CN106684907B - 提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法，包括下述两种模式：模式一：稳态工作模式，此状态下将锁相环的控制参数的比例系数K_p和积分系数K_i分别设置为稳态工作模式的参数即比例系数K_p1和积分系数K_i1，从而保证了弱电网情况下，逆变器系统的稳定性；模式二：暂态工作模式，此状态下将锁相环的控制参数的比例系数K_p和积分系数K_i分别设置为暂态工作模式的参数即比例系数K_p2和积分系数K_i2，从而提高逆变器系统的动态特性。本发明解决了并网逆变器在弱电网暂态运行时锁相环带宽较小，逆变器控制动态性能不佳的缺点。

Description

提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法

技术领域

本发明涉及一种提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法，属于光伏并网逆变器控制技术领域。

背景技术

基于可再生能源的分布式发电技术是人类应对能源危机和环境污染的重要手段之一，近年来越来越受到重视。而并网逆变器作为可再生能源发电单元与电网的接口，起着将可再生能源发出的电能转变为交流形式向电网输送的重要作用。为了控制并网逆变器向电网馈送的功率，通常利用锁相环来检测电网电压的相位，并利用其生成并网电流基准。同时，通过并网电流闭环来保证并网电流反馈信号能够很好地跟踪并网电网电流的参考信号。对于并网逆变器而言，锁相环路的设计非常重要。

目前锁相环的设计已经成为分布式发电系统中的热点问题。如中国发明专利说明书CN105743109A于2016年7月6日公开的《一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环》，该发明公开的锁相环主要用于电网电压不平衡和畸变时电压相位检测，具有动态响应快，检测精度高的优点。但该发明并未提及关于弱电网下锁相环的设计要求。针对弱电网情况，吴恒，阮新波，杨东升等人在标题为《弱电网条件下锁相环对LCL型并网逆变器稳定性的影响研究及锁相环参数设计》(2014年10月《中国电机工程学报》第34卷第30期)的文章中以单相LCL型并网逆变器为例，建立了锁相环小信号分析模型，给出了一种基于相角裕度要求的锁相环参数设计方法，并得出了弱电网情况下，锁相环带宽越小系统越稳定的结论。因此弱电网情况下，一般按照选取较小的锁相环带宽设计锁相环参数，但是，该文献中提出的锁相环参数设计方法只考虑了稳态运行情况下系统运行的稳定性问题，并未考虑当系统处于暂态运行情况时，存在逆变器控制调节的动态性能较低的问题。

有鉴于此，本发明提供一种提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法，以满足实际应用需要。

发明内容

本发明的目的是：针对并网逆变器在弱电网暂态运行时锁相环带宽较小，逆变器控制动态性能不佳的缺点，本发明提出一种提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法，其特征在于，包括下述两种模式：

模式一：稳态工作模式，此状态下将锁相环的控制参数的比例系数K_p和积分系数K_i分别设置为稳态工作模式的参数即比例系数K_p1和积分系数K_i1，从而保证了弱电网情况下，逆变器系统的稳定性；

模式二：暂态工作模式，此状态下将锁相环的控制参数的比例系数K_p和积分系数K_i分别设置为暂态工作模式的参数即比例系数K_p2和积分系数K_i2，从而提高逆变器系统的动态特性；

所述模式一中的控制策略按照以下步骤执行：

(1)设置锁相环的控制参数至稳态工作模式的参数，即比例系数K_p1和积分系数K_i1；利用式(1)计算得比例系数K_p1和积分系数K_i1：

其中，PM₁为稳态工作模式下的相位裕度，f_BW1为稳态工作模式下的锁相环带宽；Z₀为逆变器输出阻抗，ω₀为电网电压基波角频率，ω_n为自然振荡角频率，U_m为逆变器并网系统公共耦合点PCC电压幅值，稳态工作模式下取PM₁＝45°，综合动态性能和稳态性能的要求取阻尼系数ζ＝0.707；

(2)利用电容电流的电流传感器CS₁检测LCL滤波器的电容电流i_c，利用滤波电感的电流传感器CS₂检测进网电流i_g，利用电网电压的电压传感器VS₁检测并网点电压u_pcc；采集得到它们的反馈信号分别为i_{c_fd}，i_{g_fd}，u_{pcc_fd}，对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v；

(3)将采集到的并网点电压的反馈信号u_{pcc_fd}经过锁相环PLL锁相得到电网电压相位角θ，利用并网点电压相位角θ与并网电网指令提供的获得并网电网电流的参考信号i_{g_ref}；

(4)根据并网电流反馈信号i_{g_fd}和并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(2)计算得误差信号e_m：

e_m＝i_{g_fd}-i_{g_ref} (2)

(5)控制器对误差信号进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{c_fd}的基准信号给定值i_{c_ref}；电容电流反馈信号i_{c_fd}及其基准信号i_{c_ref}相减，得到调制信号v_m；将该调制信号送入PWM调制器中，得到逆变桥各开关管的控制信号，从而使并网电流跟踪基准电流；

所述模式二中的控制策略按照以下步骤执行：

(1)设置锁相环的控制参数至暂态工作模式的参数，即比例系数K_p2和积分系数K_i2；利用式(3)计算得比例系数K_p2和积分系数K_i2：

其中，PM₂为暂态工作模式下的相位裕度，f_BW2为暂态工作模式下的锁相环带宽；Z₀为逆变器输出阻抗，ω₀为电网电压基波角频率，ω_n为自然振荡角频率，U_m为逆变器并网系统公共耦合点PCC电压幅值，暂态工作模式下取PM₂＝30°，综合动态性能和稳态性能的要求取阻尼系数ζ＝0.707；

(2)利用电容电流的电流传感器CS₁检测LCL滤波器的电容电流i_c，利用滤波电感的电流传感器CS₂检测进网电流i_g，利用电网电压的电压传感器VS₁检测并网点电压u_pcc；采集得到它们的反馈信号分别为i_{c_fd}，i_{g_fd}，u_{pcc_fd}，对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v；

(3)将采集到的并网点电压的反馈信号u_{pcc_fd}经过锁相环PLL锁相得到电网电压相位角θ，利用并网点电压相位角θ与并网电网指令提供的获得并网电网电流的参考信号i_{g_ref}；

(4)根据并网电流反馈信号i_{g_fd}和并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(4)计算得误差信号e_m：

e_m＝i_{g_fd}-i_{g_ref} (4)

(5)控制器对误差信号进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{c_fd}的基准信号给定值i_{c_ref}；电容电流反馈信号i_{c_fd}及其基准信号i_{c_ref}相减，得到调制信号v_m；将该调制信号送入PWM调制器中，得到逆变桥各开关管的控制信号，从而使并网电流跟踪基准电流；

(6)根据误差信号e_m与并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(5)计算其比值δ：

(7)判断|δ|是否大于5％，若|δ|<5％，则转入模式一，若|δ|≥5％，则转入模式二。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了并网逆变器在弱电网暂态运行时锁相环带宽较小，逆变器控制动态性能不佳的缺点，当逆变器系统在稳态情况下采用其稳态工作模式锁相环的控制参数，而当逆变器控制的并网电网指令改变时则采用其暂态工作模式下的锁相环参数，从而实现了在弱电网稳态情况下系统的稳定性，同时也提高了暂态情况下逆变器控制的动态性能。

附图说明

图1是本发明所采用的LCL型并网逆变器的结构示意图。

图2是本发明LCL型并网逆变器的控制框图。

图3是本发明工作模式的判断程序流程图。

附图中的符号说明：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。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

本发明提出的提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法，在弱电网环境中，逆变器系统稳态情况下采用其稳态工作模式锁相环的控制参数，即比例系数K_p1和积分系数K_i1；当改变逆变器控制的并网电网指令进入暂态情况下时，同时切换锁相环的参数切换到其暂态工作模式的参数，即比例系数K_p2和积分系数K_i2，从而调整锁相环带宽，提高逆变器控制的动态调节性能。并通过实时检测并网电流反馈信号i_{g_fd}和并网电网电流的参考信号i_{g_ref}的差值e_m与并网电网电流的参考信号i_{g_ref}比值δ的大小，判断系统是否重新回到稳态。当判断系统重新回到稳态时，再将锁相环的参数切换到其稳态工作模式参数值，即比例系数K_p1和积分系数K_i1，从而保证系统稳态工作情况下的稳定性。该方法采用软件的控制方法，节约成本。

如图1所示，本控制方法涉及的单相LCL型并网逆变器的拓扑结构图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，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u_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，VS为并网点电压传感器。H_i1，H_i2，H_v分别为电容电流i_c、并网电流i_g和并网点电压u_pcc的采样系数，根据H_i1，H_i2，H_v得到电容电流反馈信号i_{c_fd}，并网电流反馈信号i_{g_fd}，并网电压反馈信号u_{pcc_fd}。θ为并网点电压反馈信号的相位角；I^*为并网电流的基准信号。G₁为并网电流调节器，此处采用比例谐振(PR)调节方式。

在图1的结构中，向控制器5输入并网电流指令以及经电流传感器CS₂得到流过滤波电感L₂的并网电流。将采集到的并网点电压的反馈信号u_{pcc_fd}经过锁相环PLL锁相得到电网电压相位角θ，利用并网点电压相位角θ与并网电网指令提供的获得并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，进而对并网电流进行闭环调节，其具体的控制过程将结合下面的控制框图来说明。

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时和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Vm到逆变桥输出电压VAB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，并网电网电流的参考信号i_{g_ref}与并网电流反馈信号i_{g_fd}相减，得到的误差信号送入调节器G_i，其输出信号作为电容电流反馈信号i_{c_fd}的指令值，并其减去电容电流反馈信号i_{c_fd}，得到调制信号v_m，将该调制信号，送入PWM调制器中，得到逆变桥各开关管的控制信号，从而使并网电流跟踪基准电流。

如图3所示，本发明所提供的控制方法包括以下步骤：

(1)稳态情况下，逆变器系统运行于模式一，所述模式一中的控制策略按照以下步骤执行：

1)设置锁相环的控制参数至稳态工作模式的参数，即比例系数K_p1和积分系数K_i1；利用式(3)计算得比例系数K_p1和积分系数K_i1：

其中Z₀为逆变器输出阻抗，ω₀为电网电压基波角频率，ω_n为自然振荡角频率，U_m为逆变器并网系统公共耦合点(PCC)电压幅值，稳态工作模式下取PM₁＝45°，综合动态性能和稳态性能的要求取阻尼系数ζ＝0.707；

2)利用电容电流的电流传感器CS₁检测LCL滤波器的电容电流i_c，利用滤波电感的电流传感器CS₂检测进网电流i_g，利用电网电压的电压传感器VS₁检测并网点电压u_pcc；采集得到它们的反馈信号分别为i_{c_fd}，i_{g_fd}，u_{pcc_fd}，对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v；

3)将采集到的并网点电压的反馈信号u_{pcc_fd}经过锁相环PLL锁相得到电网电压相位角θ，利用并网点电压相位角θ与并网电网指令提供的获得并网电网电流的参考信号i_{g_ref}；

4)根据并网电流反馈信号i_{g_fd}和并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(2)计算得误差信号e_m：

e_m＝i_{g_fd}-i_{g_ref} (2)

5)控制器对误差信号进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{c_fd}的基准信号给定值i_{c_ref}；电容电流反馈信号i_{c_fd}及其基准信号i_{c_ref}相减，得到调制信号v_m；将该调制信号送入PWM调制器中，得到逆变桥各开关管的控制信号，从而使并网电流跟踪基准电流；

(2)当逆变器控制的并网电网指令发生改变时，进入模式二，即暂态工作模式，所述模式二中的控制策略按照以下步骤执行：

1)设置锁相环的控制参数至暂态工作模式的参数，即比例系数K_p2和积分系数K_i2；利用式(3)计算得比例系数K_p2和积分系数K_i2：

其中Z₀为逆变器输出阻抗，ω₀为电网电压基波角频率，ω_n为自然振荡角频率，U_m为逆变器并网系统公共耦合点(PCC)电压幅值，暂态工作模式下取PM₂＝30°，综合动态性能和稳态性能的要求取阻尼系数ζ＝0.707；

2)利用电容电流的电流传感器CS₁检测LCL滤波器的电容电流i_c，利用滤波电感的电流传感器CS₂检测进网电流i_g，利用电网电压的电压传感器VS₁检测并网点电压u_pcc；采集得到它们的反馈信号分别为i_{c_fd}，i_{g_fd}，u_{pcc_fd}，对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v；

(3)将采集到的并网点电压的反馈信号u_{pcc_fd}经过锁相环PLL锁相得到电网电压相位角θ，利用并网点电压相位角θ与并网电网指令提供的获得并网电网电流的参考信号i_{g_ref}；

(4)根据并网电流反馈信号i_{g_fd}和并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(4)计算得误差信号e_m：

e_m＝i_{g_fd}-i_{g_ref} (4)

(5)控制器对误差信号进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{c_fd}的基准信号给定值i_{c_ref}；电容电流反馈信号i_{c_fd}及其基准信号i_{c_ref}相减，得到调制信号v_m；将该调制信号送入PWM调制器中，得到逆变桥各开关管的控制信号，从而使并网电流跟踪基准电流；

(6)根据误差信号e_m与并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(5)计算其比值δ：

(7)判断|δ|是否大于5％，若|δ|<5％，则转入模式一，若|δ|≥5％，则转入模式二。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种提高并网逆变器弱电网暂态运行下系统动态响应的控制方法，其特征在于，包括下述两种模式：

模式一：稳态工作模式，此状态下将锁相环的控制参数的比例系数K_p和积分系数K_i分别设置为稳态工作模式的参数即比例系数K_p1和积分系数K_i1，从而保证了弱电网情况下，逆变器系统的稳定性；

模式二：暂态工作模式，此状态下将锁相环的控制参数的比例系数K_p和积分系数K_i分别设置为暂态工作模式的参数即比例系数K_p2和积分系数K_i2，从而提高逆变器系统的动态特性；

所述模式一中的控制策略按照以下步骤执行：

(1)设置锁相环的控制参数至稳态工作模式的参数，即比例系数K_p1和积分系数K_i1；利用式(1)计算得比例系数K_p1和积分系数K_i1：

其中，PM₁为稳态工作模式下的相位裕度，f_BW1为稳态工作模式下的锁相环带宽；Z₀为逆变器输出阻抗，ω₀为电网电压基波角频率，ω_n为自然振荡角频率，U_m为逆变器并网系统公共耦合点PCC电压幅值，稳态工作模式下取PM₁＝45°，综合动态性能和稳态性能的要求取阻尼系数ζ＝0.707；

(2)利用电容电流的电流传感器CS₁检测LCL滤波器的电容电流i_c，利用滤波电感的电流传感器CS₂检测进网电流i_g，利用电网电压的电压传感器VS₁检测并网点电压u_pcc；采集得到它们的反馈信号分别为i_{c_fd}，i_{g_fd}，u_{pcc_fd}，对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v；

(3)将采集到的并网点电压的反馈信号u_{pcc_fd}经过锁相环PLL锁相得到电网电压相位角θ，利用并网点电压相位角θ与并网电网指令提供的获得并网电网电流的参考信号i_{g_ref}；

(4)根据并网电流反馈信号i_{g_fd}和并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(2)计算得误差信号e_m：

e_m＝i_{g_fd}-i_{g_ref} (2)

(5)控制器对误差信号进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{c_fd}的基准信号给定值i_{c_ref}；电容电流反馈信号i_{c_fd}及其基准信号i_{c_ref}相减，得到调制信号v_m；将该调制信号送入PWM调制器中，得到逆变桥各开关管的控制信号，从而使并网电流跟踪基准电流；

所述模式二中的控制策略按照以下步骤执行：

(1)设置锁相环的控制参数至暂态工作模式的参数，即比例系数K_p2和积分系数K_i2；利用式(3)计算得比例系数K_p2和积分系数K_i2：

其中，PM₂为暂态工作模式下的相位裕度，f_BW2为暂态工作模式下的锁相环带宽；Z₀为逆变器输出阻抗，ω₀为电网电压基波角频率，ω_n为自然振荡角频率，U_m为逆变器并网系统公共耦合点PCC电压幅值，暂态工作模式下取PM₂＝30°，综合动态性能和稳态性能的要求取阻尼系数ζ＝0.707；

(2)利用电容电流的电流传感器CS₁检测LCL滤波器的电容电流i_c，利用滤波电感的电流传感器CS₂检测进网电流i_g，利用电网电压的电压传感器VS₁检测并网点电压u_pcc；采集得到它们的反馈信号分别为i_{c_fd}，i_{g_fd}，u_{pcc_fd}，对应的采样系数分别为H_i1，H_i2，H_v；

(3)将采集到的并网点电压的反馈信号u_{pcc_fd}经过锁相环PLL锁相得到电网电压相位角θ，利用并网点电压相位角θ与并网电网指令提供的获得并网电网电流的参考信号i_{g_ref}；

(4)根据并网电流反馈信号i_{g_fd}和并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(4)计算得误差信号e_m：

e_m＝i_{g_fd}-i_{g_ref} (4)

(5)控制器对误差信号进行闭环处理，得到电容电流反馈信号i_{c_fd}的基准信号给定值i_{c_ref}；电容电流反馈信号i_{c_fd}及其基准信号i_{c_ref}相减，得到调制信号v_m；将该调制信号送入PWM调制器中，得到逆变桥各开关管的控制信号，从而使并网电流跟踪基准电流；

(6)根据误差信号e_m与并网电网电流的参考信号i_{g_ref}，利用式(5)计算其比值δ：

(7)判断|δ|是否大于5％，若|δ|<5％，则转入模式一，若|δ|≥5％，则转入模式二。