CN107196342B - 增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法 - Google Patents

增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法。本发明通过采用锁相环和矢量电流控制的控制器参数来实现三相并网逆变器的稳定性控制，无需引入新的控制器参数，控制方法实现简单。同时，该电流控制方法不受电网阻抗和并网逆变器主电路参数的影响，具有良好的鲁棒性，且适用范围广。

Description

增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法
技术领域
本发明涉及一种增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法。
背景技术
随着分布式发电系统的快速发展，三相并网逆变器作为可再生能源与电网之间的主要接口，得到了广泛应用。但是，近年来有研究表明，弱电网条件下的三相并网逆变器受锁相环的影响可能会产生谐振，甚至不稳定的现象。而不稳定现象的产生，轻则影响并网逆变器的正常运行，重则损坏设备，造成巨大的经济损失。因此，研究新型的电流控制方法实现增强弱电网下并网逆变器的稳定性具有重大意义。
针对增强并网逆变器在弱电网下稳定性的电流控制，目前采用的控制方式有：
(1)有源阻尼控制方式；
(2)虚拟阻抗控制方式；
(3)改进的电压前馈控制方式；
但是，上述控制方式均需要引入复杂的控制环节和参数，这增加了控制方式设计和实现的难度。同时，上述控制方式对并网逆变器的结构，参数和工况比较敏感，具有一定的应用局限性。为此，提供一种简单的，适用范围广的增强弱电网下并网逆变器稳定性的控制方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，以解决现有控制方法因需要引入新的控制环节和参数，导致电流控制复杂程度高和鲁棒性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，包括以下步骤：
S1：根据锁相环输出的相角θ，对采集到的电网公共点的电压和并网逆变器的输出电流进行坐标变换得到同步旋转坐标系下的d轴电压分量ud、q轴电压分量uq、d轴电流分量id和q轴电流分量iq；
S2：根据所述q轴电压分量uq提取电网公共点的电压扰动分量upq；
S3：根据同步旋转坐标系下的电流参考值idref和iqref以及所述电网公共点的电压扰动分量upq获取包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量upqidref和upqiqref；
S4：对所述包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量upqidref和upqiqref进行补偿调节；
S5：对并网逆变器的d轴电流分量id和q轴电流分量iq在同步坐标系下进行矢量控制；
S6：根据经所述步骤S4进行补偿调节后的电压扰动分量、经所述步骤S5进行电流矢量控制得到的输出、以及所述电网公共点的d轴电压分量ud和q轴分量uq获取并网逆变器的调制信号以实现增强稳定性的电流控制。
进一步地，所述步骤S2具体包括：利用第一比例积分控制器PI1和积分器对电网公共点的q轴电压分量uq进行电压调整，再通过一阶高通滤波器HPL提取电网公共点的扰动分量upq。
进一步地，所述的第一比例积分控制器PI1与所述锁相环的比例积分控制器参数相同。
进一步地，所述锁相环为单同步参考坐标系软件锁相环。
进一步地，所述的一阶高通滤波器HPL的带宽小于所述锁相环的带宽。
进一步地，所述步骤S3中，包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量获取方法为：使所述电网公共点的电压扰动分量upq分别与同步旋转坐标系下的电流参考值idref和iqref相乘得到包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量upqidref和upqiqref。
进一步地，步骤S4具体包括：利用第二比例积分控制器PI2对所述稳态工作点的电压扰动分量upqiqref进行补偿调节，利用第五比例积分控制器PI5对电网稳态工作点的电压扰动分量upqidref进行补偿调节。
进一步地，步骤S5具体包括：
S51：利用第三比例积分控制器PI3对并网逆变器的d轴电流分量id进行控制，利用第四比例积分控制器PI4对并网逆变器的q轴电流分量iq进行控制；
S52：通过将并网逆变器的d轴电流分量id和q轴电流分量iq分别乘以增益ω0L后，交叉前馈到S51所述中第三比例积分控制器PI3和第四比例积分控制器PI4的输出端，实现并网逆变器电流的解耦控制；
S53：根据步骤S51中所述的第三比例积分控制器PI3和第四比例积分控制器PI4的输出，步骤S52中所述的电流解耦控制的前馈值和公共点的电压前馈值获取并网逆变器电流矢量控制的输出。
进一步地，所述的第二比例积分控制器PI2与第三比例积分控制器PI3参数相同；第四比例积分控制器PI4与第五比例积分控制器PI5参数相同。
进一步地，所述的公共点电压前馈控制由系数k决定，当k为0时，无电压前馈控制，当k为1时，有电压前馈控制。。
本发明的有益效果为：
1、本电流控制方法可以有效增强弱电网条件下并网逆变器的稳定性；
2、本电流控制方法通过采用锁相环和矢量电流控制的控制器参数来实现，具有控制简单的特点；
3、本电流控制方法不受电网阻抗和并网逆变器主电路参数影响，具有较好的鲁棒性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的并网逆变器电网系统的整体原理图；
图2为本发明一个实施例的并网逆变器电网系统中的电流控制器的原理图；
图3为本发明一个实施例的流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，电流控制器通过采集公共节点的电压和电流来实现对并网逆变器的闭环控制。同时，在控制系统中还采用锁相环来提供电网的同步信息，相角θ。并且，根据本申请的一个实施例，本发明采用的锁相环为单同步参考坐标系软件锁相环。
如图2和图3所示，该电流控制方法具体包括以下步骤：
1、系统运行，采集公共节点的电压uabc和并网逆变器的输出电流iabc。
2、将采集到的电压信号uabc和电流信号iabc经过信号调理之后传送给数字信号处理器。其中，信号调理包括放大、滤波和模数转换等处理，将采集到的电压信号uabc和电流信号iabc转换成采集数字信号处理器能够识别的标准信号。
3、先启动数字信号处理器中的锁相环程序，并网逆变器电流控制程序暂不运行。
4、检查锁相环工作状态，锁相环输出相角稳定后再启动电流控制程序。延迟启动电流控制程序，可以有效避免锁相环的启动过程对并网逆变器稳定性的影响。
5、对电压电流信号进行坐标变换。利用数字信号处理器对采集到的三相静止坐标系下的电压信号uabc和电流信号iabc根据锁相环提供的相角θ进行坐标变换得到同步旋转坐标系下公共点的d轴电压分量ud、q轴电压分量uq、d轴电流分量id和q轴电流分量iq。本发明通过坐标变换将三相交流分量等效地变换成类似直流分量，可以大大简分析和控制过程。
6、提取电网公共点的电压扰动分量upq。利用第一比例积分控制器PI1和积分器对所述q轴电压分量uq进行电压调整，可以快速地消除控制量的稳态误差，再通过一阶高通滤波器HPL提取电网公共点的电压扰动分量upq。其中，第一比例积分控制器PI1与所述锁相环的比例积分控制器的参数相同，采用的是相同的比例积分控制器；一阶高通滤波器HPL的带宽小于所述锁相环的带宽。
7、合成包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量。使所述电网公共点的电压扰动分量upq分别与同步旋转坐标系下的电流参考值idref和iqref相乘得到包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量upqidref和upqiqref。
8、对扰动分量进行补偿调节。利用第二比例积分控制器PI2对电压扰动分量upqiqref进行补偿调节，利用第五比例积分控制器PI5对电压扰动分量upqidref进行补偿调节。当系统稳定工作时，电压扰动分量upqidref和upqiqref为理想的交流扰动信号，其通过第二比例积分控制器PI2,第五比例积分控制器PI5和公共点电压幅值U1补偿调节后仍然为不含直流分量的交流扰动信号。
9、电流矢量控制。具体为：(1)利用第三比例积分控制器PI3对并网逆变器的d轴电流分量id进行控制，利用第四比例积分控制器PI4对并网逆变器的q轴电流分量iq进行控制；(2)通过将并网逆变器的d轴电流分量id和q轴电流分量iq分别乘以增益ω0L后，交叉前馈到第三比例积分控制器PI3和第四比例积分控制器PI4的输出端，实现并网逆变器电流的解耦控制，使d轴电流分量id和q轴电流分量iq相互独立，以防止d轴与q轴电流之间的相互作用对三相并网系统整体性能产生不利的影响；(3)根据前述第三比例积分控制器PI3和第四比例积分控制器PI4的输出，前述电流解耦控制的前馈值和公共点的电压前馈值获取并网逆变器电流矢量控制的输出。其中，第三比例积分控制器PI3与第二比例积分控制器PI2的参数相同；第五比例积分控制器PI5与第四比例积分控制器PI4的参数相同；k为电压前馈系数，当k为1时，有电压前馈控制，当k为0时，无电压前馈控制。步骤8所述的经补偿调节的电压扰动分量为不含直流分量的交流扰动。将其补偿到矢量电流控制的输出，可以增强弱电网条件下并网逆变器的稳定性，但不会影响并网逆变器基波电流的控制。
10、合成电流控制器输出。根据经所述步骤8进行补偿调节后的电压扰动分量、经所述步骤9进行电流矢量控制得到的输出获取并网逆变器的调制信号以实现增强稳定性的电流控制。调制信号的具体获取方法为：根据第三比例积分控制器PI3和第四比例积分控制器PI4的输出、d轴电压分量ud以及q轴电流前馈解耦控制的前馈值得出d轴调制信号分量Umd；根据第四比例积分控制器PI4和第五比例积分控制器PI5的输出、电压扰动分量upqidref的U1倍，q轴电压分量uq以及d轴电流前馈解耦控制的前馈值得出q轴调制信号分量Umq。
11、将步骤10中的调制信号Umd和Umq进行反坐标变换，转换到三相静止坐标系下，并利用调制器进行脉冲宽度调制。具体为：将在三相静止坐标系下的电压调制信号与三角形载波进行比较，若调制信号幅值大于三角载波信号，输出高电平，若调制信号小于三角载波信号，则输出低电平。开关器件得到相应的电平信号后，即根据电平信号控制三相并网逆变器开始工作。
12、重复上述步骤2至步骤11，控制三相并网逆变器的电流，以实时保证三相并网逆变器的稳定运行。
本发明通过采用锁相环和矢量电流控制的比例积分控制器来实现三相并网逆变器稳定性的电流控制，无需引入新的控制参数，控制实现简单。同时，该电流控制方法不受电网阻抗和并网逆变器主电路参数的影响，具有良好的鲁棒性，且适用范围广。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据锁相环输出的相角θ，对采集到的电网公共点的电压和并网逆变器的输出电流进行坐标变换得到同步旋转坐标系下的d轴电压分量ud、q轴电压分量uq、d轴电流分量id和q轴电流分量iq；
S2：根据所述q轴电压分量uq提取电网公共点的电压扰动分量upq；
S3：根据同步旋转坐标系下的电流参考值idref和iqref以及所述电网公共点的电压扰动分量upq获取包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量upqidref和upqiqref；
S4：对所述包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量upqidref和upqiqref进行补偿调节；
S5：对并网逆变器的d轴电流分量id和q轴电流分量iq在同步坐标系下进行矢量控制；
S6：根据经所述步骤S4进行补偿调节后的电压扰动分量、经所述步骤S5进行电流矢量控制得到的输出信号以及所述电网公共点的d轴电压分量ud和q轴分量uq获取并网逆变器的调制信号以实现增强稳定性的电流控制。
2.根据权利要求1所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：通过第一比例积分控制器PI1和积分器对电网公共点的q轴电压分量uq进行电压调整，再通过一阶高通滤波器HPL提取电网公共点的电压扰动分量upq。
3.根据权利要求2所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，所述的第一比例积分控制器PI1与所述锁相环的比例积分控制器的参数相同。
4.根据权利要求3所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，所述锁相环为单同步参考坐标系软件锁相环。
5.根据权利要求2-4任一所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，所述的一阶高通滤波器HPL的带宽小于所述锁相环的带宽。
6.根据权利要求1所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量获取方法为：使所述电网公共点的电压扰动分量upq分别与同步旋转坐标系下的电流参考值idref和iqref相乘得到包含并网逆变器电流稳态工作点信息的电压扰动分量upqidref和upqiqref。
7.根据权利要求6所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，步骤S4具体包括：利用第二比例积分控制器PI2对所述稳态工作点的电压扰动分量upqiqref进行补偿调节，利用第五比例积分控制器PI5和公共点电压幅值U1对电网稳态工作点的电压扰动分量upqidref进行补偿调节。
8.根据权利要求7所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，步骤S5具体包括：
S51：利用第三比例积分控制器PI3对并网逆变器的d轴电流分量id进行控制，利用第四比例积分控制器PI4对并网逆变器的q轴电流分量iq进行控制；
S52：通过将并网逆变器的d轴电流分量id和q轴电流分量iq分别乘以增益ω0L后，交叉前馈到S51所述中第三比例积分控制器PI3和第四比例积分控制器PI4的输出端，实现并网逆变器电流的解耦控制；
S53：根据步骤S51中所述的第三比例积分控制器PI3和第四比例积分控制器PI4的输出,步骤S52中的电流解耦控制的前馈值和公共点的电压前馈值获取并网逆变器电流矢量控制的输出。
9.根据权利要求8所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，所述的第二比例积分控制器PI2与第三比例积分控制器PI3参数相同；第四比例积分控制器PI4与第五比例积分控制器PI5参数相同。
10.根据权利要求8所述的增强弱电网条件下三相并网逆变器稳定性的电流控制方法，其特征在于，所述的公共点电压前馈控制由系数k决定，当k为0时，无电压前馈控制，当k为1时，有电压前馈控制。
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