本发明涉及电气工程领域，尤其涉及一种基于正电阻补偿环节的并网逆变器q轴输出阻抗重塑方法。
背景技术：
1、在高渗透率的新能源发电系统中，电网状态的最典型特征是电网感性阻抗大幅波动，呈现弱电网状态。近年来，电力系统的安全稳定问题屡次引起关注，其中宽频振荡问题尤为突出。宽频振荡可能导致设备损坏、新能源脱网以及系统停运，带来严重后果。已有研究指出，在电网阻抗较小的强电网环境下，跟网型逆变器能够有效实现最大功率点跟踪，表现出良好的新能源利用效率和并网电能质量。然而，在电网阻抗较大的弱电网环境下，采用跟网型模式的并网逆变器可能会出现宽频振荡等稳定性问题。
2、目前，业界和学界已经在并网逆变器跟网型改进控制策略方面进行了广泛的研究，有效提升了在弱电网状态下的并网逆变器稳定性，从而在一定程度上解决了宽频振荡问题。为解决弱电网状态下的稳定性问题，控制方法涵盖了虚拟阻抗法、dq轴阻抗重塑法、改进电网电压前馈等多种途径。例如：
3、1)中国专利文献cn111884252a于2020年11月3日公开的《一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法》，本发明提供了一种基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，通过对锁相环结构进行改进，在锁相环控制环路中加入双二阶广义积分器，并对新能源发电系统进行阻抗建模，通过绘制并网逆变器输出阻抗和电网阻抗频率特性曲线，确定满足不同相位裕度的前馈系数。
4、2)中国专利文献cn 117458596 a于2024年1月26日公开的《提高并网逆变器在弱电网下稳定性的阻抗重塑方法》，本发明公开了一种提高并网逆变器在弱电网下稳定性的阻抗重塑方法，针对现代电力系统因高比例电力电子设备渗透而展现出的弱电网特性，本发明以pq并网逆变器为例，基于阻抗分析法对并网逆变器系统进行稳定性分析，提出一种基于电流反馈的阻抗重塑控制策略，通过在电流环引入反馈重塑逆变器输出阻抗，在改善逆变器阻抗特性的同时不会影响其基频特性，极大提高了逆变器在弱电网下的鲁棒稳定性。
5、3)中国专利文献cn 116131330a于2023年5月16日公开的《一种基于改进锁相环的并网逆变器稳定性提高方法》，本发明公开了一种基于改进锁相环的并网逆变器稳定性提高方法，通过矩阵变换并结合内模原理，设计基于复系数滤波器的信号处理模块，将改进正交垂直信号生成模块置于锁相环前级得到基于改进正交垂直信号生成模块的新型锁相环结构；将新型锁相环结构用于并网逆变器中。本发明设计的基于复系数滤波器的正交垂直信号生成模块结构可通过重塑锁相环输出特性修正并网逆变器的输出阻抗特性，实现并网逆变器的阻抗重塑，不会增加控制结构的复杂度，提高了逆变器对弱电网的适应性，扩大了并网系统稳定区域。
6、4)中国专利文献cn 108879781 b于2021年9月7日授权公告的《一种基于虚拟阻抗校正法的并网电流控制方法》，本发明公开了一种基于虚拟阻抗校正法的并网电流控制方法，它包括：将信号采样后分别接电容电流反馈环节，并网电流反馈环节，锁相环环节以及分频段补偿电网电压前馈环节；锁相环输出与并网电流基准幅值接并网电流基准产生单元；并网电流反馈环节与并网电流基准产生单元接并网电流比较单元，其输出接电流调节器；电流调节器的输出与电容电流反馈环节以及电网电压前馈环节的输出接调制信号控制单元；调制信号控制单元的输出接pwm单元连接到逆变器。本发明将并网逆变器的输出阻抗模型分为容性的低频段，阻容性的中频段以及阻感性的高频段，以并联虚拟阻抗的方式引入一个可分频段调节的电网电压前馈函数，从而得到重塑后的等效输出阻抗。
7、5)中国专利文献cn 109950926 b于2020年10月27日授权公告的《一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法》，本发明公开了一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法。本发明针对弱电网情况下采用电网电压直接前馈导致的并网逆变器稳定性问题，提出一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法，该方法通过将q轴电压以积分形式添加到q轴电流调节器输出，实现锁相环和电网电压前馈对并网逆变器的q轴输出阻抗影响的相互抵消，使并网逆变器在具有较大电网阻抗的较弱电网下运行，提高了并网逆变器的电网适应性。
8、6)张亚楠，杨兴武，徐常天等于2023年发表于电力电子技术第57卷第11期的《基于环路滤波阻抗重塑的并网锁相环改进方法》一文。该文献针对锁相环(pll)作为传统并网同步单元，在弱电网下会对并网稳定性产生不利的影响，提出通过搭建了并网逆变器小信号阻抗模型，分析了pll对并网电力系统稳定性的影响机制，在此基础上，提出了一种基于pll改进控制和参数的设计方法，对pll的附加阻抗进行重塑。该方法提高了系统的相位裕度，同时还满足了并网逆变器对快速性的要求。最后通过仿真和实验表明，该方法可以保证并网系统在大电网阻抗下实现高质量的并网电流输出。
9、7)李建文，马小棠，吴滨源等于2023年发表于太阳能学报第44卷第4期的《结合数字延时补偿的并网逆变器阻抗重塑方法》一文。该文献提出建立并网逆变器阻抗模型，探究数字延时导致系统稳定性降低的原因，然后提出一种结合数字延时补偿的并网逆变器阻抗重塑方法，包括牛顿插值预测的延时补偿策略和逆变器阻抗重塑策略。该方法可有效削弱数字延时对逆变器输出阻抗的不利影响，提高阻抗相交点频率处的相位裕度，拓宽并网系统适应电网阻抗变化的范围。
10、8)李明、张兴和郭梓暄等发表于2021年ieee新兴与前沿电力电子学报的“m.li etal.，the control strategy for the grid-connected inverter through impedancereshaping in q-axis and its stability analysis under a weak grid，in ieeejournal of emerging and selected topics in power electronics，vol.9，no.3，pp.3229-3242.”(“弱网下基于pll的跟网型逆变器q轴前馈补偿稳定控制策略”)，该文献也是同时考虑了电网电压前馈和pll的影响，但是方案中采用了多级积分器，与设备运行工作点相关，完全抵消电网电压前馈和pll的引入的负电阻特性，但实质为“全补偿”基于模型的控制方案，但是实施较复杂，运行工作点的变化极易导致控制效果下降，缺乏控制鲁棒性。
11、综上所述，现有技术存在以下问题：
12、1.单一采取虚拟阻抗的方法，通过前馈并网点电压实现并网逆变器输出阻抗的串并联校正，以确保交互系统的稳定运行，但未考虑锁相环(phase-looked loop，pll)对并网逆变器稳定性的影响，尤其是在弱电网条件下，锁相环与并网逆变器输出阻抗的耦合对系统稳定性的影响很大。
13、2.采用电网电压前馈和pll同时补偿的方案，现有文献采用的是全补偿方案，控制缺乏鲁棒性，与设备运行工作点直接相关，实施较为复杂。
14、3.现有文献提出通过使用重复预测来补偿控制延迟，使得并网逆变器在电网阻抗突然变化时能够保持稳定工作，并表现出较强的对电网电压谐波的抑制能力。然而，该方案仍然无法保证在极弱电网状态下跟网型逆变器系统的运行稳定性。
15、4.现有在弱网环境下，有关考虑锁相环和电网电压前馈环节对跟网型模式稳定性的影响的文献和发明，大都只针对单个影响因素，这些研究通常只考虑了锁相环和电网电压前馈环节对稳定性的单独影响，并不能完全保证在弱电网条件下对于并网逆变器控制的高可靠性。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是克服原有技术方案在极弱电网状态下跟网型逆变器系统稳定性不足的局限性。现如今弱电网环境下，锁相环和电网电压前馈环节对跟网型模式的并网逆变器的稳定性产生重要影响，目前的技术方案只考虑锁相环或电网电压前馈环节的单独影响，急需一种可以同时抵消两者影响的并网逆变器输出阻抗重塑方案，因此，本发明提出一种基于正电阻补偿环节的并网逆变器q轴输出阻抗重塑方法。
2、本发明的技术方案如下。
3、一种基于正电阻补偿环节的并网逆变器q轴输出阻抗重塑方法，所述并网逆变器涉及的拓扑包括顺序串联的直流电源、主逆变器、l型滤波器、线路等效电感和三相电网，其特征在于，所述q轴输出阻抗重塑方法指的是在建立的并网逆变器q轴输出导纳的小信号模型中引入一个正电阻特性的补偿控制环节，以有效重塑并网逆变器的q轴输出阻抗，从而改善并网逆变器在弱电网条件下的稳定性，具体步骤如下：
4、步骤1，采样公共耦合点电压upcca，upccb，upccc，在系统坐标系中，经从三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，得到系统坐标系下公共耦合点电压的d轴分量upccd_s和q轴分量upccq_s，并经离散化后得到系统坐标系下z域的公共耦合点电压的d轴分量δupccd_s(z)和q轴分量δupccq_s(z)，采样三相进网电流iga，igb，igc，在系统坐标系中，经从三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，得到系统坐标系下三相进网电流的d轴分量igd_s和q轴分量igq_s，并经离散化后得到系统坐标系下z域的三相进网电流的d轴分量δigd_s(z)和q轴分量δigq_s(z)；
5、步骤2，将系统坐标系下z域的公共耦合点电压的q轴分量δupccq_s(z)，经从系统坐标系到控制器坐标系的变换后，得到在控制器坐标系下z域的公共耦合点电压的q轴分量δupccq_pll(z)，并作为前馈控制环节的电网电压反馈量，其坐标变换式为：
6、
7、其中，upccd为系统坐标系下公共耦合点电压的d轴分量upccd_s的幅值，并且将其作为前馈控制环节的电网电压指令值，gpll_pi(z)为锁相环比例-积分环节传递函数，gpll_pi(z)＝kpll_p+kpll_igint(z)，kpll_p为锁相环比例系数，kpll_i为锁相环积分系数，gint(z)为离散化的z域积分器；
8、将系统坐标系下z域的三相进网电流的q轴分量δigq_s(z)，经从系统坐标系到控制器坐标系的变换后，得到在控制器坐标系下z域的三相进网电流q轴分量δigq_pll(z)，其坐标变换式为：
9、δigq_pll(z)＝-igdδθ+δigq_s(z)
10、其中，δθ为两个坐标系之间存在的一个时变的相位差，igd为系统坐标系下三相进网电流的d轴分量igd_s的幅值；
11、步骤3，建立锁相环的线性化小信号闭环传递函数gpll(z)，其表达式如下所示：
12、
13、步骤4，建立并网逆变器的闭环传递函数gcl(z)；考虑前馈控制环节的电网电压和锁相环的影响，建立并网逆变器q轴输出阻抗的小信号模型zq(z)，并得到其输出导纳的小信号模型yq(z)；
14、步骤5，引入一个正电阻特性的补偿控制环节ypro(z)，得到重塑后的并网逆变器q轴输出导纳的小信号模型yq1(z)，其表达式为：
15、yq1(z)＝yq(z)-ypro(z)
16、其中，ypro(z)＝gcl(z)piv(z)[-1+gpll(z)upccd]，piv(z)为电压环的比例-积分控制传递函数。
17、优选地，所述步骤4的实现过程为：
18、步骤4.1，建立并网逆变器的闭环传递函数为gcl(z)，其表达式为：
19、
20、其中，δigqref_pll(z)为控制器坐标系下z域的三相进网电流q轴分量给定值，z-1为计算延迟，pi(z)为电流环的比例-积分传递函数，ginv(z)为并网逆变器中桥臂侧电感的离散化传递函数；
21、步骤4.2，建立考虑前馈控制环节的电网电压和锁相环影响的并网逆变器q轴输出阻抗的小信号模型zq(z)，建立并网逆变器q轴输出导纳的小信号模型yq(z)，其展开表达式为：
22、
23、其中，uid为调制电压d轴分量的幅值，gfw为电压前馈环节的增益系数。
24、优选地，所述系统坐标系是指数字控制时并网逆变器采用锁相环进行电压电流坐标变换的坐标系，所述控制器坐标系则是指对应实际电网电压相位进行电压电流坐标变换的坐标系，在系统稳定运行时系统坐标系和控制器坐标系的坐标轴相互重合，当锁相环存在随时间的动态扰动时，两个坐标系之间存在一个时变的相位差δθ，将锁相环存在随时间的动态扰动记为并网逆变器模型的小信号扰动。
25、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
26、1、本发明提出的一种基于正电阻补偿环节的并网逆变器q轴输出阻抗重塑方法，可以保证基于锁相环定向的跟网型模式运行的并网逆变器在电网阻抗较高的弱电网条件下具有较强的鲁棒性。
27、2、本发明提出的控制方法中，同时考虑锁相环和电网电压前馈的影响，设计了一种可以同时抵消上述两者影响的并网逆变器阻抗重塑方案。相比于现有方案，本文所提方案为“全补偿”方案，但是通过引入pi闭环系统，增强了控制算法本身抵抗模型误差、运行工作点波动的问题。相比传统只考虑单一影响因素的方案，该方法可以保证并网逆变器在弱电网下的稳定裕度更高。
28、3、针对锁相环对跟网型模式运行的并网逆变器的稳定性产生的影响，常规思路采用降低锁相环带宽或者是修改锁相环的参数，这都会对跟网型模式运行的并网逆变器的动态特性造成损失，而本发明提出的阻抗重塑的思路则有效避免这个问题，不会对并网逆变器控制的动态性造成损失。
29、4、基于目前的研究，锁相环将导致并网逆变器q轴输出阻抗呈现出低频段的负电阻特性，这可能使弱电网下的并网逆变器系统不稳定。因此，本发明提出的控制方法，只需要对并网逆变器的q轴输出阻抗进行建模，而不需要在dq坐标系下建立二阶输出阻抗矩阵，建模更加简单，清晰明了。
1.一种基于正电阻补偿环节的并网逆变器q轴输出阻抗重塑方法，所述并网逆变器涉及的拓扑包括顺序串联的直流电源、主逆变器、l型滤波器、线路等效电感和三相电网，其特征在于，所述q轴输出阻抗重塑方法指的是在建立的并网逆变器q轴输出导纳的小信号模型中引入一个正电阻特性的补偿控制环节，以有效重塑并网逆变器的q轴输出阻抗，从而改善并网逆变器在弱电网条件下的稳定性，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于正电阻补偿环节的并网逆变器q轴输出阻抗重塑方法，其特征在于，所述步骤4的实现过程为：
3.根据权利要求2所述的一种基于正电阻补偿环节的并网逆变器q轴输出阻抗重塑方法，其特征在于，所述系统坐标系是指数字控制时并网逆变器采用锁相环进行电压电流坐标变换的坐标系，所述控制器坐标系是指对应实际电网电压相位进行电压电流坐标变换的坐标系，在系统稳定运行时系统坐标系和控制器坐标系的坐标轴相互重合，当锁相环存在随时间的动态扰动时，两个坐标系之间存在一个时变的相位差δθ，将锁相环存在随时间的动态扰动记为并网逆变器模型的小信号扰动。
