基于电压源和电流源分时的并网逆变器融合控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制技术领域，具体涉及一种基于电压源和电流源分时的并网逆变器融合控制方法。

背景技术

随着新能源发电渗透率的不断提高和位置的不断分散，需要用长距离输电线路以及多台变压器将新能源发电连接到配电网。因此，由于不可忽略的电网阻抗，公共电网一般呈现出弱电网特征。电网强弱一般根据短路比（SCR）来定义，当SCR>3时，是强电网，当2

针对SCR大幅波动条件下并网逆变器的稳定性问题，已有多篇学术论文以及专利进行了研究，例如：

1）文献“Impedance Adaptive Dual-Mode Control of Grid-ConnectedInverters With Large Fluctuation of SCR and Its StabilityAnalysis Based on D-Partition Method”.2021，36:14420-14435.（“SCR大幅波动下并网逆变器阻抗自适应双模式控制及其基于D分割法的稳定性分析”，36卷14420-14435页）中提出一种阻抗自适应双模式控制策略：在弱电网下采用电压源模式，在强电网下采用电流源模式，实现了SCR变化条件下的并网逆变器稳定运行。然而这种双模式控制策略依赖于精确的电网阻抗在线测量以及控制模式实时切换，这在大规模系统中应用十分困难。

2）文献“Hierarchical Mode-Dispatching Control for Multi-Inverter PowerStations”.2023，70:10044-10054.（“多逆变器电站的分层模式调度控制”，2023年70卷10044-10054页）中提出一种基于电流源和电压源双模式的多并网逆变器场站分层调度控制策略，能够根据SCR变化实时调度运行在电流源模式以及电压源模式并网逆变器的数量。然而，在多并网逆变器系统中，SCR没有准确的定义，其检测十分困难。

3）文献“Control and Capacity Planning for Energy Storage Systems toEnhance the Stability of Renewable Generation Under Weak Grids”.2022，16:761-780.（“弱电网下提高可再生能源发电稳定性的储能系统控制和容量规划”，2022年16卷761-780页）中提出一种混合模式场站的策略，通过向电流源模式场站中接入一定量的电压源模式并网逆变器，提升场站的稳定性。然而这种方式，需要对电压源模式并网逆变器进行改造，文献中通过虚拟电感增强电压源模式并网逆变器的强网稳定性，但是这种方式会显著降低并网逆变器侧电压，为此需要更多的无功响应去维持电压工作点。

4）文献“Hybrid Control Scheme for VSC Presenting Both Grid-Forming andGrid-Following Capabilities”.2022，37:4570-4581.（“同时具有构网型和跟网型能力的VSC混合控制方案”，2022年37卷4570-4581页）中提出一种电流源模式和电压源模式混合控制策略，通过混合控制变换器模拟两个独立的虚拟并网逆变器并联工作，使其同时具备电流源模式并网逆变器和电压源模式并网逆变器的特征。然而该方案中的混合控制变换器本质上呈现的是电流源模式并网逆变器和电压源模式并网逆变器的并联特征，无法在SCR大幅波动条件下稳定运行。

5）中国专利文献CN110021959A于2019年7月16日公开的《弱电网下基于短路比的并网逆变器双模式控制方法》，提出了一种弱电网下基于短路比的并网逆变器双模式控制方法，能够准确直观反映出弱电网的状态，为并网逆变器的电流源、电压源并网双模式切换提供依据，保证了并网逆变器的稳定运行。然而这种双模式控制策略依赖于精确的电网阻抗在线测量以及控制模式实时切换，这在大规模系统中应用十分困难。

综合以上文献，现有技术中存在以下不足：

1.现有的文献提出的基于模式切换的方法，一方面需要电网阻抗精确的在线测量，另一方面需要频繁的模式切换，这在大规模系统中应用十分困难；

2.现有的文献提出的基于混合模式的方法，本质上是电流源模式和电压源模式的并联，其稳定性仍取决于电压源模式，并不能在SCR大幅波动时稳定运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为现有技术存在的并网逆变器传统控制无法适应SCR大幅变化，并网稳定性受到威胁等问题，具体的，本发明针对SCR大幅波动下，电流源模式、电压源模式均难以实现稳定运行，但是两种控制模式的稳定性具有一定的互补性，提出了一种基于电压源和电流源分时的并网逆变器融合控制方法。所述控制方法通过电压源模式和电流源模式分时控制，即电压源和电流源模式轮流控制并网逆变器一定周期，保证了SCR大幅波动下并网逆变器的稳定运行，大幅度的改善了并网逆变器并网质量。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于电压源和电流源分时的并网逆变器融合控制方法，所述融合控制方法所涉及的每个控制流程中均包含N+M个控制周期，其中，N为并网逆变器运行在电压源模式的控制周期个数，M为并网逆变器运行在电流源模式的控制周期个数；

令并网逆变器首先运行在电压源模式，且并网逆变器每个控制周期计数一次，记计数值为T，一个控制流程的步骤如下：

步骤1，并网逆变器运行在电压源模式，且每个控制周期结束时，进行如下比较及处理：

当T＜N时，并网逆变器持续运行在电压源模式；

当T=N时，并网逆变器切换为电流源模式，将计数值T赋值为零，进入步骤2；

步骤2，并网逆变器运行在电流源模式，且每个控制周期结束时，进行如下比较及处理：

当T＜M时，并网逆变器持续运行在电流源模式；

当T=M时，并网逆变器切换为电压源模式，将计数值T赋值为零，进入步骤3；

步骤3，返回步骤1，进入下一控制流程。

优选地，步骤1所述电压源模式的控制步骤如下：

步骤1.1，设置有功功率指令信号P

步骤1.2，采样并网逆变器输出的并网三相电流i

步骤1.3，根据并网电流αβ轴分量i

步骤1.4，根据有功并网功率P

步骤1.5，根据并网三相电流i

步骤1.6，设置q轴电压指令信号u

步骤1.7，根据电压源模式并网电流dq轴分量i

步骤1.8，将电压源模式控制信号dq轴分量u

优选地，步骤2所述电流源模式的控制步骤如下：

步骤2.1，将公共耦合点三相电压u

步骤2.2，根据公共耦合点电压相角

步骤2.3，根据有功功率指令信号P

步骤2.4，根据电流源模式

步骤2.5，根据公共耦合点电压相角

优选地，步骤1.3所述平均功率计算方程为：

式中，T

优选地，步骤1.4所述下垂控制方程为：

式中，ω

优选地，步骤1.6所述电压源模式电压闭环控制方程为：

式中，K

优选地，步骤1.7所述电压源模式电流闭环控制方程为：

式中，K

优选地，步骤2.1所述将电流源模式公共耦合点电压q轴分量u

式中，ω

优选地，步骤2.3所述电流源模式dq轴电流指令信号i

式中，T

优选地，步骤2.4所述电流源模式电流闭环控制方程为：

式中，K

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1.本发明实施简单，通过控制算法实现电压源模式和电流源模式的分时控制，相比于单独电压源模式或者电流源模式，具有更宽范围的稳定性，克服了SCR大幅波动时，并网逆变器的稳定运行问题；

2.相比于电流源、电压源双模式控制策略，本发明无需系统短路比的检测，也无需进行频繁的模式切换，更有利于在大规模新能源发电系统中的应用；

3.相比于基于电流源、电压源并联的混合模式策略，本发明避免了复杂的容量配比计算，并且具有更宽范围的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中所采用的并网逆变器系统拓扑图。

图2为本发明控制方法的实施流程图。

图3为单独电流源模式在SCR=2时u

图4为单独电压源模式在SCR=9时u

图5为所提融合控制在SCR=1.5时u

图6为所提融合控制在SCR=10时u

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

本发明所采用的并网逆变器的系统结构拓扑如图1所示。由图1可见，该拓扑包括直流侧电源、三相全桥逆变电路、滤波电感L

本实施例中，直流侧电源V

图2为本发明控制方法的流程图。由图2可见，本发明提供了一种基于电压源和电流源分时的并网逆变器融合控制方法，所述融合控制方法所涉及的每个控制流程中均包含N+M个控制周期，其中，N为并网逆变器运行在电压源模式的控制周期个数， M为并网逆变器运行在电流源模式的控制周期个数。

令并网逆变器首先运行在电压源模式，且并网逆变器每个控制周期计数一次，记计数值为T，一个控制流程的步骤如下：

步骤1，并网逆变器运行在电压源模式，且每个控制周期结束时，进行如下比较及处理：

当T＜N时，并网逆变器持续运行在电压源模式；

当T=N时，并网逆变器切换为电流源模式，将计数值T赋值为零，进入步骤2；

步骤2，并网逆变器运行在电流源模式，且每个控制周期结束时，进行如下比较及处理：

当T＜M时，并网逆变器持续运行在电流源模式；

当T=M时，并网逆变器切换为电压源模式，将计数值T赋值为零，进入步骤3；

步骤3，返回步骤1，进入下一控制流程。

在本实施例中，N=40，M=40。

在本实施例中，步骤1所述电压源模式的控制步骤如下：

步骤1.1，设置有功功率指令信号P

步骤1.2，采样并网逆变器输出的并网三相电流i

步骤1.3，根据并网电流αβ轴分量i

式中，T

步骤1.4，根据有功并网功率P

式中，ω

步骤1.5，根据并网三相电流i

步骤1.6，设置q轴电压指令信号u

式中，K

步骤1.7，根据电压源模式并网电流dq轴分量i

式中，K

步骤1.8，将电压源模式控制信号dq轴分量u

本实施例中，P

在本实施例中，步骤2所述电流源模式的控制步骤如下：

步骤2.1，将公共耦合点三相电压u

所述公共耦合点电压相角

式中，ω

步骤2.2，根据公共耦合点电压相角

步骤2.3，根据有功功率指令信号P

式中，T

步骤2.4，根据电流源模式

式中，K

步骤2.5，根据公共耦合点电压相角

在本实施例中，ω

步骤1.8生成的电压源模式控制信号u

为了佐证本发明的有益效果，对本发明进行了MATLAB/simulink仿真。图3为L

如图3所示，SCR=2时，电流源模式下的并网逆变器无法稳定运行；如图4所示，SCR=9时，电压源模式下的并网逆变器无法稳定运行；如图5和图6所示，当SCR=1.5和SCR=10时，本方案融合控制下的并网逆变器均能稳定运行，可见本方案融合控制方法，能够大幅提高并网逆变器在SCR变化条件下的稳定性。