CN103545838A - 一种适用于弱电网接入条件下的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于弱电网接入条件下的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法。目前已有的优化控制大多数针对电网阻抗是固定的情况，但并网逆变器的电网接入条件通常是动态变化的，因此针对不同的电网阻抗条件进行自适应控制具有很好应用价值。本发明的方法为：通过谐波注入法，测量弱电网阻抗信息，控制器自适应地修改控制环路参数和有源阻尼系数，保证控制系统始终具有较高的稳定裕度和较为合适的控制带宽。本发明基于电网阻抗实时测量，提出一种新的混合阻尼自适应控制方法，通过自动选取内置在DSP中的优化控制参数，保证不同电网阻抗接入条件下逆变器的控制带宽与相角裕度，使得并网逆变器在各种电网阻抗条件下都可以安全可靠的运行。

Description

一种适用于弱电网接入条件下的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于电网阻抗动态反馈和自适应变参控制的并网逆变器混合阻尼控制方法，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，系统的各个参数都是固定的。根据合理的设计，可以使得控制系统拥有合适的带宽和较高的稳定性。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，这会对并网逆变器控制系统造成很大的影响。如果电网阻抗过大，会造成系统带宽明显降低，稳定性下降，甚至导致系统不稳定。 

本发明提出一种并网逆变器的混合阻尼自适应控制方案，通过电网阻抗的实时检测、有源阻尼控制以及自适应变参数控制方法，实现电网阻抗的实时动态补偿控制，保障不同电网接入条件下控制器的控制带宽和相角裕度，提高了并网逆变器的鲁棒性，使得并网逆变器在各种电网阻抗条件下都可以安全可靠的运行。 

发明内容

本发明旨在提出了一种基于电网阻抗动态反馈和自适应变参控制的并网逆变器混合阻尼控制方法，用以抑制不同电网接入条件下电网阻抗对并网逆变器控制系统的影响，改善系统响应速度和提高并网稳定性。 

本发明的具体技术方案及其优点如下： 

(1)在DSP控制器的电流参考上叠加一个频率较高，幅值较小的谐波，造成并网电压和并网电流在该频率下的响应。然后采用Fast Fourier Transform(FFT)算法对电压电流进行分析以获得到该频率下的并网电压和并网电流幅值和相位信息。利用欧姆定理则可电网阻抗的即时值。 

(2)利用电网阻抗的检测结果，DSP实时计算和选取优化的PR参数和电容电流反馈系数，总的来讲是随着电网阻抗的增大，PR参数适当增大，电容反馈系数适当增大；控制参数的动态调整基于控制器的频率特性分析，以保障不同电网接入条件下控制器的频率特性维持合理的控制带宽与足够的相角裕度。 

此方法通过基于电网阻抗实时反馈和自适应变参控制，使得并网逆变器系统始终具 有较高的稳定裕度和较为合适的控制带宽，在各种电网阻抗条件下都可以安全可靠的运行。 

(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_pcc，DSP控制器针对逆变器并网电流i_g经过电流环PR得到的信号u_f，针对逆变器电容电流i_c经过比例环节得到的信号u_ic，然后进行运算得调制信号e，如式I所示： 

e＝u_f+u_ic     (式I)。 

此方法通过基于并网电流的PR电流控制环和基于输出电压前馈的有源阻尼控制环，实现系统的混合阻尼控制，最终实现系统的电网阻抗动态补偿控制。 

(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)并网逆变器自适应控制方法的工作原理为：在并网逆变器的电流控制环路和有源阻尼前馈控制基础上，利用谐波注入法检测电网阻抗，若阻抗发生改变，则根据新的电网阻抗自动计算与选取优化控制参数以实现电网阻抗的补偿控制；若无改变，则控制参数亦无需改变。 

上述原理利用软件实现时，可采用离线优化与在线查表法相结合方法，加速DSP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为电网阻抗变化下的系统阻抗波特图。 

图3为单相LCL并网逆变器加入电容电流前馈后逆变器简化控制框图。 

图4为电容电流前馈参数K_ic变化下的系统阻抗波特图(等效电网阻抗为3mH，4Ω)。 

图5为电网阻抗测量系统的结构图。 

图6为本发明提出控制方法的一种具体实施方式流程图。 

图7为未加入自适应控制一定电网阻抗下的Matlab仿真并网电流波形图(等效电网阻抗为3mH，4Ω)。 

图8为加入自适应控制后各种电网阻抗下的Matlab仿真并网电流波形图。 

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，弱电网4，控制器5，电网阻抗检测与变参控制模块6。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，滤波电容C_f和阻尼电阻R_d组成；弱电网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为电网阻抗变化下的系统阻抗波特图。可以看到当电网感抗L_g增大时，控制系统的带宽急剧降低，LCL滤波器的谐振峰增大；当电网阻抗R_g增大时，控制系统的带宽也会降低。综上所述，当电网阻抗增大时，并网逆变器控制系统的控制带宽会明显降低，这会造成系统响应速度变慢；当电网感抗增大时，LCL滤波器的谐振峰增大，严重影响了控制系统的稳定性。 

图3为加入电容电流前馈后逆变器简化控制框图。从图中可以看出本发明使用的有源阻尼方法是前馈电容电流i_c，经比例环节K_ic后叠加到电流环输出。在电流基准中注入谐波电流i_meas，为电网阻抗的测量做准备。采样并网电压u_pcc和并网电流i_g，计算电网阻抗R_g与L_g，然后依据电网阻抗，DSP自动调整控制参数K_pK_rK_ic。 

图4为电容电流前馈参数K_ic变化下的系统阻抗波特图。可以看到随着前馈参数K_ic的增大，LCL的谐振峰得到有效得抑制，但是K_ic的最大也会会降低系统的相位裕度，带来新的稳定性问题。所以电容电流的前馈参数的选取需要综合系统的稳态和动态性能进行拆衷考虑。 

图5为电网阻抗测量系统的结构图。首先将特定次谐波电流通过并网电流基准给定注入到电网，通过DSP的AD采样模块检测并网电压u_pcc和并网电流i_g。然后利用Fast Fourier Transform(FFT)算法对电压电流进行分析以获得到特定次谐波下的并网电压u_pcc和并网电流i_g幅值和相位信息。最后根据式(I)(II)可得在特定频率下的电网阻抗的幅值和相位信息。 

$\left|Z\left(f_{\mathrm{meas}}\right)\right|=\frac{\left|v\left(f_{\mathrm{meas}}\right)\right|}{\left|i\left(f_{\mathrm{meas}}\right)\right|}$      (式I) 

∠Z(f_meas)＝∠v(f_meas)-∠i(f_meas)    (式II) 

当采用简化的RL串联电网阻抗模型，就可以计算出等效的电网阻抗R和电网感抗L，如式(III)(IV)所示。 

R_g＝|Z|·cos∠Z    (式III) 

$L_g=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{meas}}}\left|Z\right|\·\sin \∠Z$         (式IV) 

图6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的方法实时检测电网阻抗，然后依据电网阻抗，DSP自动调整控制参数K_pK_rK_ic，计算调制信号e，最终生成SPWM信号实现系统阻抗主动控制。 

利用Matlab对混合阻尼自适应控制进行仿真验证。图7为一定电网阻抗条件下并网电流波形，此时尚未加入混合阻尼自适应控制，由于存在电网阻抗，所以控制系统无法稳定工作，并网电流波形完全失控；图8为加入自适应控制后各种电网阻抗下的Matlab仿真并网电流波形图，加入了电容电流前馈，同时实时调节控制参数，提高了并网系统稳定裕度与控制带宽。可以看到，在各种电网阻抗的条件下，并网逆变器都可以稳定高效地工作。 

Claims (2)

1.一种基于电网阻抗实时反馈的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法，在电流环路控制基础上，加入有源阻尼前馈控制，为电网阻抗补偿控制提供额外控制自由度，同时基于电网阻抗的实时检测实现控制参数的自适应调整与优化。其特征在于由如下几个步骤所构成：

(1)通过在基准电流上注入频率较高，幅值较小的谐波，造成并网电压和并网电流在该频率下的响应，从而测量出电网阻抗；

(2)根据实时测量的电网阻抗量，计算出不同电网阻抗条件下的优化控制参数，以保障不同电网阻抗条件下的控制带宽与相角裕度，从而实现自适应变参控制目标。

(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_pcc，DSP控制器针对逆变器并网电流i_g经过电流环PR得到的信号u_f，针对逆变器电容电流i_c经过比例环节得到的信号u_ic，然后进行运算得调制信号e，从而基于有源阻尼实现电网阻抗的补偿控制；

(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。

2.根据权利要求1所述的并网逆变器混合阻尼自适应控制方法，其特征在于，

在步骤(2)中，针对LCL并网逆变器引入一种新颖的混合阻尼实时控制方案。当电网阻抗增大时，并网逆变器控制系统的控制带宽会明显降低，这会造成系统响应速度变慢；当电网感抗增大时，LCL滤波器的谐振峰增大，严重影响了控制系统的稳定性。

所以，对于电网阻抗变化的情况，必须采取相应的措施以调节带宽和抑制阻尼。调节带宽可以依据电网阻抗的测量结果适当增大PR调节器参数以实现。而抑制谐振采用的是电容电流前馈下的虚拟阻尼与实际阻尼电阻相结合的方式。实际阻尼电阻过大会导致系统损耗上升，效率下降。而采用虚拟阻尼的方法时，电容电流的前馈参数的选取也是一个较为敏感的问题，前馈系数太大，会降低系统的相位裕度，带来新的稳定性问题。所以为了同时兼顾系统效率与稳定性的要求，可以采用两者相结合的混合阻尼方案，即在选取合适的阻尼电阻之后，加入电容电流前馈，根据电网阻抗的检测值，通过自适应地动态调整反馈系数，使整个系统的稳定性和效率达到要求。

综上所述，依靠电网阻抗的检测结果，实时调节并网逆变器控制系统的几个重要参数，使得逆变器系统始终具有较高的稳定裕度和较为合适的控制带宽，在各种电网阻抗条件下都可以安全可靠的运行。

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