统稳定裕度最优。2.如权利要求1所述的下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法，其特征在于，所述逆变器的电压电流双闭环采用pi控制。3.如权利要求2所述的下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法，其特征在于，所述阻抗模型z
pp
采用如下方式获得：其中其中其中其中其中其中
其中，l
f
为滤波电感、r
f
为滤波电感电阻，f1为电网电压基频，v1为端口基频电压幅值，i1为端口基频电流，v1为端口基频电压，k
p
和k
q
为下垂系数，k
vp
、k
vi
为电压环pi控制参数，h
v
(s)和h
i
(s)分别为电压调节器及电流调节器的传递函数，d0和e0分别是电压电流调节器d轴和q轴输出的直流值，k
d
为电流环解耦系数。4.如权利要求1～3任意一项所述的下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法，其特征在于，所述步骤3中，基于遗传算法对逆变器的下垂控制参数进行优化，使得逆变器并网系统稳定裕度最优。5.如权利要求4所述的下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法，其特征在于，基于遗传算法的下垂控制参数优化方法如下：步骤a：采用二进制编码，对下垂控制器参数进行编码；步骤b：利用适应度函数，计算群体中每个个体的适应度；步骤c：种群中的个体首先根据适应度的值进行排序，然后给所有个体赋予一个序号，最好的个体序号为n，被选中的概率为p
max
，最差的个体序号为1，被选中的概率为p
min
；其他的个体被选中的概率为：步骤d：采用单点交叉法，按照设定的交叉概率p
c
对种群中随机地选取两个个体，生成后代；步骤e：对交叉操作中产生的后代个体的每一基因值，产生一个伪随机数rand，如果rand<p
m
，进行基因变异；步骤f：循环步骤c到e，直到进化到设定的代数，解码得到优化后的下垂控制参数k
p
和k
q
。6.如权利要求5所述的下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法，其特征在于，所述交叉概率p
c
＝0.6，p
m
＝0.06。

技术总结
本发明公开了一种下垂控制的三相并网逆变器的稳定方法。本发明针对下垂控制的三相并网逆变器系统，建立阻抗模型Z


技术研发人员：李震 张金洲 刘斌 陆昱锟
受保护的技术使用者：华清同创（北京）能源科技有限公司
技术研发日：2021.07.06
技术公布日：2022/3/8