一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置及方法与流程

1.本发明属于逆变器控制技术领域，具体涉及一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置及方法。


背景技术：

2.以风能和光伏为代表的可再生能源，能够替代传统的化石能源，且不会产生有害气体以及增加碳排放，有利于实现我国政府提出碳达峰、碳中和的目标。作为可再生能源与电网之间的接口，并网逆变器具有控制灵活、高效的特点，不仅在可再生能源发电领域，还在直流输电、电机驱动、电动汽车等领域得到广泛应用。
3.但是，大量的逆变器接入电网，也带来了一系列的挑战。逆变器采用高频开关器件和脉宽调制的方式，会产生大量的谐波污染电网，导致从公共耦合点(point of common coupling，pcc)看进去，电网可以等效成一个感性阻抗与富含背景谐波的电压源串联而成的弱电网。相比强电网，弱电网具有以下两个特点：电网阻抗不可忽略，且随着电网运行方式变化；电网含有丰富背景谐波。更为重要的是，在新能源发电的多馈入系统中，多个逆变器连接在同一pcc时，逆变器与逆变器之间、逆变器与电网直接存在谐波交互作用，易引发谐振，导致系统出现过电压、过流、电能质量下降等问题。因此，对弱电网下谐振电流进行检测并对谐振源进行抑制，具有重要的意义。
4.然而，在一个弱电网系统中，谐振电流成分复杂，跨越多个频段。已有的谐振检测方法，包括快速傅里叶变换、二阶广义积分器锁频环(sogi-fll)，均只适用于单谐振频率检测，且存在计算量大的缺点。虽然并联sogi-fll能够检测多个谐振源频率，但无疑将进一步增加计算量，且只能检测整数次谐波。近年来，自适应陷波器锁频环由于具有计算量小的优点，受到了广泛的关注，但该种方法对系统参数敏感，鲁棒性有待提高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置及方法，该装置通过将弱电网下复杂的谐振源检测出来，并根据频率大小进行分段，对各频段采取不同的方法进行有效地抑制，能够极大地提升逆变器在弱电网和大规模应用中稳定运行的能力。
6.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
7.本发明一方面提供一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置，包括谐振成分检测模块、分频段变环节谐振抑制选择模块、锁相环模块、电流调节器模块和脉宽调制模块；
8.所述谐振成分检测模块，用于获取电网的公共耦合点的进网电流，提取进网电流中最大的谐振电流成分；
9.所述分频段变环节谐振抑制选择模块，用于判断所述最大的谐振电流成分所属的频段，若所述最大的谐振电流成分所属频段为低频段，则发送抑制信号至锁相环模块；若所述最大的谐振电流成分所属频段为中频段，则发送抑制信号至电流调节器模块；若所述最大的谐振电流成分所属频段为高频段，则发送抑制信号至脉宽调制模块；
10.所述低频段是指基波频段；所述高频段是指并网逆变器主电路中滤波器特征频段；低频段和高频段之间为中频段；
11.所述锁相环模块，用于获取电网的公共耦合点的电压，并进行锁相，得到参考电流，根据所述抑制信号调整锁相环参数；
12.所述电流调节器模块，用于基于所述参考电流对进网电流进行控制，输出调制信号，根据所述抑制信号调整电流调节器参数；
13.所述脉宽调制模块，用于根据所述调制信号产生逆变器功率器件的驱动信号，根据所述抑制信号调整脉宽调制参数。
14.进一步的，所述谐振成分检测模块具体用于，
15.对所述进网电流进行小波包变换；
16.根据小波包变换模的极大值点，确定最大的谐振电流成分。
17.进一步的，所述分频段变环节谐振抑制选择模块具体用于，
18.发送改变锁相环模块带宽的抑制信号至锁相环模块，按步进方式改变锁相环带宽参数；
19.发送改变电流环参数的抑制信号至电流调节器模块，按步进方式改变电流环参数；
20.发送改变调制信号延迟时间的抑制信号至脉宽调制模块，按步进方式改变调制信号延迟时间。
21.本发明第二方面提供一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的方法，采用前述的用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置实现，其所述方法包括：
22.获取电网的公共耦合点的进网电流；
23.对所获取的进网电流进行小波包变换；
24.根据小波包变换模的极大值点，确定所述进网电流最大的谐振电流成分；
25.判断所述最大的谐振电流成分所属的频段；若为低频段，则发送改变锁相环模块带宽的抑制信号至锁相环模块；若为中频段，则发送改变电流环参数的抑制信号至电流调节器模块；若为高频段，则发送改变调制信号延迟时间的抑制信号至脉宽调制模块；
26.所述低频段是指基波频段；所述高频段是指并网逆变器主电路中滤波器特征频段；低频段和高频段之间为中频段。
27.进一步的，按步进方式改变锁相环带宽参数；
28.按步进方式改变电流环参数；
29.按步进方式改变调制信号延迟时间。
30.本发明第三方面提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据前述的方法中的任一方法。
31.本发明第四方面提供一种计算设备，包括，
32.一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据前述的方法中的任一方法的指令。
33.本发明的有益效果为：
34.(1)本发明提供一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置，将弱电网下复杂的谐振源检测出来，并根据频率大小进行分段，对各频段采取不同的方法进行有效地抑制，该方法相比已有的谐振源检测方法，能够检测出多个谐振源，且具有计算量小、鲁棒性强的优点；
35.(2)本发明对谐振源按频率进行分段且采用不同方法进行抑制，能够实现谐振源全频段抑制，可提高逆变器在弱电网和大规模应用中稳定运行的能力。
附图说明
36.图1为逆变器主电路以及本发明提出的谐振抑制控制回路图；
37.图2为本发明的一个实施例中对多个谐振源的抑制效果示意图；
38.图3为极弱电网下，采用本发明方法的电网电流质量示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
40.以图1所示的lcl型逆变器为例，该逆变器主要包括变流器6，本实施例提供的一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置，包括谐振成分检测模块1、分频段变环节谐振抑制选择模块2、锁相环模块3、电流调节器模块4和脉宽调制模块5。图中，ig表示进网电流，ug表示进网电压，表示最大的谐振电流，表示参考电流，i
inv
表示调制信号。
41.该装置具体结构如下，
42.谐振成分检测模块1的输入端连接电网公共耦合点，谐振成分检测模块1的输出端连接分频段变环节谐振抑制选择模块2的输入端；
43.分频段变环节谐振抑制选择模块2输出端连接锁相环模块3、电流调节器模块4和脉宽调制模块5；
44.锁相环模块3的输入端连接电网公共耦合点，锁相环模块3的输出端连接电流调节器模块4的输入端；
45.电流调节器模块4的输出端连接脉宽调制模块5的输入端，脉宽调制模块5的输出端连接逆变器功率器件。
46.本发明中，
47.谐振成分检测模块，用于获取进网电流，提取进网电流中最大的谐振电流成分；
48.分频段变环节谐振抑制选择模块，用于判断谐振成分检测模块提取的最大谐振电流成分所属的频段，并根据所属频段产生相应的抑制信号至对应的被控模块；其中频段包括低频段、中频段和高频段；控制模块为：锁相环模块、电流调节器模块和脉宽调制模块；
49.锁相环模块，用于获取公共耦合点的电压，并进行锁相，得到参考电流，以及，用于根据分频段变环节谐振抑制选择模块下发的抑制信号调整锁相环参数；
50.电流调节器模块，用于基于锁相环模块发送的参考电流对进网电流进行控制，输出调制信号，以及，用于根据分频段变环节谐振抑制选择模块下发的抑制信号调整电流调
节器参数；
51.脉宽调制模块，用于根据电流调节器模块输出的调制信号，产生逆变器功率器件的驱动信号，以及，用于根据分频段变环节谐振抑制选择模块下发的抑制信号调整脉宽调制参数。
52.需要说明的是，若提取的最大谐振电流成分的频率在基波频率附近则为低频段；若提取的最大谐振电流成分的频率在滤波器特征频率附近则为高频段；若提取的最大谐振电流成分的频率在低频段和高频段之间为则中频段。其中，基波频率为[10hz,300hz]，滤波器特征频率为
±
300hz。
[0053]
需要说明的是，若提取的最大谐振电流成分所属频段为低频段，则发送抑制信号至锁相环模块；
[0054]
若提取的最大谐振电流成分所属频段为中频段，则发送抑制信号至电流调节器模块；
[0055]
若提取的最大谐振电流成分所属频段为高频段，则发送抑制信号至脉宽调制模块。
[0056]
本发明的一个实施例中，谐振成分检测模块具体用于，
[0057]
获取进网电流；
[0058]
对所获取的进网电流进行小波包变换；
[0059]
根据小波包变换模的极大值点，确定最大的谐振电流成分。
[0060]
对进网电流分解与重构，得到谐振电流幅值最大对应的谐振源，且经过对该谐振源抑制后，再重复上述流程，能够实现真正意义上的全频段谐振检测。
[0061]
本发明的一个实施例中，分频段变环节谐振抑制选择模块具体用于，
[0062]
判断谐振成分检测模块提取的最大谐振电流成分所属的频段；
[0063]
若为低频段，则发送改变锁相环模块带宽的抑制信号至锁相环模块，按步进方式改变带宽参数；
[0064]
若为中频段，则发送改变电流环参数的抑制信号至电流调节器模块，按步进方式改变电流控制器参数；
[0065]
若为高频段，则发送改变调制信号延迟时间的抑制信号至脉宽调制模块，按步进方式改变延迟时间。
[0066]
基于上述装置，本发明提供一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的方法，包括：
[0067]
获取进网电流；
[0068]
对所获取的进网电流进行小波包变换；
[0069]
根据小波包变换模的极大值点，确定最大的谐振电流成分；
[0070]
判断最大谐振电流成分所属的频段；
[0071]
根据所确定的频段产生相应的抑制信号至对应的被控模块；其中控制模块为：锁相环模块、电流调节器模块和脉宽调制模块。
[0072]
本发明的一个实施例中，对所获取的进网电流进行小波包变换，具体实现过程为：
[0073]
通过构造基本小波函数ψ(t)，并经过不同尺度的伸缩和平移，来逼近进网电流的时域表达式ig(t)，具体为：
[0074]
设ψ(t)∈l2(r)，其傅里叶变换为ψ(ω)，当满足式(1)时，称为一个基本小波或者
母小波函数：
[0075][0076]
将ψ(t)伸缩和平移后，可以得到小波序列：
[0077][0078]
式中，a和b分别为伸缩参数和尺度参数。
[0079]
对进网电流包含任意频率的信号ig(t)∈l2(r)，连续小波变换可表示为：
[0080][0081]
重构公式为：
[0082][0083]
弱电网下，各个谐振源耦合在一起，导致进网电流中含有多个谐波成分，最大谐振源导致的谐波电流幅值最大。在对进网电流进行小波包变换进行分解与重构时，最大谐波电流对应的是小波包变换模的极大值点，因此可以通过对进网电流进行小波包变换，寻找小波包变换模极大值来确定最大的谐振源：
[0084]
假设θ(x)为一个低通函数，且满足积分值为1、无限远处衰减为零，其一阶导数可表示为：
[0085][0086]
可以证明为一个带通函数，符合小波的可容许条件：
[0087][0088]
将作为小波变换的母小波，用表示函数θ(x)对尺度因子a的伸缩，其小波函数可表示为：
[0089][0090]
此时进网电流ig(t)在尺度a上的小波变换为：
[0091][0092]
在固定尺度a下，wf(a,x)是进网电流ig(t)经过函数θa(x)的一阶导数，即wf(a,x)模极大值所对应的点，可认为是进网电流中最大谐振源产生的谐波。
[0093]
通常而言，弱电网下，多台逆变器构成系统的谐振源的产生原因，主要有：1)锁相环通过电网阻抗与电压环、电流环耦合，相互作用导致系统产生谐振；2)逆变器输出阻抗与电网阻抗相互作用，系统不满足奈奎斯特稳定判据，导致系统产生谐振进而失稳；3)多逆变器之间通过电网阻抗耦合，当其中一个逆变器的输出阻抗与输入阻抗幅值相等，相位相差接近180
°
时，公共耦合点处的总阻抗最小，易导致系统失稳；4)lcl型滤波器本身存在的谐
振尖峰，易产生谐振尖峰附近频率的谐波，引起系统失稳。在上述原因导致的谐振源中，锁相环与电流环相互耦合，产生的谐振为包含基波频率在内的低频谐振；逆变器输出阻抗与电网阻抗相互作用、多逆变器相互作用产生的谐振为中频谐振；lcl型滤波器本身产生的谐振为高频谐振。
[0094]
基于此，本发明实施例中，根据所确定的频段产生相应的抑制信号至对应的被控模块，包括：
[0095]
当对进网电流采用小波包变换，分解出最大谐振电流成分的频率处于低频段时，可以通过调节锁相环参数，改变锁相环的带宽，即避免锁相环与电压环、电流环的交互作用，从而能够实现消除低频谐振的目标；
[0096]
如果处于中频段，可以通过调整电流环参数，改变系统带宽以及逆变器输出阻抗，确保系统满足奈奎斯特稳定判据，从而实现消除中频段谐振的目的；
[0097]
如果处于高频段，可以通过降低脉宽调制信号延迟时间来抑制谐振尖峰。
[0098]
图2给出了采用本发明的抑制方法前后效果图。可以看出，未使能本发明方法前，进网电流存在严重的震荡，而在本发明方法使能后，能够迅速地消除系统中的谐振源，进网电流质量得到了明显的提升。说明采用本发明方法能够快速地辨别系统的谐振源，并根据谐振源所处的频段，采用有效地措施来进行抑制。
[0099]
图3给出了极弱电网下，逆变器的进网电流质量图。在短路比达到1.22时，系统含有多个谐振源，导致电网含有丰富的背景谐波，电网电压畸变严重。但是，采用本发明的抑制方法后，谐振源对逆变器的影响得到了有效地抑制，不会影响逆变器的性能，此时进网电流质量较高，进网电流总谐波失真仅为0.73％。该实验结果说明了本发明方法基于小波包变换，首先能够有效地检测出各个谐振源，并根据谐振源所处频段，采用分频段抑制的策略切实有效，真正意义上实现了全频段谐振抑制，提高了逆变器在弱电网和大规模应用中稳定运行的能力。
[0100]
基于上述的用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置，本发明还提供一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的方法，该方法包括：
[0101]
获取电网的公共耦合点的进网电流；
[0102]
对所获取的进网电流进行小波包变换；
[0103]
根据小波包变换模的极大值点，确定最大的谐振电流成分；
[0104]
判断所述最大的谐振电流成分所属的频段；
[0105]
根据所确定的频段产生相应的抑制信号至对应的被控模块；其中控制模块为：锁相环模块、电流调节器模块和脉宽调制模块。
[0106]
具体的说，若所确定的频段为低频段，则发送改变锁相环模块带宽的抑制信号至锁相环模块，按步进方式改变锁相环带宽参数；
[0107]
若所确定的频段为中频段，则发送改变电流环参数的抑制信号至电流调节器模块，按步进方式改变电流环参数；
[0108]
若所确定的频段为高频段，则发送改变调制信号延迟时间的抑制信号至脉宽调制模块，按步进方式改变延迟时间。
[0109]
本发明第三方面还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据前述
的用于并网逆变器宽频谐振抑制的方法。
[0110]
本发明第四方面还提供一种计算设备，包括，
[0111]
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据前述的用于并网逆变器宽频谐振抑制的方法的指令。
[0112]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0113]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0114]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0115]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0116]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0117]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置，其特征在于，包括谐振成分检测模块、分频段变环节谐振抑制选择模块、锁相环模块、电流调节器模块和脉宽调制模块；所述谐振成分检测模块，用于获取电网的公共耦合点的进网电流，提取进网电流中最大的谐振电流成分；所述分频段变环节谐振抑制选择模块，用于判断所述最大的谐振电流成分所属的频段，若所述最大的谐振电流成分所属频段为低频段，则发送抑制信号至锁相环模块；若所述最大的谐振电流成分所属频段为中频段，则发送抑制信号至电流调节器模块；若所述最大的谐振电流成分所属频段为高频段，则发送抑制信号至脉宽调制模块；所述低频段是指基波频段；所述高频段是指并网逆变器主电路中滤波器特征频段；低频段和高频段之间为中频段；所述锁相环模块，用于获取电网的公共耦合点的电压，并进行锁相，得到参考电流，根据所述抑制信号调整锁相环参数；所述电流调节器模块，用于基于所述参考电流对进网电流进行控制，输出调制信号，根据所述抑制信号调整电流调节器参数；所述脉宽调制模块，用于根据所述调制信号产生逆变器功率器件的驱动信号，根据所述抑制信号调整脉宽调制参数。2.根据权利要求1所述的一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置，其特征在于，所述谐振成分检测模块具体用于，对所述进网电流进行小波包变换；根据小波包变换模的极大值点，确定最大的谐振电流成分。3.根据权利要求1所述的一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置，其特征在于，所述分频段变环节谐振抑制选择模块具体用于，发送改变锁相环模块带宽的抑制信号至锁相环模块，按步进方式改变锁相环带宽参数；发送改变电流环参数的抑制信号至电流调节器模块，按步进方式改变电流环参数；发送改变调制信号延迟时间的抑制信号至脉宽调制模块，按步进方式改变调制信号延迟时间。4.一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的方法，采用权利要求1至3任意一项所述的用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置实现，其特征在于，所述方法包括：获取电网的公共耦合点的进网电流；对所获取的进网电流进行小波包变换；根据小波包变换模的极大值点，确定所述进网电流最大的谐振电流成分；判断所述最大的谐振电流成分所属的频段；若为低频段，则发送改变锁相环模块带宽的抑制信号至锁相环模块；若为中频段，则发送改变电流环参数的抑制信号至电流调节器模块；若为高频段，则发送改变调制信号延迟时间的抑制信号至脉宽调制模块；所述低频段是指基波频段；所述高频段是指并网逆变器主电路中滤波器特征频段；低频段和高频段之间为中频段。5.根据权利要求4所述的一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的方法，其特征在于，按步进方式改变锁相环带宽参数；
按步进方式改变电流环参数；按步进方式改变调制信号延迟时间。6.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求4至5所述的方法中的任一方法。7.一种计算设备，其特征在于，包括，一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求4至5所述的方法中的任一方法的指令。

技术总结
本发明公开一种用于并网逆变器宽频谐振抑制的装置及方法，该装置包括谐振成分检测模块，用于获取进网电流，提取进网电流中最大的谐振电流成分；分频段变环节谐振抑制选择模块，用于判断最大谐振电流成分所属的频段，并相应的抑制信号至对应的被控模块；锁相环模块，用于获取公共耦合点的电压，并进行锁相，得到参考电流；电流调节器模块，用于对进网电流进行控制；脉宽调制模块，用于输出产生逆变器功率器件的驱动信号。本发明能够检测出多个谐振源，且具有计算量小、鲁棒性强的优点。鲁棒性强的优点。鲁棒性强的优点。


技术研发人员：史明明 刘建 张宸宇 缪惠宇 李娟 杨雄 姜云龙 汪家铭 包磊 黄海清 肖小龙 刘瑞煌 孙天奎 吴凡
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司 国网江苏省电力有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/6