光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法，涉及光伏并网逆变器控制技术领域。解决了现有光伏并网逆变器稳定性差的问题。所述方法包括以下步骤：根据实际电网阻抗、逆变器输出阻抗以及逆变器输出阻抗稳定性判据获得虚拟电感量及其等效内阻和虚拟电容量；根据虚拟电感量及其等效内阻，并结合全桥增益获得虚拟电感的等效前馈通路传递函数；根据虚拟电容的电容量，并结合全桥增益、实际滤波电容、滤波电感及其寄生电阻、电流环传递函数和反馈滤波环传递函数获得虚拟电容的等效前馈通路传递函数；将虚拟电感和虚拟电容的等效前馈通路传递函数进行离散化，获得差分方程：将差分方程与电流环的输出量进行叠加。本发明适用于控制光伏并网逆变器。
1.光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一、根据实际电网阻抗Zg、光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)以及光伏并网逆变器输出阻抗稳定性判据的幅频特性和相频特性获得虚拟电感量LV、虚拟电感量的等效内阻rV和虚拟电容量CV；
步骤二、根据虚拟电感量LV和虚拟电感量的等效内阻rV，并结合全桥增益KPWM，获得虚拟电感的等效前馈通路传递函数GLV(s)；
步骤三、根据虚拟电容的电容量CV，并结合全桥增益KPWM、实际滤波电容Cac、实际滤波电感Lac及其寄生电阻rac、电流环传递函数Gi(s)和反馈滤波环传递函数Ga(s)获得虚拟电容的等效前馈通路传递函数步骤四、将虚拟电感的等效前馈通路传递函数和虚拟电容的等效前馈通路传递函数进行离散化，获得差分方程：z(n)＝K1vO(n)+K2vO(n-1)-K3vO(n-2)，
步骤五、将y(n)、z(n)与电流环的输出量x(n)进行叠加。
2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法，其特征在于，步骤一中所述的实际电网阻抗Zg是通过阻抗测试设备或电网阻抗在线检测方法获得。
3.根据权利要求2所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法，其特征在于，步骤一中所述的光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)的表达式为：其中，ωc为二阶低通滤波器的截止角频率，Q为品质因数，Cac为实际滤波电容，Lac为实际滤波电感，rac为Lac的寄生电阻，KPWM为全桥增益，vo为光伏并网逆变器输出电压，io为光伏并网逆变器输出电流，为电感电流给定值，KP为电流环比例系数，KI为电流环积分系数。
4.根据权利要求3所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法，其特征在于，步骤一中所述的光伏并网逆变器输出阻抗稳定性判据的表达式为：其中，GM为增益裕度，PM为相角裕度，当实际电网阻抗Zg不变时，光伏并网逆变器输出阻抗的幅频特性满足|Zg|+GM<|Zo|，其相频特性不需要满足-180°+PM<∠Zg-∠Zo<180°-PM即可保证电网系统稳定；当光伏并网逆变器输出阻抗的幅频特性不满足|Zg|+GM<|Zo|，则其相频特性必须满足-180°+PM<∠Zg-∠Zo<180°-PM，以保证系统稳定。
5.根据权利要求4所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法，其特征在于，步骤一中所述的根据实际电网阻抗Zg、光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)以及光伏并网逆变器输出阻抗稳定性判据的幅频特性和相频特性获得虚拟电感量LV、虚拟电感量的等效内阻rV和虚拟电容量CV的过程为：保证实际电网阻抗Zg不变，根据增益裕度GM、相角裕度PM以及光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)的表达式获得虚拟电感量LV和虚拟电容量CV，虚拟电感量LV的等效内阻rV是根据实际电感的等效内阻等比例获得。
6.根据权利要求5所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法，其特征在于，步骤二中所述的根据虚拟电感量LV和虚拟电感量的等效内阻rV，并结合全桥增益KPWM，获得虚拟电感的等效前馈通路传递函数GLV(s)的过程为：步骤二一、将反馈输出电流信息iL和虚拟电感的等效前馈通路传递函数GLV(s)相乘后，与电流环输出进行叠加，以确定等效前馈通路在整个控制环路中的位置，并通过该位置获得虚拟电感前馈通路的线性模型；
步骤二二、确定增加前馈通路后的最终控制目标，即等效目标传递函数为步骤二三、根据自动控制原理的结构图化简方法，对虚拟电感前馈通路的线性模型进行化简，得到传递函数 该传递函数与等效目标传递函数相等，从而获得虚拟电感的等效前馈通路传递函数
7.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法，其特征在于，步骤四中所述的
光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光伏并网逆变器控制技术领域。
背景技术
[0002] 偏远地区、海岛等电网末端的电网通常为相对较小的负载设计，其电力供应多为中低压等级，为满足分散用户的负载需求大部分输电线路较长，线路电抗较大，因而电网呈现高阻抗特性，这种电网通常被称为弱电网(weak grid)。对于正常电网设计合理的光伏并网逆变器，当电网阻抗变大时系统的稳定性变差，并网电流谐波增大。因此，在设计用于电网末端或偏远地区的光伏逆变器时不仅要考虑正常电网的工作状态，同时需要考虑电网阻抗增大即弱电网时系统的稳定性。
[0003] 对电流源型光伏并网逆变器来说，希望逆变器的输出阻抗越大越好。通过分析LC型单相光伏并网逆变器输出阻抗特性以及不同参数对逆变器输出阻抗的影响可以发现：增大滤波电感增加会使输出阻抗在高频段增大，有利于提高系统稳定性；但增大滤波电感往往会导致系统体积增大、成本升高，进一步研究发现减小逆变器输出滤波电容也是提高逆变器输出阻抗进而增强系统稳定性的有效措施之一；但减小电容往往会导致逆变器输出纹波变大，并网电能质量降低，进而对系统产生不良影响。
发明内容
[0004] 本发明为了解决现有光伏并网逆变器稳定性差的问题，提出了光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法。
[0005] 光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法包括以下步骤：
[0006] 步骤一、根据实际电网阻抗Zg、光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)以及光伏并网逆变器输出阻抗稳定性判据的幅频特性和相频特性获得虚拟电感量LV、虚拟电感量的等效内阻rV和虚拟电容量CV；
[0007] 步骤二、根据虚拟电感量LV和虚拟电感量的等效内阻rV，并结合全桥增益KPWM，获得虚拟电感的等效前馈通路传递函数GLV(s)；
[0008] 步骤三、根据虚拟电容的电容量CV，并结合全桥增益KPWM、实际滤波电容Cac、滤波电感Lac及其寄生电阻rac、电流环传递函数Gi(s)和反馈滤波环传递函数Ga(s)获得虚拟电容的等效前馈通路传递函数
[0009] 步骤四、将虚拟电感的等效前馈通路传递函数和虚拟电容的等效前馈通路传递函数进行离散化，获得差分方程：
[0010]
[0011] z(n)＝K1vO(n)+K2vO(n-1)-K3vO(n-2)，
[0012] 其中，Ts为采样周期，K1、K2、K3均为系数；
[0013] 步骤五、将y(n)、z(n)与电流环的输出量x(n)进行叠加。
[0014] 有益效果：本发明提出的控制方法通过加入虚拟电抗控制方法，而不是增大滤波电感实际容量的方法来提高电流型光伏并网逆变器输出阻抗，同时通过在控制回路中增加一个虚拟电容与原有的滤波电感串联，逆变器的等效滤波电容将会减小，使得逆变器的输出阻抗增大，进而达到增强系统稳定性。
附图说明
[0015] 图1为加入虚拟电感后的光伏并网逆变器的等效结构图，Vdc为直流母线电压，S1、S2、S3和S4均为全桥功率开关管；
[0016] 图2为加入虚拟电感后的系统线性模型；
[0017] 图3为加入虚拟电容后的光伏并网逆变器的等效结构图；
[0018] 图4为加入虚拟电容后的系统线性模型；
[0019] 图5为加入虚拟电抗后的光伏并网逆变器的等效结构图；
[0020] 图6为加入虚拟电抗后的系统线性模型；
[0021] 图7为虚拟电感前馈通路的线性模型；
[0022] 图8为加入虚拟电抗前后逆变器输出阻抗对比图，加入虚拟电抗前的逆变器输出阻抗为Zo1曲线，加入虚拟电抗后的逆变器输出阻抗为Zo2曲线，Zg曲线为实际电网阻抗；
[0023] 图9为加入虚拟电抗控制方法前后系统开环传递函数极点分布图；
[0024] 图10为加入虚拟电抗前系统奈氏曲线图；
[0025] 图11为加入虚拟电抗后系统奈氏曲线图。
具体实施方式
[0026] 具体实施方式一、结合图1-图6说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法包括以下步骤：
[0027] 步骤一、根据实际电网阻抗Zg、光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)以及光伏并网逆变器输出阻抗稳定性判据的幅频特性和相频特性获得虚拟电感量LV、虚拟电感量的等效内阻rV和虚拟电容量CV；
[0028] 步骤二、根据虚拟电感量LV和虚拟电感量的等效内阻rV，并结合全桥增益KPWM，获得虚拟电感的等效前馈通路传递函数GLV(s)；
[0029] 步骤三、根据虚拟电容的电容量CV，并结合全桥增益KPWM、实际滤波电容Cac、滤波电感Lac及其寄生电阻rac、电流环传递函数Gi(s)和反馈滤波环传递函数Ga(s)获得虚拟电容的等效前馈通路传递函数
[0030] 步骤四、将虚拟电感的等效前馈通路传递函数和虚拟电容的等效前馈通路传递函数进行离散化，获得差分方程：
[0031]
[0032] z(n)＝K1vO(n)+K2vO(n-1)-K3vO(n-2)，
[0033] 其中，Ts为采样周期，K1、K2、K3均为系数；
[0034] 步骤五、将y(n)、z(n)与电流环的输出量x(n)进行叠加。
[0035] 本发明以LC型单相光伏并网逆变器为例，图1所示为加入虚拟电感后的并网逆变器等效结构图，图中虚线框中的电感LV即为新增加的滤波电感成分，该电感与原来的滤波电感Lac串联，根据电感串联电感值增大的基本原理，增加电感LV后逆变器的滤波电感总量变为Lac'＝Lac+LV；为了不增大原有光伏并网逆变器的体积和重量，电感LV并不是一个实际电感，而是在控制系统中增加一条前向通路，加入虚拟电感后的系统线性模型如图2所示，图2中虚线框部分即为新增加的控制环节，该部分可看做一个比例微分环节，从控制的角度来看，增加该前向通路后等同于将滤波电感从Lac增大到Lac+LV；
[0036] 减小逆变器输出电容也是弱电网情况下提高系统稳定性的有效措施之一，但减小电容往往会导致系统输出纹波变大，并网电能质量降低，在实际应用中会对系统产生不良影响，为此，本发明通过在控制回路中增加一个虚拟电容与原有的滤波电感串联，逆变器的等效滤波电容将会减小，使得逆变器的输出阻抗增大，进而达到增强系统稳定性的目的，该系统中等效滤波电容变为
[0037] 将上述虚拟电感和虚拟电容控制方法加以融合即为本发明所提出的虚拟电抗控制方法，如图6所示可以看出，本发明提出的方法相当于在原系统电流环控制基础上，加入了两个控制环路，得到输出控制信号y(n)和z(n)，并将该控制信号与电流环的输出信号x(n)进行叠加，最后输出合成的控制信号经SPWM调制后驱动功率开关管，实现对系统的闭环控制。
[0038] 具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法的区别在于，步骤一中所述的实际电网阻抗Zg是通过阻抗测试设备或电网阻抗在线检测方法获得。
[0039] 具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法的区别在于，步骤一中所述的光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)的表达式为：
[0040]
[0041] 其中，ωc为二阶低通滤波器的截止角频率，Q为品质因数，Cac为实际滤波电容，Lac为实际滤波电感，rac为Lac的寄生电阻，KPWM为全桥增益，vo为光伏并网逆变器输出电压，io为光伏并网逆变器输出电流， 为电感电流给定值，KP为电流环比例系数，KI为电流换积分系数。
[0042] 具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法的区别在于，步骤一中所述的光伏并网逆变器输出阻抗稳定性判据的表达式为：
[0043]
[0044] 其中，GM为增益裕度，PM为相角裕度，当实际电网阻抗Zg不变时，光伏并网逆变器输出阻抗的幅频特性满足|Zg|+GM<|Zo|，其相频特性不需要满足-180° +PM<∠Zg-∠Zo<180°-PM即可保证电网系统稳定；当光伏并网逆变器输出阻抗的幅频特性不满足|Zg|+GM<|Zo|，则其相频特性必须满
足-180°+PM<∠Zg-∠Zo<180°-PM，以保证系统稳定。
[0045] 具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法的区别在于，步骤一中所述的根据实际电网阻抗Zg、光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)以及光伏并网逆变器输出阻抗稳定性判据的幅频特性和相频特性获得虚拟电感量LV、虚拟电感量的等效内阻rV和虚拟电容量CV的过程为：保证实际电网阻抗Zg不变，根据增益裕度GM、相角裕度PM以及光伏并网逆变器输出阻抗Zo(s)的表达式获得虚拟电感量LV和虚拟电容量CV，虚拟电感量LV的等效内阻rV是根据实际电感的等效内阻等比例获得。
[0046] 具体实施方式六、结合图1-图7说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式五所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法的区别在于，步骤二中所述的根据虚拟电感量LV和虚拟电感量的等效内阻rV，并结合全桥增益KPWM，获得虚拟电感的等效前馈通路传递函数GLV(s)的过程为：
[0047] 步骤二一、将反馈输出电流信息iL和虚拟电感的等效前馈通路传递函数GLV(s)相乘后，与电流环输出进行叠加，以确定等效前馈通路在整个控制环路中的位置，并通过该位置获得虚拟电感前馈通路的线性模型；
[0048] 步骤二二、确定增加前馈通路后的最终控制目标，即等效目标传递函数为[0049] 步骤二三、根据自动控制原理的结构图化简方法，对虚拟电感前馈通路的线性模型进行化简，得到传递函数 该传递函数与等效目标传递函数相等，从而获得虚拟电感的等效前馈通路传递函数
[0050] 虚拟电容等效前馈通路传递函数GCV(s)的获得过程与GLV(s)的获得过程原理相似。
[0051] 具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的光伏并网逆变器虚拟电抗控制方法的区别在于，步骤四中所述的
[0052] 如图8所示为加入虚拟电抗前后逆变器输出阻抗对比图，从图中可以看出加入虚拟电抗后逆变器输出阻抗幅频特性提高，在中低频段可以保证逆变器输出阻抗幅频特性曲线满足阻抗稳定性判据；图9所示为加入虚拟电抗控制方法前后开环传递函数极点分布图，增加虚拟电抗后系统开环传递函数的极点更远离虚轴，系统稳定性提高；图10所示为加入虚拟电抗前系统奈氏曲线图，系统开环传函奈氏曲线包围(-1，j0)点，开环传函不存在右半平面极点，此时系统不满足奈氏稳定判据，故系统不稳定；图11所示为加入虚拟电抗后系统奈氏曲线图，系统开环传函奈氏曲线不包围(-1，j0)点，且开环传函同样不存在右半平面极点，故此时可判断出系统稳定，从而进一步证明了本发明所提出的虚拟电抗控制方法能够提高系统的稳定性。
