本发明涉及电气工程领域，尤其涉及一种基于无源性的并网逆变器双模式融合控制方法。
背景技术：
1、随着电力电子设备在电网中渗透率的不断提高，导致电网阻抗产生不确定性、随机性的大范围波动，这会对电网的安全稳定性带来巨大的潜在威胁。现如今电网这种低惯量、高阻抗的弱网特征，致使原本可靠运行的跟网型(grid-following，gfl)变流器带来了明显的宽频振荡和对电网的主动支撑性不足等问题，严重危及新能源发电系统的稳定运行。例如：
2、1)中国专利文献cn 107093909a于2017年8月25日授权公开的《一种提高弱电网下并网逆变器稳定性的虚拟导纳方法》，本发明提供了一种提高弱电网下并网逆变器稳定的虚拟导纳方法，当电网阻抗大于第一电网阻抗值时，并网系统会走向不稳，该发明提出一种通过在控制环路中接入虚拟导纳，并且该虚拟导纳将根据电网阻抗进行自适应调整，已达到保证并网逆变器稳定的目的。然而，对于电网阻抗的精准识别是一件很复杂、技术难度很高的操作，并且很难做到对于电网阻抗进行实时的精准测量。
3、2)中国专利文献cn 114884125a于2022年8月9日授权公开的《一种弱电网下lcl型并网逆变器系统的高稳定性控制方法》，本发明公开了一种弱电网下lcl型并网逆变器系统的高稳定性控制方法，用于解决常规逆变器在弱电网环境下容易出现不稳定情况的问题，针对弱电网下电网阻抗增加及小信号扰动对并网逆变器系统中锁相环、lcl滤波器的影响，采用二阶广义积分的双并网电流环反馈有源阻尼策略，构建自适应二阶谐振积分器有源阻尼反馈函数，比例谐振函数作为电流环控制器，并对控制系统进行了虚拟阻抗校正，设计了电压前馈控制器；设计了基于双二阶自适应滤波器分序锁相环。虽然该方案针对弱电网条件下负阻抗带来的不稳定因素通过虚拟阻抗进行校正，然而依然无法摆脱锁相环在弱电网条件下与电网阻抗的耦合，因此还存在失稳的风险。
4、3)中国专利文献cn 106253646a于2016年12月21日授权公告的《提高弱电网适应能力的并网逆变器lcl滤波器参数设计方法》，本发明公开了一种提高弱电网适应能力的并网逆变器lcl滤波器参数设计方法，首先计算控制过程的延迟时间，根据电流控制环得出开环传递函数，基于广义奈氏稳定判据得出系统谐振频率稳定域，相比于原有参数繁琐的反复试凑法，该方案计算简单，但是针对电网阻抗的波动范围依然有局限性，并不能适用于现如今电网阻抗更大范围波动的应用场景。
5、当面临现如今新能源发电大量接入和电力电子设备的大量使用的新型电网环境，同时，考虑到逆变器本身的非线性，尤其当其运用到即插即用、随机投切的电网结构/参数变化的非线性应用场景，传统单模式运行的并网逆变器的适应能力往往不足，将可能引发宽频振荡等稳定性问题。为此，有学者研究提出基于跟网/构网的双模式融合控制。例如：
6、1)中国专利文献cn 110021959a于2020年8月28日授权公告的《弱电网下基于短路比的并网逆变器双模式控制方法》，本发明公开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，主要针对弱电网条件下全电流源模式的多逆变器系统通过阻抗辨识获取弱网状态不够直观、清晰地问题，提出基于短路比来表征弱电网的状态，来实现跟网、构网模式的切换，以期达到保证逆变器系统稳定的方法。但是无论是阻抗的辨识还是基于短路比获取电网的弱网状态，都基于精准的检测和计算，而实时精准的测量和模式切换都是不容易的。
7、2)中国专利文献cn 114865711a于2022年8月5日授权公告的《一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统》，本发明公开了一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统，提出稳定运行条件下逆变器运行在自同步控制模式，在电网电压跌落时切换至定交流电压控制模式，给系统提供无功补偿，以期达到具备良好的低电压穿越能力。通过并网点的电压跌落深度来实现自动切换，缩短切换时间。但是该方法仅仅是针对电压跌落的工况进行模式的切换，并未对于其他的工况给出合理的检测指标和切换，因此本发明的双模式切换具有一定的局限性。
8、3)中国专利文献cn 115882514b于2023年5月9日授权公告的《新能源电力系统跟网构网一体化变流器集群融合控制方法》，本发明提供一种新能源电力系统中跟网构网一体化变流器集群聚合控制方法，包括：根据同步发电机的功率特性，得到同步发电机输出功率响应曲线；对分布式能源系统的发电单元输出功率进行等效，使其输出功率响应特性等效为虚拟同步发电机，并获得其摇摆方程；构建功率曲线并分配功率指令；构建本地跟网构网统一化控制方法；设计跟网构网一体化控制方法内功率指令分配系数。本发明通过该方法通过将所有发电单元进行聚合控制，并在传统构网、跟网控制策略的基础上，构建兼备二者优势的一体化控制方法。该方法是一种场站极多模式优化配置方案，但是技术相对较复杂，模型结构困难，实施较难。
9、无源性理论是直接从系统的能量耗散性特性出发，进行控制器的控制环节的设计。该方法具有重要的特性：多个具有无源性的子系统并联连接后获得的新系统仍旧满足无源性，基于该理论进行建模可以适用于复杂的高阶系统。因此，基于无源性理论设计的控制器为高渗透率可再生能源发电系统的并网控制技术提供了一种有效的解决方案。例如：
10、1)发表于2023ieee第六届国际电气与能源会议(cieec)的“m.li、h.geng andx.zhang，robust passivity-based control for grid-formingconverter，cieec”(“基于无源性的构网型变流器鲁棒控制”)该文献提出了基于无源的控制器在实际应用中的非线性控制延迟问题，这可能导致并网变换器存在稳定裕度不足甚至不稳定的风险。该文采用d分割法引入非线性控制时延，为构网型变流器提供了一种基于鲁棒的无源控制方法。但是，该文中针对的是交流输出电压控制的无源控制律设计方案，对外体现的电压源外特性。而本发明涉及的是外特性为电流源特性，该文献针对的是弱电网条件下构网型并网逆变器的控制器设计与分析，然而面对现如今电网较强的波动性和随机性，依然存在动态性和响应速度不够的缺陷。
11、综上所述，现有技术存在以下问题：
12、1)基于传统跟网型模式运行的并网逆变器无法在大规模新能源接入后，所引发的高电网阻抗、低惯量的弱网条件下稳定运行。尤其是在新能源发电系统中，随着长距离输电导致的线路阻抗大幅增加，电网强度逐渐降低，导致基于锁相环的传统跟网模式运行的逆变器会导致注入电网电压和电流出现宽频振荡。
13、2)现有有关文献对于跟网/构网切换型混合控制的研究，根据电网阻抗辨识环节获知电网强弱的信息，实现在弱网和强网条件下的运行模式的切换，但是阻抗辨识技术尚不成熟，在工程应用中存在一定的技术难度。
14、3)现有有关基于传统的线性架构，例如比例-积分控制器的跟网/构网融合型或切换型混合控制，在现如今高阻抗、低惯量的弱网条件下当遇到逆变器的即插即用、电网线路阻抗的随机、不确定波动、线路和器件参数波动等非线性工况时不能够准确响应，动态响应能力不足。尤其是极易带来不可预料的宽频振荡，甚至于失稳的风险。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是克服原有双模式切换技术方案需要实时进行电网阻抗感知的局限性。现如今高阻抗、低惯量的弱电网特性和逆变器的即插即用、随时投切等各类非线性因素的干扰，急需一种可以广泛适应阻抗大范围波动和应对复杂非线性工况的控制方法，因此，本发明提出一种基于无源性的并网逆变器双模式融合控制方法。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种基于无源性的并网逆变器双模式融合控制方法，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、lcl型滤波器、线路等效电感和三相电网，其中lcl型滤波器中包括桥臂侧电感、桥臂侧电感等效电阻、滤波电容和网侧电感；所述双模式融合控制指的是并网逆变器跟网型控制模式和并网逆变器构网型控制模式的融合控制，所述融合控制方法包括建立并网逆变器跟网型控制模式的无源反馈控制律和并网逆变器构网型控制模式的无源反馈控制律，然后引入加权系数n对于两种控制模式的两个无源反馈控制律进行加权，得到一个双模式融合无源反馈控制律u，具体步骤如下：
4、步骤1，采样桥臂侧电感输出电流ia，ib，ic，并经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换得到桥臂侧电感输出电流d轴分量id和桥臂侧电感输出电流q轴分量iq；采样滤波电容输出电压uca，ucb，ucc，并经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换得到滤波电容输出电压d轴分量ucd和滤波电容输出电压q轴分量ucq；采样三相电网电流iga，igb，igc，并经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换得到三相电网电流d轴分量igd和三相电网电流q轴分量igq；
5、步骤2，获取并网逆变器与电网同步所需的相位角，并记为同步相位角θ，θ＝∫ωdt，其中，t为并网逆变器运行时间，ω为参考角频率；
6、所述参考角频率ω通过有功功率同步环控制得到，其表达式为：ω＝ω0+kp(pref-p)，式中，ω0为额定角频率，kp为有功功率同步环控制比例系数，pref为并网逆变器输出的额定有功功率指令值，p为并网逆变器输出的额定有功功率；
7、步骤3，建立并网逆变器跟网型控制模式的无源反馈控制律，并记为跟网型无源反馈控制律u1，u1＝[ud1 uq1]，其中，ud1为跟网型无源反馈控制律u1的d轴调制电压，uq1为跟网型无源反馈控制律u1的q轴调制电压；
8、步骤4，建立并网逆变器构网型控制模式的无源反馈控制律，并记为构网型无源反馈控制律u2，u2＝[ud2 uq2]，其中，ud2为构网型无源反馈控制律u2的d轴调制电压，uq2为构网型无源反馈控制律u2的q轴调制电压；
9、步骤5，引入加权系数n，实现对于跟网型无源反馈控制律u1和构网型无源反馈控制律u2的加权控制，并将加权后的无源反馈控制律记为双模式融合无源反馈控制律u，其表达式为：
10、u＝nu1+(1-n)u2。
11、优选地，步骤3所述跟网型无源反馈控制律u1的求解步骤如下：
12、在跟网运行模式下，将桥臂侧电感输出电流的d轴分量给定值、q轴分量给定值分别记为其计算式为：
13、
14、其中，qref为并网逆变器输出的额定无功功率指令值，u为三相电网电压的有效值；
15、基于互联和阻尼分配无源控制方法，得到跟网型无源反馈控制律u1＝[ud1 uq1]的表达式如下：
16、
17、其中，rf为桥臂侧电感等效电阻的阻值，rl1为跟网型模式注入阻尼增益，l1为桥臂侧电感的感值。
18、优选地，步骤4所述构网型无源反馈控制律u2的求解步骤如下：
19、在构网运行模式下，将桥臂侧电感输出电流的d轴分量、q轴分量的给定值分别记为其表达式为：
20、
21、其中，c为滤波电容的容值，rm1为构网型模式第一注入阻尼增益，分别为滤波电容输出电压d轴分量的给定值、滤波电容输出电压q轴分量的给定值；
22、基于互联和阻尼分配无源控制方法，得到构网型无源反馈控制律u2＝[ud2 uq2]的表达式如下：
23、
24、其中，rm2为构网型模式第二注入阻尼增益，rf为桥臂侧电感等效电阻的阻值，l1为桥臂侧电感的感值。
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无源性的并网逆变器双模式融合控制方法，可以保证并网逆变器在电网阻抗大范围波动的弱电网条件下具有较强的鲁棒性，同时从同步机主导的强电网到电网阻抗较高的弱电网，本控制策略均可以保证并网逆变器的稳定运行。
27、2、本发明提出的控制方法中，并网逆变器跟网型控制模式的无源反馈控制律和并网逆变器构网型控制模式的无源反馈控制律均是基于耗散无源性理论的端口受控哈密顿模型，采用互联和阻尼分配无源控制方法建立，即本发明控制方法基于端口受控哈密顿模型对逆变器进行非线性建模和控制，从能量角度出发，对于并网逆变器控制系统的设计更具有直观性，同时端口受控哈密顿模型适用于高阶的非线性系统，因此设计更加精准。
28、3、随着新能源发电设备和电力电子设备的大量引入，现如今的电网呈现高阻抗、低惯量的特性，本发明提出的控制方法不仅具备较高的并网电能质量和功率调节速度，同时还具备对于电压、频率的主动支撑作用。
29、4、本发明提出的控制方法，相比于传统线性架构的双模式融合控制，其动态特性和鲁棒性更强，因此在参数/结构非线性波动等非线性因素的干扰下，具备更好的稳定性和可靠性。
30、5、本发明提出的控制方法，摒弃传统的跟网模式常用的锁相环结构，而是采用功率同步环节获取电网电压的相位，避免在弱电网条件下电网阻抗与锁相环的耦合，具备更强的抵抗电网扰动的能力。
31、6、本发明提出的方法无需电网阻抗辨识等其他电网状态感知方法，鲁棒性好，避免了测量误差带来的控制性能下降问题。
1.一种基于无源性的并网逆变器双模式融合控制方法，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、lcl型滤波器、线路等效电感和三相电网，其中lcl型滤波器中包括桥臂侧电感、桥臂侧电感等效电阻、滤波电容和网侧电感；其特征在于，所述双模式融合控制指的是并网逆变器跟网型控制模式和并网逆变器构网型控制模式的融合控制，所述融合控制方法包括建立并网逆变器跟网型控制模式的无源反馈控制律和并网逆变器构网型控制模式的无源反馈控制律，然后引入加权系数n对于两种控制模式的两个无源反馈控制律进行加权，得到一个双模式融合无源反馈控制律u，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于无源性的并网逆变器双模式融合控制方法，其特征在于，步骤3所述跟网型无源反馈控制律u1的求解步骤如下：
3.根据权利要求1所述的基于无源性的并网逆变器双模式融合控制方法，其特征在于，步骤4所述构网型无源反馈控制律u2的求解步骤如下：
