CN103812135A - 提高lcl型并网逆变器对弱电网适应能力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于LCL型并网逆变器的输出阻抗校正方法，步骤为：①检测电容电流i_C和并网电流i_g，并网点电压v_pcc以及滤波电感L₂的电压V_L2，得到它们的反馈信号为i_{C_of}，i_{g_of}，v_{pcc_of}和v_{L2_of}；②将反馈信号i_{C_of}、i_{g_of}和v_{pcc_of}输入到电流控制器，经过处理后输出v_r1；③将信号v_{pcc_of}和v_{L2_of}输入到阻抗调节器，经过处理后输出v_r2；④将v_r1和v_r2相加，得到调制信号v_m，并输入PWM生成器，产生PWM信号控制逆变桥的开关管。本发明通过阻抗调节器对并网逆变器的输出阻抗进行校正，可有效提高并网逆变器的闭环稳定性和抗扰性能。

Description

提高LCL型并网逆变器对弱电网适应能力的控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种LCL型并网逆变器控制方法，具体为通过虚拟阻抗对逆变器的输出阻抗进行校正的方法，可有效提高并网逆变器对弱电网条件的适应能力，即在电网存在宽范围变化的电网阻抗和严重的电压背景谐波时，仍然能够保证并网逆变器稳定可靠地工作，同时保证并网电流中的谐波满足并网标准。

背景技术

分布式发电系统作为可再生能源利用的主要方式之一，既能支持现有配电网的经济运行，又清洁环保，在电网中所占的容量比例将持续增大。

然而，随着分布式电源并网功率的增加和接入电网位置的广泛分布，电网越来越表现出弱电网的特性，主要存在以下两个特点：1)电网阻抗不可以忽略，且随电网的运行方式变化；2)并网点电压存在严重的背景谐波。这种弱电网特性对分布式电源与电网之间的接口，即并网逆变器，提出了更高的要求。其中电网阻抗会改变逆变器控制系统的环路增益，可能导致控制系统不稳定；而电网电压背景谐波会导致并网电流发生畸变。

根据Q/GDW480-2010、IEEE Std1547-2003等分布式电源并网标准的要求，并网逆变器需要适应电网短路容量与其额定容量之比为10时所对应的电网阻抗值，同时并网电流的各次谐波都需要控制在相应的限定值以内。因此，在弱电网下，不仅要求逆变器在电网阻抗变化时保证控制系统的稳定性，而且要能够很好地抑制由电网电压造成的并网电流畸变。为了方便阐述，本发明将这两方面的要求分别简称为稳定性要求和抗扰性能要求。

图1是现有LCL型并网逆变器的结构图。LCL型并网逆变器包括直流电源1，逆变桥2，LCL滤波器3，公共电网4，电流控制器5和PWM生成器6。其中，逆变桥2是由开关管S₁～S₄和续流二极管D₁～D₄组成；LCL滤波器3是由滤波电感L₁，L₂和滤波电容C组成；公共电网4是由电网阻抗Z_g和电网电压源v_g组成；CS₁和CS₂分别为检测电容电流i_C和并网电流i_g的传感器，VS₁为并网点电压传感器。H_i1,H_i2和H_v1分别为电容电流i_C、并网电流i_g和并网点电压v_pcc的采样系数，根据H_i1,H_i2和H_v1得到电容电流反馈信号i_{C_of}，并网电流反馈信号i_{g_of}和并网点电压反馈信号v_{pcc_of}。

电流控制器5根据传感器VS₁检测到并网点电压，利用锁相环求得其相位角θ，并利用并网点电压相位角θ与并网电流指令提供的有效值I^*一起构成并网电流实际的指令值i_ref，进而对并网电流进行闭环调节，其具体的控制过程将在结合下面的控制框图来说明。为了抑制LCL滤波器的谐振尖峰，电流控制器5中反馈了电容电流进行有源阻尼。

图2是图1所示的LCL型并网逆变器的控制框图，其中,G_d为采用数字控制引入的计算延和PWM调制延时，通常为1.5倍的采样周期T_s；G_inv为调制信号v_m到逆变桥输出电压v_AB的增益；Z_L1,Z_C和Z_L2分别为滤波电感L₁，滤波电容C和滤波电感L₂的阻抗。由图可知，并网电流的基准i_ref与并网电流的反馈信号i_{g_of}相减，得到的误差信号；调节器G_i根据该误差信号进行计算，并其减去电容电流反馈信号i_{C_of}，得到调制信号v_m；将该调制信号送入PWM调制器中，得到逆变桥2各开关管的控制信号，从而使得并网电流跟踪电流基准。

图2中通过求取v_pcc(s)/i_g(s)的比值可获得并网逆变器的输出阻抗Z_o(s)，该阻抗与并网逆变器的稳定性和抗扰性能存在密切的联系，即：提高并网逆变器输出阻抗的模值可以增强逆变器对背景谐波电压的抗扰性能，而提高并网逆变器输出阻抗的相角则可以提高逆变器控制系统在电网阻抗变化时的稳定性。然而仅采用电流控制器5难以对逆变器输出阻抗的模值和相位同时进行校正，因此难以同时兼顾稳定性要求和抗扰性能的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够同时提高LCL型并网逆变器的控制系统稳定性和抗扰性能的方法，该控制方法通过将包含并网点电压和LCL滤波器网侧电感电压的物理量按一定的函数关系叠加至电流调节器的输出，可以虚拟与并网逆变器串联和并联的阻抗，从而有效地对逆变器输出阻抗的模值和相位进行校正。

本发明提供一种提高LCL型并网逆变器对弱电网适应能力的输出阻抗校正方法，其具体技术方案包括以下步骤：

(1)利用电流传感器CS₁和CS₂检测电容电流i_C和并网电流i_g，同时电压传感器VS₁和VS₂检测并网点电压v_pcc以及滤波电感L₂的电压V_L2，得到它们的反馈信号分别为i_{C_of}，i_{g_of}，v_{pcc_of}和v_{L2_of}，对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v1和H_v2；

(2)将反馈信号i_{C_of}、i_{g_of}和v_{pcc_of}输入到传统的电流控制器，经过处理后输出v_r1；

(3)将反馈信号v_{pcc_of}和v_{L2_of}输入到阻抗调节器，经过处理后输出v_r2；

(4)将v_r1和v_r2相加，得到调制信号v_m，并输入PWM生成器，产生PWM信号控制逆变桥的开关管；

(5)判断是否接收到输入过压或者输出过流故障信号；如果是，关机，即将并网逆变器的开关管控制信号全部设置为低电平；否则，转入步骤(1)。

上述技术方案中的步骤3中阻抗调节器具体可以分为以下步骤

(1)利用v_{pcc_of}经过虚拟并联阻抗函数G_zp(s)处理后，得到输出信号v_zp，其中G_zp(s)的表达式为式I：

$G_{\mathrm{zp}}\left(s\right)=\frac{s^2\·L_1\·C+s\·C\·H_{i1}\·G_{\mathrm{inv}}\·(1-s\·{1.5T}_s)+1}{G_{\mathrm{inv}}}\·K_{\mathrm{zp}}$    式I

其中，L₁和C为LCL滤波器中逆变器侧电感的感值和滤波电容的容值，G_inv为逆变桥的增益，T_s为逆变器控制器的采样周期；K_zp是用来调整并联阻抗大小的比例系数，为了尽可能地提高逆变器等效输出阻抗的模值，取K_zp=1/H_v1。

(2)利用v_{L2_of}经过虚拟串联阻抗函数G_zs(s)处理后，得到输出信号v_zs，其中G_zs(s)的表达式为式II：

$G_{\mathrm{zs}}\left(s\right)=\frac{s^2\·L_1\·C+s\·C\·H_{i1}\·G_{\mathrm{inv}}\·(1-s\·{1.5T}_s)+1}{G_{\mathrm{inv}}}\·K_{\mathrm{zs}}$    式II

其中，K_zs是用来调整串联阻抗大小的比例系数。为了尽可能地提高逆变器等效输出阻抗的相角，同时避免放大反馈信号v_{L2_of}中的开关噪声，K_zs通常取K_zs=0～5/H_v2。

(3)根据v_zp和v_zs，计算得到阻抗调节器的输出信号v_r2，其计算过程如式III所示：

v_r2=v_zp-v_zs   式III

本发明具有两个显著的优点：

(1)当电网阻抗参数存在宽范围变化时，控制系统仍然可以保持稳定。

(2)当电网电压存在严重的背景谐波时，并网电流仍然可以保持较高的正弦度。

附图说明

图1是现有LCL型并网逆变器的结构示意图；

图2是现有LCL型并网逆变器的控制框图；

图3是采用本发明所提供LCL型并网逆变器的结构框图；

图4是采用本发明所提供的控制方法的流程图；

图5是采用现有控制方法的实验波形；

图6是仅采用虚拟并联阻抗提高抗扰性能的实验波形；

图7是本发明所提供的控制方法的实验波形；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

采用本发明所提供LCL型并网逆变器的结构图如图3所示：1-直流电源；2-逆变桥；3-LCL滤波器；4-公共电网；5-电流控制器；6-PWM生成器；7-阻抗调节器。其中，逆变桥2是由开关管S₁～S₄和续流二极管D₁～D₄组成；LCL滤波器3是由滤波电感L₁，L₂和滤波电容C组成；公共电网4是由电网阻抗Z_g和电网电压源v_g组成；CS₁和CS₂分别为检测电容电流i_C和并网电流i_g的电流传感器，VS₁和VS₂为并网点电压v_pcc和滤波电感L₂电压v_L2的电压传感器；H_i1,H_i2、H_v1和H_v2分别为电容电流i_C、并网电流i_g、并网点电压v_pcc和滤波电感L₂电压v_L2的采样系数。i_{C_of}为电容电流反馈信号，i_{g_of}为并网电流反馈信号，v_{pcc_of}为并网点电压反馈信号，v_{L2_of}为滤波电感L₂电压反馈信号。θ为并网点电压反馈信号的相位角；I^*为并网电流指令；i_ref为并网电流的基准信号。G_i为并网电流调节器，通常采用比例积分形式。

本发明采用的硬件电路与现有LCL型并网逆变器相同，而是对控制方法进行了改进。与现有的控制方法相比，本发明通过增加阻抗调节器7提供额外的自由度对逆变器的输出阻抗进行校正。

在阻抗调节器7利用反馈信号v_{pcc_of}和v_{L2_of}经过虚拟阻抗函数可以等效在逆变器输出端虚拟出与逆变器自身输出阻抗并联和串联的阻抗，从而分别对逆变器输出阻抗的模值和相位进行校正。利用控制框图等效变换，可以推导出虚拟并联阻抗函数G_zp(s)的表达式为式I：

$G_{\mathrm{zp}}\left(s\right)=\frac{s^2\·L_1\·C+s\·C\·H_{i1}\·G_{\mathrm{inv}}\·(1-s\·{1.5T}_s)+1}{G_{\mathrm{inv}}}\·K_{\mathrm{zp}}$    式I

其中，L₁和C为LCL滤波器中逆变器侧电感的感值和滤波电容的容值，G_inv为逆变桥的增益，T_s为采样周期，H _i1为电容电流的采样系数；K_zp是用来调整并联阻抗大小的比例系数，为了尽可能地提高逆变器等效输出阻抗的模值，取K_zp=1/H_v1。

同样，可以推导出虚拟串联阻抗函数G_zs(s)的表达式为式II：

$G_{\mathrm{zs}}\left(s\right)=\frac{s^2\·L_1\·C+s\·C\·H_{i1}\·G_{\mathrm{inv}}\·(1-s\·{1.5T}_s)+1}{G_{\mathrm{inv}}}\·K_{\mathrm{zs}}$    式II

其中，L₁和C为LCL滤波器中逆变器侧电感的感值和滤波电容的容值，G_inv为逆变桥的增益，T_s为采样周期，H_i1为电容电流的采样系数；K_zs是用来调整串联阻抗大小的比例系数。为了尽可能地提高逆变器等效输出阻抗的相角，同时避免放大反馈信号v_{L2_of}中的开关噪声，K_zs通常取值范围为K_zs=0～5/H_v2。

图4为实现本发明所提供控制方法的流程图，可分为以下步骤：

(1)利用传感器CS₁，CS₂，VS₁和VS₂检测电容电流i_C，并网电流i_g，并网点电压v_pcc以及滤波电感L₂的电压V_L2，分别获得其反馈信号i_{C_of}，i_{g_of}，v_{pcc_of}和v_{L2_of}；对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v1和H_v2；

(2)根据并网点电压反馈信号v_{pcc_of}的相位角θ和给定的并网电流指令I^*一起生成并网电流i_g的基准信号i_ref，其计算公式为式(1)

i_ref=I^*cosθ   式(1)

(3)将并网电流的反馈信号i_{g_of}与它的基准信号i_ref经过闭环处理后，得到电容电流的基准信号i_{C_ref}，同时将i_{C_ref}减去电容电流反馈信号i_{C_of}得到电流控制器的输出信号v_r1，其计算公式为式(2)

v_r1=i_{C_ref}-i_{C_of}   式(2)

(4)利用v_{pcc_of}经过虚拟并联阻抗函数G_zp(s)处理后，得到输出信号v_zp，其计算公式为式(3),

v_zp=G_zp(s)·v_{pcc_of}   式(3)

(5)利用v_{L2_of}经过虚拟串联阻抗函数G_zs(s)处理后，得到输出信号v_zs，其计算公式为式(4),

v_zs=G_zs(s)·v_{L2_of}   式(4)

(6)根据v_zp和v_zs，计算得到阻抗调节器的输出信号v_r2，其计算公式为式(5)

v_r2=v_zp-v_zs   式(5)

(7)利用电流控制器的输出v_r1和阻抗调节器的输出v_r2计算得到最终的调制信号v_m，并经过PWM生成器产生控制逆变桥2开关管的PWM控制信号。v_m的计算公式为式(6)

v_m=v_r1+v_r2   式(6)

(8)判断是否接收到输入过压或者输出过流等故障信号。如果是，关机，即将并网逆变器的开关管控制信号全部设置为低电平。否则，转入步骤(1)。

实施例：

为对比本发明和现有技术的控制方法，本发明给出的一个具体实例，其各主要参数均如下：

●直流电源1的电压V_in=360VDC；

●公共电网4的电压V_g=220VAC；

●额定功率P_o=6kW；

●开关频率f_sw=15kHz；

●滤波电感L₁=330μH；

●滤波电感L₂=330μH；

●滤波电容C=10μH；

●电容电流i_C的采样系数H_i1=0.05；

●并网电流i_g的采样系数H_i2=0.15；

●并网点电压v_pcc的采样系数H_v1=0.25；

●滤波电感L₂电压采样系数H_v2=0.25；

采用可编程交流电源(Chroma6590)模拟电网电压，分别注入3rd,5th,7th,9th,11th,13th,21st,33rd,40th谐波，相对于基波幅值分别为10%,5%,3%,3%,2%,2%,1%,1%,0.25%相角分别为0°,210°,0°,0°,0°,0°,0°,0°和0°谐波；同时采用串联电感来模拟电网阻抗，最恶劣情况下，选择2.6mH的电感，对应短路比为10。不同的控制方法，结果分别如下：

采用图1所示的现有控制方法时的实验波形如图5所示。其中图5(a)、(b)、(c)分别是在电网阻抗为0、1.3mH、2.6mH时的实验波形。由于仅采用电流闭环时，输出阻抗的模值较低，因此在三种电网阻抗情况下，并网电流的THD均大于5%，无法满足并网电流谐波标准。

在采用图3所示本发明控制方法，并联虚拟阻抗的比例系数K_zp=4；串联虚拟阻抗的比例系数K_zs=0；相当于只加上虚拟并联阻抗来提高抗扰性能，实验波形如图6所示。其中图6(a)、(b)、(c)分别是在电网阻抗为0、300μH、600μH时的实验波形。在电网阻抗较小时，并网电流的THD大大减小，仅为1.3%，如图6(a)所示。但是随着电网阻抗增加，控制系统稳定性变差，当电网阻抗增大到时，控制系统接近临界稳定，并网电流发生剧烈振荡，如图6(c)所示。

采用本发明图3所示的本发明所提出的控制方法，并联虚拟阻抗的比例系数K_zp=4；串联虚拟阻抗的比例系数K_zs=10；实验波形如图7所示。其中图7(a)、(b)、(c)分别是在电网阻抗为0、1.3mH、2.6mH时的实验波形。由图可知当电网阻抗在0～2.6mH全范围内变化时，逆变器都能稳定工作，同时并网电流的THD始终小于2%，验证了本发明控制方法的实用性。

Claims (2)

1.一种提高LCL型并网逆变器对弱电网适应能力的输出阻抗校正方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)利用电流传感器CS₁和CS₂检测电容电流i_C和并网电流i_g，同时利用电压传感器VS₁和VS₂检测并网点电压v_pcc以及滤波电感L₂的电压v_L2，采集得到它们的反馈信号分别为i_{C_of}，i_{g_of}，v_{pcc_of}和v_{L2_of}，对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v1和H_v2；

(2)将反馈信号i_{C_of}、i_{g_of}和v_{pcc_of}输入到传统的电流控制器，经过处理后输出v_r1；

(3)将反馈信号v_{pcc_of}和v_{L2_of}输入到阻抗调节器，经过处理后输出v_r2；

(4)将v_r1和v_r2相加，得到调制信号v_m，并输入PWM生成器，产生PWM信号控制逆变桥的开关管；

(5)判断是否接收到输入过压或者输出过流故障信号；如果是，关机，即将并网逆变器的开关管控制信号全部设置为低电平；否则，转入步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中步骤3中阻抗调节器的特征在于，该阻抗调节器包括下述步骤：

(1)将v_{pcc_of}乘以虚拟并联阻抗函数G_zp(s)，得到输出信号v_zp，其中G_zp(s)的表达式为式I：

$G_{\mathrm{zp}}\left(s\right)=\frac{s^2\·L_1\·C+s\·C\·H_{i1}\·G_{\mathrm{inv}}\·(1-s\·{1.5T}_s)+1}{G_{\mathrm{inv}}}\·K_{\mathrm{zp}}$    式I

其中，L₁和C为LCL滤波器中逆变器侧电感的感值和滤波电容的容值，G_inv为逆变桥的增益，T_s为采样周期，H_i1为电容电流的采样系数。K_zp是用来调整并联阻抗大小的比例系数，为了尽可能地提高逆变器等效输出阻抗的模值，取K_zp=1/H_v1。

(2)将v_{L2_of}乘以虚拟串联阻抗函数G_zs(s)，得到输出信号v_zs，其中G_zs(s)的表达式为式II：

$G_{\mathrm{zs}}\left(s\right)=\frac{s^2\·L_1\·C+s\·C\·H_{i1}\·G_{\mathrm{inv}}\·(1-s\·{1.5T}_s)+1}{G_{\mathrm{inv}}}\·K_{\mathrm{zs}}$    式II

其中，L₁和C为LCL滤波器中逆变器侧电感的感值和滤波电容的容值，G_inv为逆变桥的增益，T_s为采样周期，H_i1为电容电流的采样系数。K_zs是用来调整串联阻抗大小的比例系数。为了尽可能地提高逆变器等效输出阻抗的相角，同时避免放大反馈信号v_{L2_of}中的开关噪声，K_zs通常取K_zs=0～5/H_v2。

(3)根据v_zp和v_zs，计算得到阻抗调节器的输出信号v_r2，其计算过程如式III所示：

v_r2=v_zp-v_zs   式III。

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