一種考慮死區(qū)的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮死區(qū)的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法，包括以下步驟：S1.在建模時考慮死區(qū)的影響，得到逆變器死區(qū)畸變電壓各電壓成分與逆變器輸出理想基波電壓之間的關(guān)系；S2.通過拉普拉斯變換將死區(qū)畸變電壓的基波和所引入的低次諧波成分加到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型中去，從而得到單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型；S3.根據(jù)單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型，得到多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諾頓等效電路并得出光伏電站側(cè)的輸出阻抗。本發(fā)明為分析電網(wǎng)阻抗變化時大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量的分析和治理提供參考。
【專利說明】
一種考慮死區(qū)的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建 模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮死區(qū)的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的 大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著傳統(tǒng)能源不斷消耗帶來的能源短缺和環(huán)境污染問題，太陽能等清潔可再生能 源得到了巨大的發(fā)展。國家能源局十三五規(guī)劃表明，到2020年底，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá) 到l.6億千瓦，年發(fā)電量將達(dá)到1700億千瓦時并且年度總投資額約為2000億元。值得注意的 是，其中，光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1.5億千瓦。光伏電站也會逐漸趨于大型化，光伏電站 的容量將會不斷增加，對電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求將更加嚴(yán)格。而且，大量的逆變器并聯(lián) 將會使電網(wǎng)等效阻抗變大，進(jìn)一步影響光伏電站的穩(wěn)定性。另外，為了防止逆變器上下橋臂 的直通現(xiàn)象，開關(guān)器件的控制信號中必須要注入一定的死區(qū)時間，死區(qū)的引入將會引發(fā)逆 變器輸出波形的畸變，降低基波電壓，引入較低次諧波成分，當(dāng)光伏電站輸出阻抗與電網(wǎng)阻 抗相匹配時會引發(fā)大型光伏電站與電網(wǎng)之間的諧振，進(jìn)而影響系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量和穩(wěn)定 性。因此，在分析大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性時有必要將死區(qū)效應(yīng)考慮進(jìn)去，而目前分析光 伏并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的主流方法是阻抗分析法，因此有必要將死區(qū)建到系統(tǒng)的阻抗模型中 去。有的文獻(xiàn)分析了逆變電源的死區(qū)效應(yīng)并提出了補(bǔ)償技術(shù)。有的在對單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 建立的阻抗模型中體現(xiàn)了死區(qū)效應(yīng)的影響，但并沒有對死區(qū)效應(yīng)引入的非線性因素進(jìn)行處 理，沒有真正將死區(qū)建立到阻抗模型中去。有的考慮了 PWM調(diào)制作用產(chǎn)生的高次諧波和死區(qū) 效應(yīng)引入的低次諧波對逆變器輸出電壓的影響但是將死區(qū)作用而形成的等效誤差電壓看 成了電源的組成部分，沒有體現(xiàn)在阻抗模型當(dāng)中。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種考慮死區(qū)的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并 網(wǎng)系統(tǒng)建模方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，
[0005] -種考慮死區(qū)的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法，包括以下步 驟：
[0006] SI.在建模時考慮死區(qū)的影響，得到逆變器死區(qū)畸變電壓各電壓成分與逆變器輸 出理想基波電壓之間的關(guān)系；
[0007] S2.通過拉普拉斯變換將死區(qū)畸變電壓的基波和所引入的低次諧波成分加到光伏 并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型中去，從而得到單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型；
[0008] S3.根據(jù)單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型，得到多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏 并網(wǎng)系統(tǒng)的諾頓等效電路并得出光伏電站側(cè)的輸出阻抗。
[0009] 進(jìn)一步，所述步驟Sl包括以下子步驟：
[0011]
[0010] 頻域中逆變器死區(qū)畸變電壓各電壓成分與逆變器輸出的理想基波電壓的關(guān)系為：
[0012]
[0013]
[0014] 其中，G^G5, G7分別表示死區(qū)畸變電壓的基波，5次和7次諧波與理想電壓之間的傳 遞函數(shù)。表示死區(qū)畸變電壓的基波表示死區(qū)畸變電壓的5次諧波，表示死區(qū)畸 變電壓的7次諧波，Urs表示逆變器輸出的理想基波電壓，m和η分別為死區(qū)畸變電壓和理想電 壓的幅值，Θ為死區(qū)畸變電壓與理想電壓之間的夾角，Φ〇為逆變器輸出理想電壓基波初相 角，ω為基波角頻率。
[0015] 進(jìn)一步，大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型獲得步驟：
[0016] S31.對三相死區(qū)畸變電壓進(jìn)行傅里葉變換；
[0017] S32.取傅里葉表達(dá)式的基波、5次和7次諧波將其轉(zhuǎn)化到αβ軸并結(jié)合步驟S31的變 換結(jié)果得出單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖；
[0018] S33.根據(jù)單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖及分裂變壓器等效電感Lt得到并網(wǎng)系統(tǒng) 的諾頓等效電路；
[0019] S34.得到N個并網(wǎng)逆變器相并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路；
[0020] S35.對大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行等效化簡，得到整個大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諾頓等效 電路，進(jìn)一步得到大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出阻抗。
[0021] 由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
[0022] 本發(fā)明將逆變器死區(qū)效應(yīng)建立到系統(tǒng)的阻抗模型中去為分析電網(wǎng)阻抗變化時大 型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量的分析和治理提供參考。
【附圖說明】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述，其中：
[0024]圖1為三相逆變電路原理圖；
[0025]圖2Sia>0時驅(qū)動信號和輸出電壓波形圖；
[0026]圖3為死區(qū)對基波影響向量圖；
[0027]圖4為考慮死區(qū)電流內(nèi)環(huán)控制框圖；
[0028]圖5為并網(wǎng)逆變器諾頓等效電路；
[0029] 圖6為大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路；
[0030] 圖7為大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)諾頓等效電路；
[0031] 圖8為大型光伏系統(tǒng)輸出阻抗波形；
[0032I圖9為電流傳遞函數(shù)根軌跡；
[0033]圖10為N變化時奈奎斯特圖；
[0034]圖11為奈奎斯特圖局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0036]逆變電路的正常工作，一般要給開關(guān)器件的控制信號加上一定的死區(qū)時間從而防 止逆變器上下橋臂的直通現(xiàn)象，雖然所加的死區(qū)時間很短但是其所引起的低次諧波積累效 應(yīng)將會影響電能質(zhì)量，特別是在大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中將會使并網(wǎng)電流波形畸變嚴(yán)重，影響 系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
[0037]如圖1所示，為方便分析，將逆變器的直流側(cè)等效為兩個電容的串聯(lián)，每個電容的 電壓為直流側(cè)電壓的一半即Udc/2。設(shè)死區(qū)時間為td，開關(guān)器件導(dǎo)通時間為Un，關(guān)斷時間為 t〇ff，開關(guān)周期為Ts，以a相橋臂為例，當(dāng)a相電流ia>0時，a相開關(guān)脈沖和逆變器輸出電壓波 形如圖2所示。
[0038] 逆變器的實(shí)際輸出電壓UaNr可以等效為理想輸出電壓UaNi和死區(qū)畸變電壓八1^的 疊加值即：
[0039] UaNr = UaNi+AUaN (1)
[0040] 由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于基波頻率，可以將死區(qū)電壓取一個周期內(nèi)的平均值，由圖2可 以得出a，N'間的畸變電壓AUaN，為：
[0049]由（6)式可以得出N，N'間的電壓AUnn，為：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056] 可以看出，逆變器輸出死區(qū)畸變電壓三相之間存在耦合關(guān)系，且只與三相電流的 方向有關(guān)。為便于分析，對三相死區(qū)畸變電壓A UaN，△ UbN，△ UcN進(jìn)行傅里葉分解得：
[0057]
[0058]
[0059]
[0060] 其中：n = 6k±l，k = 0，l，2···
[0061] 由傅里葉分解表達(dá)式可以看出，死區(qū)會引入5次7次等低次諧波，并且還會對基波 產(chǎn)生較大影響，由于死區(qū)效應(yīng)所引入的11次及以上高次諧波的幅值隨諧波次數(shù)的增大而逐 漸減小且考慮到LCL濾波器的濾波作用，本實(shí)施例只將死區(qū)畸變電壓的基波和低次諧波建 立到大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型中去。
[0062]死區(qū)效應(yīng)所產(chǎn)生的畸變電壓基波與理想電壓之間幅值和相位上都有差別。如圖3 所示，逆變器輸出電流與死區(qū)畸變電壓的相位差為180°，實(shí)際輸出電壓與電流夾角為負(fù)載 功率因數(shù)角R電流與理想電壓之間的夾角為供'。
[0063] 死區(qū)畸變電壓的幅值相對于基波電壓的幅值很小，本實(shí)施例可以近似將理想電壓 與電流之間的夾角看成實(shí)際電壓與電流之間的夾角，即功率因數(shù)角。因此對于高功率因數(shù) 的逆變器來說死區(qū)效應(yīng)的影響將更嚴(yán)重。設(shè)死區(qū)畸變電壓與理想電壓之間的夾角為：
[0064] ^=1Η0 ~Ψ (12)
[0065] 設(shè)逆變器輸出的基波電壓ur幅值為η，初相角為Φ ο，則表達(dá)式為：
[0066] ur = nsin( ω t+Φ 〇) (13)
[0067] 死區(qū)畸變電壓的基波，5次和7次諧波表達(dá)式為：
[0068] A U1=Hi sin( ω t+Φ ο+θ) (14)
[0069] Au5=m sin(5 ω t+5( Φ ο+θ)) (15)
[0070] A u7=m sin(7 ω t+7( Φ ο+θ)) (16)
[0071] 則在頻域中死區(qū)畸變電壓各電壓成分與逆變器輸出理想基波電壓傳遞函數(shù)為：
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 通過前面的分析找到了逆變器死區(qū)畸變電壓與輸出理想電壓之間的關(guān)系，這樣便 可以將死區(qū)效應(yīng)建立到大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型中去。根據(jù)三相死區(qū)畸變電壓的表達(dá) 式，將其進(jìn)行傅里葉變換如式(9)、（10)、（11)所示，由于本實(shí)施例只考慮低次諧波，取傅里 葉表達(dá)式的基波，5次和7次諧波將其轉(zhuǎn)化到邱軸得到其表達(dá)式：
[0076]
[0077] 結(jié)合式（17)-(19)，可得出大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖：圖4其中電流給定 值，isae:并網(wǎng)電流，Gc(s):PR控制器的傳遞函數(shù)，kc:實(shí)現(xiàn)電容電流的有源阻尼，Usafi:電網(wǎng)電 壓，L1, L2為濾波電感，C為濾波電容。
[0078] KPwm = kPwm(l+Gl+G5+G7)
[0079] 其中Kpwm為考慮死區(qū)后的逆變器等效環(huán)節(jié)，kP?表示理想條件下調(diào)制波到輸出的傳 遞函數(shù)，括號里表示考慮死區(qū)畸變電壓的傳遞函數(shù)。從而便將死區(qū)效應(yīng)建到了控制框圖內(nèi)。 通過對框圖化簡可得到(21)式：
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084] 由式(21)再考慮分裂變壓器等效電感Lt得到單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諾頓等效電路 如圖5。
[0085] 其中并網(wǎng)電流Ipv和系統(tǒng)的輸出導(dǎo)納Ypv表達(dá)式如下：
[0086]
[0087]
[0088] 從而得到N個并網(wǎng)逆變器相并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路如圖6:
[0089] 對大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行等效化簡，可得到整個大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諾頓等效電 路如圖7。
[0090] 由圖7可得到由電網(wǎng)側(cè)看進(jìn)去的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出導(dǎo)納為：
[0091]
[0092] 系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，將系統(tǒng)輸出導(dǎo)納取倒數(shù)得到加上死區(qū)前后輸出阻抗波如圖8 所示，可以看出加上死區(qū)后輸出阻抗波形和不加死區(qū)的輸出阻抗波形在低頻域具有明顯的 差別，在相同電網(wǎng)阻抗變化時更容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
[0093]表1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)
[0095]由圖8可得到整個大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)電流Is表達(dá)式：
[0097] 可以看出大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性由兩部分組成，首先須滿足光伏電站內(nèi)部穩(wěn) 定即電流傳遞函數(shù)G/(l+YeqsL t)不包括右半平面極點(diǎn)。其次，可以將并網(wǎng)電流表達(dá)式的右半 部分看成是前向增益為1的閉環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式，即2NY PV/Yg滿足奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。
[0098] 由電流傳遞函數(shù)知光伏電站的內(nèi)部穩(wěn)定性受到分裂變壓器等效電感的影響，根據(jù) 表1所列參數(shù)，圖9為分裂變壓器等效電感變化時電流傳遞函數(shù)的根軌跡圖，可以看出只有 在Lt滿足一定范圍時才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。就光伏電站容量N變化時對等效開環(huán)傳遞函數(shù) 即2NYpv/YgB出奈奎斯特圖，如圖10所示，圖11為局部放大圖。由圖11可以看出，當(dāng)N= ISN =2時系統(tǒng)是穩(wěn)定的，當(dāng)N=3時，奈奎斯特曲線包圍(-I，j0)點(diǎn)，即系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。
[0099] 本發(fā)明將逆變器死區(qū)建立到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型中，詳細(xì)分析了逆變器死區(qū) 對輸出波形的影響，推到出了大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諾頓等效電路。對比分析了有無死區(qū)時 大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由電網(wǎng)側(cè)看進(jìn)去的輸出阻抗表達(dá)式，并依據(jù)大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模 型推導(dǎo)出并網(wǎng)電流的表達(dá)式，應(yīng)用阻抗分析方法就光伏電站容量分析了大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 的穩(wěn)定性，并給出了穩(wěn)定性判別條件。為分析電網(wǎng)阻抗變化時大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 以及電能質(zhì)量的分析和治理提供參考。
[0100] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的 這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些 改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種考慮死區(qū)的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法，其特征在于： 包括W下步驟：51. 在建模時考慮死區(qū)的影響，得到逆變器死區(qū)崎變電壓各電壓成分與逆變器輸出理 想基波電壓之間的關(guān)系；52. 通過拉普拉斯變換將死區(qū)崎變電壓的基波和所引入的低次諧波成分加到光伏并網(wǎng) 系統(tǒng)的阻抗模型中去，從而得到單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型；53. 根據(jù)單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型，得到多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng) 系統(tǒng)的諾頓等效電路并得出光伏電站側(cè)的輸出阻抗。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法，其特征 在于:所述步驟Sl包括W下子步驟： 頻域中逆變器死區(qū)崎變電壓各電壓成分與逆變器輸出的理想基波電壓的關(guān)系為：其中，Gi, Gs, G?分別表示死區(qū)崎變電壓的基波，5次和7次諧波與理想電壓之間的傳遞函 數(shù)。心表示死區(qū)崎變電壓的基波表示死區(qū)崎變電壓的5次諧波，AWi7表示死區(qū)崎變電壓 的7次諧波，化康示逆變器輸出的理想基波電壓，m和n分別為死區(qū)崎變電壓和理想電壓的幅 值，0為死區(qū)崎變電壓與理想電壓之間的相位差，(60為逆變器輸出理想電壓基波初相角，《 為基波角頻率。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多個并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模方法，其特征 在于:大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗模型獲得步驟：531. 對=相死區(qū)崎變電壓進(jìn)行傅里葉變換；532. 取傅里葉表達(dá)式的基波、5次和7次諧波將其轉(zhuǎn)化到郵軸并結(jié)合步驟S31的變換結(jié) 果得出單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖；533. 根據(jù)單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖及分裂變壓器等效電感Lt得到并網(wǎng)系統(tǒng)的諾 頓等效電路；534. 得到N個并網(wǎng)逆變器相并聯(lián)的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路；535. 對大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行等效化簡，得到整個大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諾頓等效電 路，進(jìn)一步得到大型光伏電站的輸出阻抗。
【文檔編號】H02J3/38GK105914774SQ201610164760
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】周林, 張前進(jìn), 郭珂, 李海嘯, 鄭堃, 謝星宇
【申請人】重慶大學(xué)