CN106026194B - 提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗鲁棒性的方法 - Google Patents

提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗鲁棒性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗鲁棒性的方法。方法一步骤为：检测各逆变器电容电流、并网电流、PCC点电压；计算得到误差信号e1k；计算误差信号e2k；由误差信号e2k得到控制逆变器开关管的驱动信号；判断并网电流峰值ig1是否大于设定的并网电流阈值iT：若是，导通电容支路，否则，切断。方法二步骤为：检测电容电流iCk、并网电流igk、PCC点电压；计算误差信号e1k；计算误差信号e2k；由误差信号e2k得到控制逆变器开关管的驱动信号。在电网阻抗宽范围变化时，本发明能保证多逆变器并联并网系统稳定运行，且具有简单实用，可靠性高，成本低的优点。

Description

提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗鲁棒性的方法
技术领域
本发明属于电力电子装置及其控制系统设计领域，更具体地，涉及的是一种多逆变器并联并网系统的控制设计方法。
背景技术
现有多逆变器并网并系统由主电路、控制电路组成。其中图1为主电路，图2和3分别给出了控制示意图及控制实现示意图。
图1为多逆变器并联并网系统的主电路图，N台逆变器的参数完全一致。其中任一台LCL型并网逆变器k(k＝1,2...n)，包括直流源1、单相逆变桥2、LCL滤波器3。其中，单相逆变桥2是由开关管S1k～S4k和续流二极管D1k～D4k组成，LCL滤波器3由逆变器侧电感L1k、滤波电容Ck和网侧电感L2k组成，多逆变器并联并网系统还包含电网阻抗4和单相电网5，电网阻抗4包含电阻与电感，由于电阻部分能够提供一定程度的阻尼，这里考虑其为纯电感记为Lg，以描述稳定性最恶劣的情况。电感L1k的输入端与逆变器桥臂中点相连接，电感L1k的输出端与电容Ck和电感L2k的输入端相连接，电感L2k的输出端与电网阻抗Lg输入端连接于公共耦合点，电网阻抗Lg的输出端与单相电网5相连接。
图2是任一台LCL型并网逆变器k主电路与控制结构示意图，其中包含控制器6。Hi1k和Hi2k分别为检测滤波电容Ck电流和滤波电感L2k并网电流的传感器，Hvk为检测PCC点电压的传感器，Hi1k、Hi2k和Hvk的大小取决于包含传感器在内的采样电路的参数。在图2的结构中，向控制器6输入并网电流设定值、经电流传感器Hi1k和Hi2k得到检测电流值以及经电压传感器Hvk得到检测电压值。检测传感器Hvk检测到PCC点电压，求得其相位角θk，PCC点电压相位角θk与并网电流设定值Ik*相乘构成并网电流带相位的设定值iref_k。iref_k与电流传感器Hi2k检测得到的并网电流信号相减，其电流误差信号送至调节器Gi，其输出信号作为电流传感器Hi1k检测的电容电流信号的设定值iC_ref_k，iC_ref_k与电容电流信号的电流误差信号作为载波送入逆变器的PWM调制器中，得到逆变桥2中各开关管的驱动信号，从而实现并网电流对指令值的跟踪。
图3是任一台LCL型并网逆变器k的主电路与控制结构实现示意图。具体实现图2的控制结构时，需要使用锁相环控制器，以保证并网电流igk与PCC点电压vPCC_k相位一致，它们的相位角为θk。由相位角θk，处理器内部的正弦表以及并网电流的设定值可以得到并网电流带相位的设定值。图示中Gi为误差调节器，常采用比例积分调节器。
对于多逆变器并联并网系统，当忽略电网阻抗，即Lg＝0时，各逆变器之间没有耦合，只要并联并网的每台逆变器自身稳定，则系统必然稳定。当考虑电网阻抗时，公共耦合点的电压会随着并网电流变化而变化，并联并网运行的逆变器之间存在耦合关系。此时，系统稳定性不仅与各逆变器自身有关，还与电网阻抗有关。当电网阻抗达到一定感值时，系统将不稳定。因此，提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗的鲁棒性非常重要。
发明内容
为提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗的鲁棒性，本发明提出了基于无源电路的方法，以克服现有技术存在的电网阻抗变化，导致系统不稳定问题，使多逆变器并联并网系统能适应电网阻抗的宽范围变化。
本发明提出的第一种方法，即在公共耦合点处开关控制投切电容方法，包括如下步骤：
(1)系统开机前，在公共耦合点处并联开关投切电容支路，其中投切电容和开关串联；在第1台并网逆变器的控制器中根据输入并网电流阈值iT判断电容是否投切；所述设定的阈值iT大于并网电流设定值，且小于保护系统设置的并网电流保护值；
(2)对于任一台逆变器k，检测逆变器系统中LCL滤波器中的电容电流iCk、逆变器经过LCL滤波最终并入电网的并网电流igk以及PCC点电压vPCC_k，利用锁相环得到PCC点电压相位角，与并网电流设定值相乘构成并网电流带相位的设定值iref_k；
(3)由并网电流igk及其所述设定值iref_k，通过式I得到并网电流误差信号e1k:
e1k＝iref_k-igk 式I
(4)将误差信号e1k输入第k台逆变器控制系统的调节器进行闭环反馈跟踪，使得该逆变器经过其LCL滤波最终并入电网的并网电流igk接近设定值；得到电容电流反馈信号iCk的基准信号iC_ref_k；由式II可得到电容电流误差信号e2k；所述设定值是各台逆变器预先设置的，一般是相等的；
e2k＝iC_ref_k-iCk 式II
(5)将误差信号e2k作为载波送入该逆变器PWM单元，得到控制单相逆变桥开关管的PWM驱动信号；
(6)判断在第1台逆变器的并网电流ig1的峰值是否大于设定的阈值iT；是则在PCC点电压vPCC_k的过零时刻导通电容支路；否则，使电容支路开关处于断开状态；
(7)判断是否接收到保护或监测系统发出的故障信号：是则关机，停止工作；否则，转至步骤(2)。
本发明提出的第二种方法是在公共耦合点处并联电容电阻方式，具体步骤如下：
(1)系统开机前，在公共耦合点处并联电容电阻支路，其中电容和电阻串联；
(2)对于任一台逆变器k，检测该逆变器系统中LCL滤波器中的电容电流iCk、逆变器经过滤波最终并入电网的并网电流igk以及PCC点电压vPCC_k，利用锁相环得到PCC点电压相位角，与并网电流设定值相乘构成并网电流带相位的设定值iref_k；
(3)由并网电流igk及其所述设定值iref_k，通过式I得到并网电流误差信号e1k:
e1k＝iref_k-igk 式I
(4)将误差信号e1k输入第k台逆变器控制系统的调节器进行闭环反馈跟踪，使得该逆变器经过LCL滤波最终并入电网的并网电流igk接近设定值；得到电容电流反馈信号iCk的基准信号iC_ref_k；由式II可得到电容电流误差信号e2k；所述设定值是各台逆变器预先设置的，一般是相等的；
e2k＝iC_ref_k-iCk 式II
(5)将误差信号e2k作为载波送入该逆变器PWM单元，得到控制单相逆变桥开关管的PWM驱动信号；
(6)判断是否接收到保护或监测系统发出的故障信号：是则关机，停止工作；否则，转至步骤(2)。
进一步的，所述电容的容值选择，兼顾系统的稳定裕度条件和其引入的无功功率限制的要求，系统的稳定裕度越大，电容容值越大；电容引入的无功功率越大，电容容值越大；应用中根据实际情况调节，或采用可调容量式电容。
本发明适用可以用于无电容电流反馈的情况，可避免使用电容电流传感器引入的成本。本发明提供的方法可以有效提高并网逆变器对电网阻抗的鲁棒性，保证电网阻抗宽范围变化时，系统始终保持稳定。
附图说明
图1是多逆变器并联并网系统的主电路图；
图2是单台并网逆变器主电路与控制结构示意图；
图3是单台并网逆变器主电路与控制结构实现示意图；
图4是实现本发明提出的在公共耦合点处投切电容方法的主电路示意图；
图5是本发明提出的系统在公共耦合点处投切电容方法实施的流程图；
图6是实现本发明提出的在公共耦合点处投切电容方法的控制结构示意图；
图7是实现本发明在公共耦合点处并联电容电阻支路方法的主电路示意图；
图8是本发明提出的在公共耦合点处并联电容电阻支路方法实施的流程图。
具体实施方式
为了使本实用发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对发明进一步详细说明。
针对多逆变器并联并网系统，本发明给出了以下两种具体实施方式：在公共耦合点处开关控制投切电容的方法和在公共耦合点处并联电容电阻支路的方法。
本实施例中，开关控制投切电容方法选取电容的容量满足以下两个条件：①电容与电网阻抗并联构成的等效电网阻抗与逆变器输出阻抗满足基于阻抗的稳定性判据；②电容引入的无功功率小于系统额定功率的5％。；并联电容支路方法选取电阻与电容的容量满足以下三个条件：①电阻电容支路与电网阻抗并联构成的等效电网阻抗与逆变器输出阻抗满足基于阻抗的稳定性判据；②电容引入的无功功率小于系统额定功率的5％；③电阻引入的有功损耗应小于系统额定功率的1‰。
如图4所示，在公共耦合点处开关控制投切电容方法是通过在系统的公共耦合点处并联开关投切电容支路7来实现的。图5为本发明控制方法的具体步骤：
(1)系统开机前，在公共耦合点处并联开关投切电容支路，其中投切电容和开关串联；在第1台(k＝1)并网逆变器的控制器中根据输入并网电流阈值iT判断电容是否投切，设定的阈值大于并网电流设定值且小于保护系统设置的并网电流保护值；电流设定值由功率与电网电压确定:对于本实施例220V电网电压、6kW逆变器，设定值取38.6A。
(2)对于任一台逆变器k，利用电流传感器Hi1k检测电容电流iCk，电流传感器Hi2k检测并网电流igk，电压传感器Hvk检测PCC点电压vPCC_k，利用锁相环得到PCC点电压相位角，与并网电流设定值相乘构成并网电流带相位的设定值iref_k；
(3)由并网电流检测信号igk及其指令值信号iref_k，结合式I可得到并网电流误差信号e1k:
e1k＝iref_k-igk 式I
(4)将误差信号e1k输入调节器进行跟踪，作为电容电流检测信号iCk的设定值信号iC_ref_k；由式II可得到电容电流误差信号e2k；
e2k＝iC_ref_k-iCk 式II
(5)将误差信号e2k，作为载波送入所述逆变器PWM单元，得到控制单相逆变桥开关管的PWM驱动信号；
(6)判断在第1台(k＝1)逆变器的并网电流ig1的峰值是否大于设定的阈值iT：是则在PCC点电压vPCC_k的过零时刻导通电容支路；否则，切断电容支路的开关；
(7)判断是否接收到保护或监测系统发出的故障信号：是则关机，停止工作；否则，转至步骤(2)。
如图6所示，在图4和图5中开关控制电容投切是通过在第1(k＝1)台LCL型并网逆变器的控制器6中增加电容投切判断模块8实现的。控制器6与电容投切判断模块是由处理器实现的，处理器可采用如DSP、FPGA等数字信号处理芯片。
微处理器采集电压传感器Hvk输出的电压信号和电流传感器Hi1k和Hi2k输出的电流信号，经过微处理器内的相关程序运算后产生控制逆变桥2的4只开关管的PWM信号。
采用本发明提出的开关控制投切电容的方法，电网阻抗宽范围变化时，系统始终稳定，并网电流具有良好的波形。相比于现有的方法，本发明提出的方法由于具有简单实用，可靠性高的优点。
如图7所示，在公共耦合点处并联电容电阻支路的方法是通过在系统的公共耦合点处并联电容与电阻支路9来实现的，图8为本发明的控制方法的具体步骤：
(1)系统开机前，在公共耦合点处并联电容电阻支路，其中电容和电阻串联：
(2)对于任一台逆变器k，利用电流传感器Hi1k检测电容电流iCk，电流传感器Hi2k检测并网电流igk，电压传感器Hvk检测PCC点电压vPCC_k，利用锁相环得到PCC点电压相位角，与并网电流设定值相乘构成并网电流带相位的设定值iref_k；
(3)由并网电流检测信号igk及其指令值信号iref_k，结合式I可得到并网电流误差信号e1k:
e1k＝iref_k-igk 式I
(4)将误差信号e1k输入调节器进行跟踪，作为电容电流检测信号iCk的设定值信号iC_ref_k；由式II可得到电容电流误差信号e2k；
e2k＝iC_ref_k-iCk 式II
(5)将误差信号e2k，作为载波送入所述逆变器PWM单元，得到控制单相逆变桥开关管的PWM驱动信号；
(6)判断是否接收到保护或监测系统发出的故障信号：是则关机，停止工作；否则，转至步骤(2)。
采用本发明提出的并联电容电阻支路的方法，电网阻抗宽范围变化时，系统始终稳定，并网电流具有良好的波形。相比于现有的方法，本发明提出的方法由于具有简单实用，可靠性高，成本低的优点。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种实施方式，如应用在三相LCL型并网逆变器并联并网系统中。因此，凡是基于本发明的设计思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗的鲁棒性方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)系统开机前，在公共耦合点处并联开关投切电容支路，其中投切电容和开关串联；在第1台并网逆变器的控制器中根据输入并网电流阈值iT判断电容是否投切；所述设定的阈值iT大于并网电流设定值，且小于保护系统设置的并网电流保护值；
(2)对于任一台逆变器k，检测逆变器系统中LCL滤波器中的电容电流iCk、逆变器经过LCL滤波最终并入电网的并网电流igk以及PCC点电压vPCC_k，利用锁相环得到PCC点电压相位角，与并网电流设定值相乘构成并网电流带相位的设定值iref_k；
(3)由并网电流igk及其所述设定值iref_k，通过式I得到并网电流误差信号e1k:
e1k＝iref_k-igk 式I
(4)将误差信号e1k输入第k台逆变器控制系统的调节器进行闭环反馈跟踪，使得该逆变器经过其LCL滤波最终并入电网的并网电流igk接近设定值iref_k；得到电容电流反馈信号iCk的基准信号iC_ref_k；由式II可得到电容电流误差信号e2k；所述设定值iref_k是各台逆变器预先设置的；
e2k＝iC_ref_k-iCk 式II
(5)将误差信号e2k作为载波送入该逆变器PWM单元，得到控制单相逆变桥开关管的PWM驱动信号；
(6)判断在第1台逆变器的并网电流ig1的峰值是否大于设定的阈值iT；是则在PCC点电压vPCC_k的过零时刻导通电容支路；否则，使电容支路开关处于断开状态；
(7)判断是否接收到保护或监测系统发出的故障信号：是则关机，停止工作；否则，转至步骤(2)。
2.一种提高多逆变器并联并网系统对电网阻抗的鲁棒性方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)系统开机前，在公共耦合点处并联电容电阻支路，其中电容和电阻串联；
(2)对于任一台逆变器k，检测该逆变器系统中LCL滤波器中的电容电流iCk、逆变器经过滤波最终并入电网的并网电流igk以及PCC点电压vPCC_k，利用锁相环得到PCC点电压相位角，与并网电流设定值相乘构成并网电流带相位的设定值iref_k；
(3)由并网电流igk及其所述设定值iref_k，通过式I得到并网电流误差信号e1k:
e1k＝iref_k-igk 式I
(4)将误差信号e1k输入第k台逆变器控制系统的调节器进行闭环反馈跟踪，使得该逆变器经过LCL滤波最终并入电网的并网电流igk接近设定值iref_k；得到电容电流反馈信号iCk的基准信号iC_ref_k；由式II可得到电容电流误差信号e2k；所述设定值iref_k是各台逆变器预先设置的；
e2k＝iC_ref_k-iCk 式II
(5)将误差信号e2k作为载波送入该逆变器PWM单元，得到控制单相逆变桥开关管的PWM驱动信号；
(6)判断是否接收到保护或监测系统发出的故障信号：是则关机，停止工作；否则，转至步骤(2)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电容的容值选择，兼顾系统的稳定裕度条件和其引入的无功功率限制的要求，系统的稳定裕度越大，电容容值越大；电容引入的无功功率越大，电容容值越大；应用中根据实际情况调节，或采用可调容量式电容。
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