CN103997061A

CN103997061A - 改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法

Info

Publication number: CN103997061A
Application number: CN201410228023.8A
Authority: CN
Inventors: 严干贵; 穆钢; 黄亚峰; 冯利民; 叶德武; 仲相成; 刘嘉; 李龙; 于洋
Original assignee: Northeast Dianli University
Current assignee: Northeast Electric Power University
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: CN103997061B

Abstract

本发明是一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法，其特点是，包括给定一组控制器参数初值，并引入调节倍数系数K，表示调节后的控制器比例常数、积分常数分别为原控制器参数的K倍；依据控制器结构、控制器参数及联网光伏逆变系统主电路参数，建立联网光伏逆变系统控制器开环传递关函数；将原有控制参数用K倍代入，并绘制相位裕量及增益裕量随K增大的变化曲线；在考虑增益裕量不低于6dB情况下，取相位裕量最大时对应的K_opt作为最优调节倍数系数K值，来完成控制器参数的优化整定等步骤。能够使得调整后的控制器系统在满足增益裕量要求的条件下，获取最大相位裕量，从而最大程度上改善联网光伏逆变系统的运行控制性能。

Description

改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法

技术领域

本发明涉及光伏联网运行控制领域，特别涉及一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法。

背景技术

光伏发电联网运行是实现太阳能大规模开发利用的重要途径。但由于受资源禀赋的约束，大规模光伏电站多位于电网结构薄弱地区。随着光伏电站容量的增大，所接入电网将呈现弱电网特征。当较大容量的光伏逆变系统接入弱电网时，光伏逆变系统的控制性能将会恶化。弱电网的典型特征是接入电网阻抗相对于光伏逆变系统而言不可忽略，电网阻抗使得光伏逆变控制系统的稳定裕量降低，相位裕量不足的问题非常突出，是引起光伏逆变系统的控制性能恶化的主要原因，而光伏控制系统的稳定裕量不仅与主电路参数有关，还与控制器的参数有关，因此根据接入电网阻抗条件，调整控制器的参数来改善联网光伏逆变系统稳定裕量，从而最大程度上改善联网光伏逆变系统的运行控制性能，是一种经济而可行的手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法，它能够依据光伏逆变系统接入电网条件，实现控制器参数的优化整定，使得调整后的控制器系统在满足增益裕量要求的条件下，获取最大相位裕量，从而最大程度上改善联网光伏逆变系统的运行控制性能。

实现本发明采用的技术方案是，一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)给定一组控制器参数初值，并引入调节倍数系数K，表示调节后的控制器比例常数、积分常数分别为原控制器参数的K倍；

2)依据控制器结构、控制器参数及联网光伏逆变系统主电路参数，建立联网光伏逆变系统控制器开环传递关函数；

3)将原有控制参数用K倍代入，并绘制相位裕量及增益裕量随K增大变化曲线；

4)依据步骤3)中所绘制的曲线，在考虑增益裕量不低于6dB情况下，取相位裕量最大时对应的K_opt作为最优调节倍数系数K值，来完成控制器参数的优化整定；

5)依据光伏逆变系统控制结构可建立步骤2)中所述的并网电流I_g(s)与参考电流I_gref(s)之间的开环传递函数如公式(1)，

\begin{matrix} G_{kg_w} (R_{g}, L_{g}, s) = \frac{I_{g} (s)}{I_{gref} (s) - I_{g} (s)} \\ = \frac{K_{PWM} K_{P} [R_{d} C_{f} s^{2} + (R_{d} C_{f} / T_{i} + 1) s + 1 / T_{i}]}{a_{5} s^{5} + a_{4} s^{4} + a_{3} s^{3} + a_{2} s^{2} + a_{1} s + a_{0}} \end{matrix}

\{\begin{matrix} a_{5} = 1.5 T_{s} L_{1} (L_{2} + L_{g}) C_{f} \\ a_{4} = 1.5 T_{s} (L_{1} + L_{2} + L_{g}) R_{d} C_{f} + L_{1} C_{f} (L_{2} + L_{g}) + 1.5 T_{s} L_{1} C_{f} R_{g} \\ a_{3} = 1.5 T_{s} (L_{1} + L_{2} + L_{g}) + (L_{1} + L_{2} + L_{g}) R_{d} C_{f} + L_{1} C_{f} R_{g} \\ + 1.5 T_{s} R_{d} C_{f} R_{g} - R_{d} C_{f} K_{PWM} K_{V} L_{g} \\ a_{2} = L_{1} + L_{2} + L_{g} + 1.5 T_{s} R_{g} - K_{PWM} K_{V} L_{g} + R_{d} C_{f} R_{g} - K_{PWM} K_{V} R_{d} C_{f} R_{g} \\ a_{1} = R_{g} - K_{PWM} K_{V} R_{g} \\ a_{0} = 0 \end{matrix} - - - (1)

式中：C为直流环节滤波电容。L₁，L₂及C_f分别表示滤波器两等效电感及滤波电容，R_d为滤波电容支路串联阻尼电阻。K_v为电压反馈系数，K_PWM为SPWM电压增益系数，K_P、K_I、T_i分别为PI控制器的比例常数、积分常数和时间常数。沿用II型系统PI参数设计，并取中频宽h＝T_i/(1.5T_S)＝5，T_S为逆变器控制周期，由于逆变器T_S一定，则T_i不变，而K_I＝K_P/T_i，因此，Kp增大时，K_I也成比例增大；

对于一个给定的电网阻抗Z_g，即R_g和L_g唯一给定，就会得到一个具体的传递函数根据传递函数的幅频特性，由公式(2)和公式(3)确定出控制系统的相位裕量γ和增益裕量K_g，

20lgK_g＝-20lg|G(jω_g)H(jω_g)| (2)

式中，ω_g为相位交界频率，是则对应开环频率特性在剪切频率ω_c处的相角；给定一个K_P初值，并引入步骤1)中参数K，就可以获取控制系统稳定裕量与参数K之间的数量对应的关系。通常要求控制系统的相位裕量γ∈[30°,60°]，增益裕量K_g∈[6dB,∞]。

本发明的一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法能够依据光伏逆变系统接入电网条件，实现控制器参数的优化整定，使得调整后的控制器系统在满足增益裕量要求的条件下，获取最大相位裕量，从而最大程度上改善联网光伏逆变系统的运行控制性能。

附图说明

图1为控制系统稳定裕量随Z_g变化趋势示意图；

图2为控制系统稳定裕量随K值变化趋势示意图；

图3为参数不作调整时并网电流波形示意图；

图4为参数不作调整时并网电流谐波(K＝1)分布示意图；

图5为参数调整后并网电流波形示意图；

图6为参数调整后并网电流谐波(K＝3.8)分布示意图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明的一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法进行详细说明。

一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法，其特征是，它包括以下步骤：

\begin{matrix} G_{kg_w} (R_{g}, L_{g}, s) = \frac{I_{g} (s)}{I_{gref} (s) - I_{g} (s)} \\ = \frac{K_{PWM} K_{P} [R_{d} C_{f} s^{2} + (R_{d} C_{f} / T_{i} + 1) s + 1 / T_{i}]}{a_{5} s^{5} + a_{4} s^{4} + a_{3} s^{3} + a_{2} s^{2} + a_{1} s + a_{0}} \end{matrix}

\{\begin{matrix} a_{5} = 1.5 T_{s} L_{1} (L_{2} + L_{g}) C_{f} \\ a_{4} = 1.5 T_{s} (L_{1} + L_{2} + L_{g}) R_{d} C_{f} + L_{1} C_{f} (L_{2} + L_{g}) + 1.5 T_{s} L_{1} C_{f} R_{g} \\ a_{3} = 1.5 T_{s} (L_{1} + L_{2} + L_{g}) + (L_{1} + L_{2} + L_{g}) R_{d} C_{f} + L_{1} C_{f} R_{g} \\ + 1.5 T_{s} R_{d} C_{f} R_{g} - R_{d} C_{f} K_{PWM} K_{V} L_{g} \\ a_{2} = L_{1} + L_{2} + L_{g} + 1.5 T_{s} R_{g} - K_{PWM} K_{V} L_{g} + R_{d} C_{f} R_{g} - K_{PWM} K_{V} R_{d} C_{f} R_{g} \\ a_{1} = R_{g} - K_{PWM} K_{V} R_{g} \\ a_{0} = 0 \end{matrix} - - - (1)

20lgK_g＝-20lg|G(jω_g)H(jω_g)| (2)

参照图1和图2，以接入电网的阻抗条件L_g＝0.33mH为例，本发明的一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法的步骤为：

(1)给定一组控制器参数初值，并引入调节倍数系数K，表示调节后的控制器比例常数、积分常数分别为原控制器参数的K倍；

(2)依据控制器结构、控制器参数及联网光伏逆变系统主电路参数，建立联网光伏逆变系统控制器开环传递关函数；

(3)将原有控制参数用K倍代入，并绘制相位裕量及增益裕量随K增大变化曲线；

(4)依据步骤(3)中所绘制的曲线，在考虑增益裕量不低于6dB情况下，取相位裕量最大时对应的K_opt作为最优调节倍数系数K值，来完成控制器参数的优化整定。

PI控制器参数初值取K_P＝0.14，K_I＝61.67S^-1，得到相位裕量，增益裕量随调节系数K增大的变化曲线如图2所示。

从图中可见，相位裕量随调节系数K值增大呈现先增大后减小的趋势，存在最大值点，对应的最优K_opt取值为3.8，此时对应相位裕量最大42度，增益裕量为17.6dB满足裕量要求。相位裕量与优化前相位裕量30度相比增加12度。

从图3和图4，在极弱电网条件下，L_g＝0.33mH时，如果控制器参数不进行调整，光伏逆变系统接入电网运行面临控制器稳定裕量不足，控制性能恶化的问题，仿真结果显示此时并网电流谐波畸变率THD＝6.11％。

图5和图6，针对弱电网条件进行参数优化调整后，并网电流波形质量得到明显改善，THD降至2.14％。

以上分析结果表明弱电网下对控制器参数调整的必要性，也验证了本发明的改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法的有效性。

Claims

1.一种改善联网光伏逆变系统稳定裕量的参数优化调节方法，其特征是，它包括以下步骤：

\begin{matrix} G_{kg_w} (R_{g}, L_{g}, s) = \frac{I_{g} (s)}{I_{gref} (s) - I_{g} (s)} \\ = \frac{K_{PWM} K_{P} [R_{d} C_{f} s^{2} + (R_{d} C_{f} / T_{i} + 1) s + 1 / T_{i}]}{a_{5} s^{5} + a_{4} s^{4} + a_{3} s^{3} + a_{2} s^{2} + a_{1} s + a_{0}} \end{matrix}

\{\begin{matrix} a_{5} = 1.5 T_{s} L_{1} (L_{2} + L_{g}) C_{f} \\ a_{4} = 1.5 T_{s} (L_{1} + L_{2} + L_{g}) R_{d} C_{f} + L_{1} C_{f} (L_{2} + L_{g}) + 1.5 T_{s} L_{1} C_{f} R_{g} \\ a_{3} = 1.5 T_{s} (L_{1} + L_{2} + L_{g}) + (L_{1} + L_{2} + L_{g}) R_{d} C_{f} + L_{1} C_{f} R_{g} \\ + 1.5 T_{s} R_{d} C_{f} R_{g} - R_{d} C_{f} K_{PWM} K_{V} L_{g} \\ a_{2} = L_{1} + L_{2} + L_{g} + 1.5 T_{s} R_{g} - K_{PWM} K_{V} L_{g} + R_{d} C_{f} R_{g} - K_{PWM} K_{V} R_{d} C_{f} R_{g} \\ a_{1} = R_{g} - K_{PWM} K_{V} R_{g} \\ a_{0} = 0 \end{matrix} - - - (1)

20lgK_g＝-20lg|G(jω_g)H(jω_g)| (2)