CN103354359B - 一种基于相角裕度补偿的并网逆变器系统阻抗主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相角裕度补偿的并网逆变器系统阻抗主动控制方法。由于电网存在变化的阻抗，并网逆变器与电网间存在动态交互影响会影响并网电流波形质量，因此削弱这种阻抗交互影响是提高并网电流质量的关键。本发明的并网逆变器系统阻抗主动控制方法为：通过引入电压前馈环节G_f(s)，并提出一种基于相角补偿的电压前馈环节结构形式，实现特定频率处的逆变器输出阻抗相角的补偿控制；同时实时检测出电网阻抗信息，根据逆变器与电网阻抗交点频率与相角裕度设计要求合理选择电压前馈环节G_f(s)的控制参数，实现相角补偿的动态跟踪和定向作用，最终实现相角裕度的定向补偿和输出谐振的自适应动态抑制。本发明介绍了具备相角裕度补偿功能的主动阻抗控制方法，并给出基于相角补偿的电压前馈环节结构形式和相关参数设计方法，采用该主动阻抗控制方法可以有效地减小逆变器与电网的动态交互影响，自适应抑制系统阻抗交点频率附近所产生的谐波谐振，改善并网逆变器输出电流波形质量和提高并网稳定性。

Description

一种基于相角裕度补偿的并网逆变器系统阻抗主动控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于相角裕度补偿的并网逆变器系统阻抗主动控制方法，属于功率变换技术中的逆变器控制技术。

背景技术

几乎所有的可再生能源都是通过并网逆变器实现交流电网的接入，并网逆变器与电网之间形成一个动态的互联系统，然而在互联系统的公共电网连接处可能会存在一些意想不到的动态交互影响。

对于一个理想并网系统而言，电网阻抗无穷小同时不考虑电网电压谐波，此时系统输出电流主要由变换器输出电流决定，并网系统不存在谐波振荡现象。但是在实际电网中由于传输线缆等参数影响，电网阻抗并不为零，因此电网阻抗与变换器阻抗会在频域产生交点。如果电网阻抗过大，或变换器的控制参数设计不合理，则有可能由于过小的相角裕度造成特定次谐波振荡(阻抗交点频率附近)，从而导致并网系统最终不稳定。

在阻抗相位补偿控制基础上，提出一种并网逆变器的主动阻抗控制方案，通过电压前馈方法在逆变器阻抗与电网阻抗交截频率处实现相位补偿，从而有效抑制不同电网接入条件下并网逆变器与电网动态交互影响所产生的谐波谐振，改善并网电流波形质量和提高并网稳定性。

发明内容

本发明旨在提出了一种基于相角裕度补偿的并网逆变器系统阻抗主动控制方法，用以抑制不同电网接入条件下并网逆变器与电网动态交互影响所产生的谐波谐振，改善并网电流波形质量和提高并网稳定性。

为达成上述目标，本发明的具体技术方案如下：

(1)利用并网逆变器控制器在电流参考给定处叠加一个频率适中且非基波整数倍的小扰动，实现谐波注入的目的；通过对电网电压(逆变器输出电压)进行傅里叶分解，得到由小扰动所产生的激励响应；根据欧姆定律，用小扰动在电网电压上产生的激励除以其在逆变器输出电流中的给定，即可得到电网的阻抗信息。该过程以很小的时间间隔重复执行，实现实时检测电网阻抗信息，具有准确性高，实时性强等优点。

(2)取电网阻抗与逆变器阻抗的幅频曲线交点，求出该交点频率处逆变器阻抗的相角裕度，根据逆变器与电网子系统幅频曲线交点频率及该频率处两者阻抗的相角裕度信息设计合理的电压前馈环节G_f(s)的控制参数以实现补偿相角裕度控制逆变器阻抗的目的。针对LCL并网逆变器电压前馈环节G_f(s)的传递函数如式I所示：

$G_f\left(s\right)=-\frac{1+\frac{L_1{\mathrm{Cs}}^2}{R_d\mathrm{Cs}+1}}{K_{\mathrm{pwm}}}\frac{k}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_1}}$ (式I)

其中L₁为逆变器侧电感，C为滤波电容，R_d为阻尼电阻，K_pwm为逆变器桥臂增益，k为电压前馈比例因子，ω₁为电压前馈相角因子。

设计最大超前相位处的频率ω_m为阻抗交点频率；设计最大相位补偿角φ_m为所需相角裕度，利用式II与式III即可设计电压前馈环节G_f(s)的参数：

${\mathrm{\ω}}_m=\sqrt{(k+1)}{\mathrm{\ω}}_1$ (式II)

${\mathrm{\φ}}_m=\arctan \frac{\sqrt{(k+1)}k}{2(k+1)}$ (式III)

本发明通过对并网逆变器阻抗的相位进行补偿控制，有效抑制不同电网接入条件下并网逆变器与电网动态交互影响所产生的谐波谐振，改善并网电流波形质量和提高并网稳定性。

(3)分别利用电流传感器和电压传感器检测并采样逆变器并网电流i_g和逆变器输出电压u_o，DSP控制器针对逆变器并网电流i_g经过电流环PI得到的信号u_ic，针对逆变器输出电压u_o经过电压前馈环节G_f(s)得到的信号u_f，然后进行运算得调制信号e，如式IV所示：

e＝u_f+u_ic(式IV)。

(4)利用调制信号e与三角波交叠得到逆变桥开关管的SPWM控制信号。

(5)并网逆变器阻抗主动控制工作原理为：利用谐波注入法实施检测电网阻抗信息，利用并网逆变器控制器将前一次电网阻抗信息与实时得到的电网阻抗信息进行比较：若发生改变，则根据新的电网阻抗计算阻抗交点频率及交点频率处逆变器阻抗相角裕度，重新实时计算电压前馈环节G_f(s)的参数；若无改变，则电压前馈环节G_f(s)的参数亦无需改变。

上述原理利用数字控制的软件实现时，实现方法可根据不同算法或查表法进行优化，加速数字控制器的处理速度，提高系统的稳定性、安全性。

附图说明

图1为弱电网条件下单相LCL并网逆变器系统结构框图。

图2为单相LCL并网逆变器加入电压前馈补偿后逆变器简化控制框图。

图3为本发明提出控制方法的一种具体实施方式流程图。

图4为加入阻抗主动控制前后的系统阻抗波特图。

图5为未加主动阻抗控制时SABER仿真并网电流波形图(等效电网阻抗为0.05p.u)。

图6为加入主动阻抗控制后SABER仿真并网电流波形图(等效电网阻抗为0.05p.u)。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1为弱电网条件下单相LCL并网逆变器系统结构框图。单相LCL并网逆变器包括直流源1，逆变桥2，LCL滤波器3，考虑电网阻抗的公共电网4，控制器5。其中逆变桥2由开关管Q₁～Q₄组成；LCL滤波器3由滤波电感L₁、L₂和滤波电容C_f组成；公共电网4由理想电压源u_g和电网阻抗R_g和L_g串联等效。

图2为加入电压前馈补偿后逆变器简化控制框图。从图中可以看出本发明提出的阻抗主动方法采用的是前馈逆变器输出电压u_o，经补偿环节G_f(s)后叠加到电流环输出。

为实现并网系统相角裕度提升的设计目标，本发明提出G_f(s)的前馈表达式为：

$G_f\left(s\right)=-\frac{1+\frac{L_1{\mathrm{Cs}}^2}{R_d\mathrm{Cs}+1}}{K_{\mathrm{pwm}}}\frac{k}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_1}}$ (式V)

其中L₁为逆变器侧电感，C为滤波电容，R_d为阻尼电阻，K_pwm为逆变器桥臂增益，k为电压前馈比例因子，ω_l为电压前馈相角因子。根据想要补偿的最大相位补偿角φ_m的值，利用如下表达式计算电压前馈比例因子k的值：

${\mathrm{\φ}}_m=\arctan \frac{\sqrt{(k+1)}k}{2(k+1)}$ (式VI)

再确定最大超前相位处的频率ω_m，一般情况下，ω_m取阻抗交截频率。

在已知ω_m与k的情况下，即可得到电压前馈相角因子ω₁的值，表达式如下所示：

${\mathrm{\ω}}_m=\sqrt{(k+1)}{\mathrm{\ω}}_1$ (式VII)

至此，电压前馈环节G_f(s)的参数已全部设计完成。

图3给出了本发明提出控制方法的一种具体实施方式流程图：首先可以使用谐波注入等方法实时检测电网的阻抗Z_grd，然后计算逆变器输出阻抗Z_inv(s)与实测电网阻抗Z_grd(s)的交截频率与相角裕度，根据并网系统阻抗特性确定逆变器相位补偿要求，再根据相位补偿要求设计电压前馈控制参数以计算调制信号e，最终生成SPWM信号实现系统阻抗主动控制。

图4给出了加入阻抗主动控制前后的系统阻抗波特图，其中紫色实线表示电网阻抗Z_grd，蓝色实线表示未加阻抗主动控制时逆变器输出阻抗Z_inv，红色实线表示加入阻抗主动控制后的逆变器输出阻抗Z_inv’。从图中可以看出，在加入阻抗主动控制后系统最小相角裕度相比未加入优化控制的情况提高了25度，系统稳定性得到大幅加强。

利用SABER对阻抗主动控制进行仿真验证。图5为一定电网阻抗条件下并网电流波形，此时尚未加入阻抗相位补偿，由于存在电网与逆变器间阻抗交互影响，并网电流产生特定谐波振荡，主要谐波频率为44次谐波(对应于阻抗交截频率2200Hz)；图6为在2200Hz进行25度相位补偿后的并网电流波形，由于系统在阻抗针对逆变器输出阻抗的相位进行了有效补偿，提高了并网系统相角裕度，很好地抑制了不足阻抗相角裕度所造成的输出谐振，采用阻抗主动控制后有效改善逆变器输出电流波形，提高并网系统的稳定性。

Claims (1)

1.一种基于相角裕度补偿的并网逆变器系统阻抗主动控制方法，其特征在于，由如下5个步骤所构成：

(1)通过谐波注入法，实时获得电网的阻抗信息；

(2)根据实时测量的电网阻抗量，实时计算电网阻抗与逆变器输出阻抗的幅频曲线交点，求出阻抗交点频率与系统阻抗的相角裕度；设计电压前馈环节G_f(s)的控制参数以实现补偿相角裕度控制逆变器阻抗；

具体的，针对LCL并网逆变器引入一种电压前馈环节G_f(s)实现逆变器的相位补偿控制，其公式为式I；

$G_f\left(s\right)=-\frac{1+\frac{L_1{\mathrm{Cs}}^2}{R_{d}Cs+1}}{K_{pwm}}\frac{k}{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_1}}$ (式I)

其中L₁为逆变器侧电感，C为滤波电容，R_d为阻尼电阻，Kpwm为逆变器增益，k为电压前馈比例因子，ω₁为电压前馈相角因子；

为实现逆变器的相位补偿控制目标，设计最大超前相位处的频率ω_m为阻抗交点频率；同时设计最大相位补偿角φ_m为所需相角裕度，利用式II与式III即可设计电压前馈环节G_f(s)的参数：

${\mathrm{\ω}}_m=\sqrt{(k+1)}{\mathrm{\ω}}_1$ (式II)

${\mathrm{\φ}}_m=arctan\frac{\sqrt{(k+1)}k}{2(k+1)}$ (式III)

(3)分别利用电流传感器和电压传感器检测并采样逆变器并网电流i_g和逆变器输出电压u_o，并网电流i_g经过电流控制环H_i(s)后的输出信号为u_ic，同时，逆变器输出电压u_o经过电压前馈环节G_f(s)所得到的信号为u_f，将u_ic和u_f相加后得到调制信号e；

(4)利用调制信号e与三角波交叠得到逆变桥开关管的SPWM控制信号；

(5)控制器判断电网阻抗信息是否发生改变：如果是，转入步骤(2)，否则，无操作。