一种并网逆变器稳定控制方法、设备及介质与流程

本发明属于并网逆变器系统的控制领域，具体涉及一种适用于弱电网的基于电容电压前馈积分补偿的结构及参数设计方法。

背景技术：

1、随着高比例新能源电力系统的发展，新能源并网变流器被广泛用作风能、太阳能以及储能系统的电网接口。然而，新能源场站通常处于电网末端且当地负荷有限，随着新能源场站的不断接入，新能源场站的并网容量也在不断增大，相对应的交流电网强度不断降低，新能源并网变流器并网点电压也在不断降低，从而威胁了新能源机组在并网点处的电压稳定性。现如今普遍采用引入交流电压环支撑并网点电压，但控制环路的引入使得电力电子装置的等效输出阻抗发生变化，更容易引起逆变器输出阻抗与电网阻抗交互作用出现振荡现象，严重影响到新能源并网系统的发电质量和电网的运行安全。

2、研究发现，振荡频率与逆变器输出导纳的频域负阻尼区域相关。逆变器输出导纳的负阻尼区域受多种控制环路参数和系统控制延时影响。针对由控制环路引入的逆变器输出导纳负阻尼效应及振荡现象，已有多篇学术论文进行分析并提出解决方案，例如：

3、1、题为“virtual damping control design of three-phase grid-tied pvinverters for passivity enhancement”,z.yang,c.shah,t.chen,j.teichrib,r.w.dedoncker,ieee transactions on power electronics,vol.36,pp.6251-6264,2021.(“基于虚拟阻尼的三相光伏并网逆变器无源性增强控制设计”,2021年ieee电力电子期刊第36卷，第6251-6264页)的文章通过在控制环路中引入虚拟导纳，从而补偿由锁相环引起的低频负阻尼效应影响，但针对交流电压环并未分析并进行补偿设计，由此引发的低频振荡问题也未能得到彻底解决。

4、2、题为“loop-at-a-time stabilityanalysis for grid-connected voltage-source converters”,h.zhang,l.harnefors,x.wang,ieee journal of emerging andselected topics in power electronics,vol.9,no.5,pp.5807-5821.(“并网电压源换流器的环路稳定性分析”,2020年ieee电力电子期刊第9卷，第5期，第5807-5821页)的文章分析了交流电压环对系统稳定裕度的影响，但并未解决交流电压环导致的稳定性下降问题。

5、3、题为“improved design of pll controller for lcl-type grid-connectedconverter in weak grid”,d.zhu,s.zhou,x.zou,y.kang,ieee transactions on powerelectronics,vol.35,pp.4715-4727.(“弱电网下lcl型并网变换器pll控制器的改进设计”,2020年ieee电力电子期刊第35卷，第4715-4727页)的文章通过对锁相环的参数设计，减小逆变器输出导纳的负阻尼区域，但降低了锁相环带宽，影响了系统的动态性能。

6、综上所述，现有技术存在以下问题：

7、1、弱电网下，现有文献方案主要针对由锁相环引起的低频负阻尼进行补偿设计，而交流电压环引起的低频负阻尼补偿设计尚未提及，逆变器系统的低频振荡问题未能得到彻底解决。

8、2、弱电网下，现有文献方案对由锁相环、电容电压前馈与交流电压环耦合形成的低频负阻尼问题尚未形成一个统一的架构进行分析补偿设计。

技术实现思路

1、为了克服上述各种技术方案的局限性，针对弱电网下由交流电压环引起的低频负阻尼问题，提出一种并网逆变器稳定控制方法、设备及介质，以期能抵消并网变流器输出导纳低频负阻尼效应，使得并网逆变器能在具有极大电网阻抗的极弱电网下运行的同时，同时还可以有效支撑并网点电压，从而能显著提高并网逆变器的运行稳定性。

2、本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

3、本发明一种并网逆变器稳定控制方法的特点在于，包括：

4、采集逆变器系统的逆变器桥臂的电感l1、三相电流以及电网侧滤波器的电容c、三相电压

5、对三相静止坐标系下电网侧滤波器的电容c的三相电压进行park变换后，得到同步旋转坐标系下的d、q轴电压变量

6、将q轴电压变量经过锁相环pll的处理后，获得电网侧电容电压的相角θ；

7、根据电网侧电容电压的相角θ，对三相静止坐标系下的三相电流进行park变换后，得到同步旋转坐标系下的d、q轴电流变量

8、将d、q轴电压变量以及d、q轴电流变量经交流电流控制环acc以及基于电网侧电容电压的比例微分前馈环节的控制方程处理后，得到逆变器的d、q轴控制信号

9、根据电网侧电容电压的相角θ，对逆变器的d、q轴控制信号进行park反变换后，得到三相静止坐标系下的三相控制信号

10、对三相控制信号进行脉冲宽度调制pwm后，生成逆变器中功率器件的开关信号，并经过驱动电路以控制功率器件的开通和关断。

11、本发明所述的并网逆变器稳定控制方法的特点也在于，电网侧电容电压的相角θ是利用式(1)得到：

12、

13、式(1)中，为锁相环pll的pi控制器，为锁相环pll的比例调节系数，为锁相环pll的积分调节系数。

14、进一步的，逆变器的d、q轴控制信号是按如下过程得到：

15、

16、式(2)中，为所设置的d、q轴电网电流指令信号；s为拉普拉斯算子，ωg为电网电压的额定角频率，为交流电流控制环acc的pi控制器，为交流电流控制环acc的比例调节系数，为交流电流控制环acc的积分调节系数，gcvf(s)为基于电网侧电容电压的比例微分前馈环节的控制方程；gc(s)为电网侧电容电压的前馈积分补偿环节的控制方程，并有：

17、

18、式(3)和式(4)中，为电网侧电容电压的比例、积分系数，b1、b2、b3分别为电网侧电容电压的前馈积分补偿环节中d轴电压到q轴电流的一阶、二阶、三阶积分调节系数，d0、d1、d2、d3分别为电网侧电容电压的前馈积分补偿环节中q轴电压到q轴电流的比例调节系数及一阶、二阶、三阶积分调节系数，ωc1、ωc2分别为第一个、第二个低通滤波器的截止角频率。

19、进一步的，是按如下过程确定电网侧电容电压的前馈积分补偿环节中的调节系数b1、b2、b3、d0、d1、d2、d3：

20、设置电网侧电容电压的前馈积分补偿环节中的比例调节系数d0的初值；

21、利用式(5)计算逆变器桥臂的电感电流

22、

23、式(5)中，sn为逆变器的额定容量，vg为电网电压的幅值；

24、根据电感电流利用式(6)得到电网侧电容电压

25、

26、根据电感电流利用式(7)计算前馈积分补偿环节中d轴电压到q轴电流的一阶、二阶、三阶积分调节系数b1、b2、b3：

27、

28、式(7)中，表示q轴调制电压；

29、根据电网侧电容电压利用式(8)计算前馈积分补偿环节中q轴电压到q轴电流的一阶、二阶、三阶积分调节系数d1、d2、d3：

30、

31、本发明一种并网逆变器稳定控制设备的特点在于，包括：

32、采集模块，用于采集逆变器系统的逆变器桥臂的电感l1、三相电流以及电网侧滤波器的电容c、三相电压

33、第一变换模块，用于对三相静止坐标系下电网侧滤波器的电容c的三相电压进行park变换后，得到同步旋转坐标系下的d、q轴电压变量

34、锁相环pll用于对q轴电压变量进行处理后，获得电网侧电容电压的相角θ；

35、第二变换模块，用于根据电网侧电容电压的相角θ，对三相静止坐标系下的三相电流进行park变换后，得到旋转坐标系下的d、q轴电流变量

36、交流电流控制环acc，利用基于电网侧电容电压的比例微分前馈环节的控制方程对和进行处理，得到逆变器的d、q轴控制信号

37、反变换模块，用于根据电网侧电容电压的相角θ，对逆变器的d、q轴控制信号进行park反变换后，得到三相静止坐标系下的三相控制信号

38、脉冲宽度调制模块，用于对三相控制信号进行脉冲宽度调制后，生成逆变器中功率器件的开关信号，并经过驱动电路以控制功率器件的开通和关断。

39、本发明所述的一种并网逆变器稳定控制设备的特点也在于，所述锁相环pll是利用式(1)得到电网侧电容电压的相角θ：

40、

41、式(1)中，为锁相环pll的pi控制器，为锁相环pll的比例调节系数，为锁相环pll的积分调节系数。

42、进一步的，交流电流控制环acc是利用式(2)得到d、q轴控制信号

43、

44、式(2)中，为所设置的d、q轴电网电流指令信号；s为拉普拉斯算子，ωg为电网电压的额定角频率，为交流电流控制环acc的pi控制器，为交流电流控制环acc的比例调节系数，为交流电流控制环acc的积分调节系数，gcvf(s)为基于电网侧电容电压的比例微分前馈环节的控制方程；gc(s)为电网侧电容电压的前馈积分补偿环节的控制方程，并有：

45、

46、式(3)和式(4)中，为电网侧电容电压的比例、积分系数，b1、b2、b3分别为电网侧电容电压的前馈积分补偿环节中d轴电压到q轴电流的一阶、二阶、三阶积分调节系数，d0、d1、d2、d3分别为电网侧电容电压的前馈积分补偿环节中q轴电压到q轴电流的比例调节系数及一阶、二阶、三阶积分调节系数，ωc1、ωc2分别为第一个、第二个低通滤波器的截止角频率。

47、进一步的，交流电流控制环acc按如下过程确定电网侧电容电压的前馈积分补偿环节中的调节系数b1、b2、b3、d0、d1、d2、d3：

48、设置电网侧电容电压的前馈积分补偿环节中的比例调节系数d0的初值；

49、利用式(5)计算逆变器桥臂的电感电流

50、

51、式(5)中，sn为逆变器的额定容量，vg为电网电压的幅值；

52、利用式(6)得到电网侧电容电压

53、

54、利用式(7)计算前馈积分补偿环节中d轴电压到q轴电流的一阶、二阶、三阶积分调节系数b1、b2、b3：

55、

56、式(7)中，表示q轴调制电压；

57、利用式(8)计算前馈积分补偿环节中q轴电压到q轴电流的一阶、二阶、三阶积分调节系数d1、d2、d3：

58、

59、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述并网逆变器稳定控制方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

60、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述并网逆变器稳定控制方法的步骤。

61、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

62、1、本发明通过引入电网侧滤波器电容电压经过比例-微分环节前馈至电流调节器的输出，再通过电容电压前馈积分补偿的控制方法，抵消了交流电压环对并网逆变器输出导纳低频负阻尼效应的影响，从而有效提升了并网逆变器对各类低频振荡的抑制能力，使得并网变流器在极弱电网条件下仍能维持稳定运行；

63、2、本发明仅需根据系统运行电压、电流及相关控制环路参数，即可设计相关调节系数，从而显著提升了并网逆变器对交流电压环引起的低频振荡的抑制能力，且维持系统的电压支撑能力，实现方式简单、有效。