CN106684918A

CN106684918A - 一种lcl逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法

Info

Publication number: CN106684918A
Application number: CN201710140912.2A
Authority: CN
Inventors: 陈燕东; 周乐明; 王伊; 罗安; 谢志为; 谭文娟; 刘傲洋; 姜劲松; 欧素妤; 张兵
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: CN106684918B

Abstract

本发明公开了一种LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，主要包括鲁棒并网电流反馈有源阻尼控制，同步参考系准比例积分控制和功率前馈控制。其中鲁棒并网电流反馈有源阻尼控制器能够克服系统弱阻尼特性，抑制LCL谐振尖峰，并且提高系统对电网阻抗变化的鲁棒性；同步参考系准比例积分控制能够补偿无功功率，并且调节瞬时电网电流不受电网频率偏移的影响始终维持零稳态误差；而功率前馈控制可加快光伏直流侧能量向电网交流侧能量的单向传递过程。本发明实现了LCL型并网分布式发电系统的弱阻尼谐振抑制；加快了功率调节过程；并且提高了系统对于电网频率偏移和电网阻抗变化的鲁棒性。

Description

一种LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法

技术领域

本发明涉及新能源分布式发电领域，特别是一种LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法。

背景技术

随着化石能源短缺和环境污染的恶化，风能和太阳能等分布式电源引起了广泛的社会关注，并已成为研究热点。LCL型并网逆变器作为分布式电源(distributedgenerations，DG)和公用电网之间的关键接口，已经成为一种应用广泛且高性价比的装置。然而，它仍存在一些亟需解决的问题：由于LCL滤波器是一个三阶低阻尼系统，容易产生谐振并造成系统不稳定；又由于大量的DG和局部负载接入公用电网，电网越来越表现出弱电网的特性，即电网频率和电网阻抗会随着系统工作状态而发生改变，且并网点的电网电压存在严重的背景谐波，这对并网逆变器提出了更高的要求。其中，电网频率偏移将影响逆变器有功、无功功率的调节，电网阻抗变化将影响逆变器谐振尖峰的抑制。对此本文提出了一种LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法。通过引入功率前馈控制加快系统的响应速度；通过同步参考系准比例积分(synchronous reference frame quasi-proportional-integral，SRFQPI)控制器补偿无功功率，并且调节瞬时电网电流不受电网频率偏移的影响始终维持零稳态误差；通过鲁棒并网电流反馈有源阻尼(robust grid-current-feedback active damping，RGCFAD)控制器实现系统有源阻尼谐振抑制，有效的抑制LCL谐振尖峰，并且进一步提高系统对电网阻抗变化的鲁棒性；

在单相系统中采用同步参考系理论(synchronous reference frame，SRF)和瞬时无功功率理论(instantaneous reactive power，IRP)技术可方便地调节有功和无功功率。使用常规SRF比例积分控制器，DG可以容易地实现零稳态误差。由于SRFPI控制器极大地依赖于同步参考系锁相环，电网频率偏移和电网电压失真将会影响系统稳定性和逆变器输出电流总谐波畸变率。因此，有必要提高SRF控制系统对电网频率偏移的鲁棒性。

另外，已经研究过用于LCL型并网逆变器的有源阻尼控制方法。主要包括电容电流反馈，电容电压反馈，多变量复合反馈，并网电流反馈等。其中带高通滤波器的并网电流反馈(grid-current feedback，GCF)有源阻尼方法，因为易于实现和没有噪声干扰而受到广泛的关注。然而，没有考虑过数字控制中电网阻抗变化对GCF有源阻尼方法的影响。由于数字控制器的控制延迟会使得虚拟等效阻尼电阻值(virtual equivalent dampingresistance，VEDR)从其额定值偏移，因此当电网阻抗变化时控制系统稳定性总是急剧恶化。为了增加系统阻尼、提高系统稳定性，LCL谐振频率必须远离分界频率，否则将使VEDR在谐振频率处为零。然而，由于传输线路和隔离变压器的存在，LCL谐振频率总是随着电网阻抗的变化而发生偏移。一旦LCL谐振频率偏移到分界频率处，系统潜在的不稳定性将被触发。因此有必要提高控制系统对电网阻抗变化的鲁棒性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法。

本发明所采用的技术方案是：一种LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，该方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，DSP控制器启动A/D转换器，对光伏电压u_pv、光伏电流i_pv、直流侧电压u_dc、电容电流i_c1、电网电压u_s、并网电流i_g、负载电流i_L分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给DSP控制器进行处理；

2)DSP控制器根据光伏电压u_pv和光伏电流i_pv的瞬时值进行最大功率点跟踪，并计算出每个采样周期的有功功率P_pv，同时，DSP控制器利用傅里叶算法DFT计算出每个电网周期内的电网电压有效值U_s。计算有功电流幅值指令为式中：k_pv为功率前馈比例系数，k_pv取值影响系统的响应速度，当光伏能量突变时，功率前馈能加快并网电流的调节速度，使其快速达到另一个稳态。考虑到逆变器的有功损耗(<5％)，其取值应满足条件k_pv≤0.95。

3)DSP控制器将采集的负载电流i_L经过坐标变换得到无功电流幅值指令

4)使用并网电流二重采样方法减少有源阻尼环路的控制延迟，i_g的采样时刻位于三角载波的波峰和波谷处相应的电流值分别为i_g-peak和i_g-through。

5)通过采集到的并网电流i_g-peak得到i_α和i_β，其中i_α＝i_g-peak，再经过坐标变换得到pq旋转坐标系下并网电流有功和无功分量。

6)将并网电流有功，无功分量指令值和与其实际值的差值E_p，E_q作为QPI控制器的输入，其输出信号经过坐标变换，最后等效为SRFQPI控制器。

7)将并网电流i_g-through与反馈函数相乘，其中K_g和ω_g分别是RGCFAD控制器的增益和截止角频率。

8)将SRFQPI控制器的输出信号与RGCFAD控制器的输出信号相减得到调制信号u_m。

9)将调制信号u_m与采样频率1/T_s相乘，其中，T_s是采样周期，与采样频率1/T_s相乘之后得到的值与零阶保持器的传递函数G_h(s)相乘，得到SPWM调制波信号D；其中，G_h(s)的表达式为：

10)对SPWM调制波信号D和三角载波进行双极性调制，得到逆变电路开关管的占空比信号，经LCL型单相并网逆变器的驱动保护电路，控制逆变电路开关管的开通与关断。

步骤6)中，QPI控制器的传递函数为其中K_p和K_r分别是QPI控制器的比例和积分系数，ω_c是截止频率。

步骤8)中，调制信号u_m的具体调制过程是：在三角载波的波谷第k时刻采样并网电流i_s，并按步骤6)计算出第k时刻的u_r(k)；在三角载波的波峰第k+0.5时刻采样电容电流i_C1，并按步骤7)计算出第k+0.5时刻的u_ic1(k+0.5)；在下一个并网电流i_s采样第k+1时刻，计算并装载调制信号u_m(k+1)到DSP控制器，u_m(k+1)的计算公式为：u_m(k+1)＝u_r(k)-u_iC1(k+0.5)；其中，k是采样时刻序列号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，包括RGCFAD控制、SRFQPI控制和功率前馈控制。其中RGCFAD控制能够克服系统弱阻尼特性，抑制LCL谐振尖峰，并且提高系统对电网阻抗变化的鲁棒性；SRFQPI控制能够补偿无功功率，并且调节瞬时电网电流不受电网频率偏移的影响始终维持零稳态误差；而功率前馈控制可加快光伏直流侧能量向电网交流侧能量的单向传递过程。

附图说明

图1为单相LCL型并网光伏系统结构图；

图2为RTDOF-SCC控制方法框图；

图3为SRFQPI控制框图；

图4为本发明一实施例SRFQPI控制方法的波特图；

图5为本发明一实施例RGCFAD的等效阻抗模型；

图6为本发明一实施例RGCFAD控制器R_eq(ω)和X_eq(ω)的频域特性；

图7为本发明一实施例电网阻抗变化时RGCFAD控制器的闭环极点图。

具体实施方式

图1为单相LCL型光伏并网系统结构图，其主要包括光伏阵列，主电路，本地负载和控制电路。主电路由升压电路，单相全桥逆变器和LCL滤波器组成。采用最大功率点跟踪控制的升压电路将太阳能从光伏阵列转移到储能电容C_dc中。采用RTFOF-SCC控制策略的单相全桥逆变器将电能传输到电网和本地负载。L_g为网侧电感。L₁和L₂分别为逆变器侧和网侧LCL滤波电感。R₁和R₂分别为L₁和L₂的寄生参数。C为LCL滤波电容。u_dc为直流母线电压，u_inv为逆变器输出电压。u_pcc为公共接口电压。u_s为电网电压。i_g为逆变器的并网电流，而i_s为流入电网的网侧电流。i_L为负载电流。DSP系统主要包括功率前馈控制，无功补偿，双采样模式，SRFQPI控制和RGCFAD控制，如图2所示。

在每个采样周期的起始点，DSP控制器启动A/D转换器，对光伏电压u_pv、光伏电流i_pv、直流侧电压u_dc、电容电流i_c1、电网电压u_s、并网电流i_s分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给DSP控制器进行处理。

功率前馈控制能加快系统稳态过程的响应，当外界条件突然变化时(光照改变、温度变化)，通过功率前馈控制，使并网逆变器能快速地做出响应，同时由于减小了外环PI的输出指令值，从而减小了直流侧电压的稳态误差。在具体实施中，DSP控制器根据光伏电压和光伏电流的瞬时值进行最大功率点(MPPT)跟踪，并计算出每个采样周期的有功功率P_pv，同时，DSP在单个电网周期内计算出该电网周期内的电网电压有效值U_s，前馈电流幅值指令I_pr ^*可由下列公式计算出：

式中，k_pv为功率前馈比例系数，考虑到逆变器的有功损耗(<5％)，其取值范围为0.9≤k_pv≤0.95。

在并网逆变器中，逆变器输出的无功补偿容量是由逆变器的额定容量S_r和有功容量决定的，在优先满足光伏并网发电最大功率输出条件下，逆变器剩余容量即为无功补偿的最大输出容量Q_{s_max}，即：

在二重采样中，i_g的采样时刻分别位于三角载波的波峰和波谷处，以避免引入开关纹波。两个采样值i_{g_peak}和i_{g_trough}分别作为SRFQPI和RGCFAD的输入信号。在这种情况下，λ₁＝1和λ₂＝0.5，因此二重采样可以减少有源阻尼环路的控制延时，并使控制延时对VEDR的影响最小化。

为了减小电网频率偏移对系统的影响，在d-q旋转坐标系下使用准比例积分(QPI)控制器，将并网电流有功，无功分量指令值I_p ^*和I_q ^*与其实际值的差值Ep，Eq作为QPI控制器的输入，其传递函数为

其中K_p和K_r分别是QPI控制器的比例和积分系数，ω_c是截止频率。再通过坐标变换将其等效为α-β静止坐标系中的SRFQPI控制器，它相当于QPR控制器的特性，如图3所示。SRFQPI控制器的传递函数为：

图4为SRFQPI控制方法的波特图。由图中可知，与传统的SRFPI控制器相比，SPRQPI控制器不仅能够保持高增益，而且还能降低基频偏移对系统的影响，进而提高系统对频率变化的鲁棒性。

VEDR的正负分界频率位于LCL谐振频率(10ω₀/2π,0.5f_s)区间内是系统对电网阻抗变化鲁棒性较差的根本原因。实际LCL谐振频率f_r还可能由于电网阻抗变化而穿越分界频率。因此，为了提高系统对电网阻抗宽范围变化的鲁棒性，亟需设计RGCFAD控制器使VEDR在(0,0.5f_s)频率区间内为正电阻特性，其反馈函数H(s)为：

其中K_g和ω_g分别是RGCFAD控制器的增益和截止角频率。

将RGCFAD控制器等效为接在电感L₂和电网电感L_g中间的虚拟阻抗Z_eq，如图5所示。考虑到寄生电阻足够小，因而将它们忽略不计，Z_eq可表示为：

又可将Z_eq表示为电阻R_eq和电抗X_eq相串联：

Z_eq(ω)＝R_eq(ω)+jX_eq(ω) (7)

其中R_eq(ω)和X_eq(ω)的表达式分别为：

其中

结合图5以及式(8)，可推导出f_r的表达式为：

R_eq(ω)和X_eq(ω)的频率特性如图6所示，其中f_s是开关频率，f_R是等效电阻R_eq(ω)的正负分界频率，f_X1和f_X2分别是等效电抗X_eq(ω)的容性/感性分界频率。从图中可知，R_eq(ω)的正负分界频率位于LCL谐振频率区间之外，R_eq(ω)在(0,0.5f_s)频率区间内呈现正电阻性。同时，根据式(10)，由于f_R＝f_X2，即使K_g取值较大或ω_g取值较小，实际LCL谐振频率f_r也不会跨越f_R。因此，RGCFAD方法不仅可以消除VEDR的分界频率跨越f_r的可能性，还可以拓宽K_g和ω_g的范围。

根据式(11)，电网阻抗变化时T_cl(s)的闭环极点图如图7所示。由于采用二重采样和RGCFAD控制方法，不管电网阻抗如何变化，LCL谐振复共轭极点始终位于单位圆内。因此，即使电网阻抗宽范围的变化，LCL型并网逆变器也能保持稳定。

Claims

1.一种LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，适用于单相LCL型并网光伏系统；所述单相LCL型并网光伏系统包括依次连接的光伏阵列、升压电路、逆变电路、LCL滤波器和负载；其特征在于，该方法包括以下步骤：在每个采样周期的起始点，对光伏电压u_pv、光伏电流i_pv、电网电压u_s、并网电流i_g、负载电流i_L分别进行采样；

1)根据光伏电压u_pv和光伏电流i_pv的瞬时值进行最大功率点跟踪，并计算出每个采样周期的有功功率P_pv，利用傅里叶算法计算出每个电网周期内的电网电压有效值U_s，利用所述有功功率P_pv、电网电压有效值U_s计算并网电流的有功电流幅值指令将采集的负载电流i_L经过坐标变换得到并网电流的无功电流幅值指令

2)使用并网电流二重采样方法减少有源阻尼环路的控制延迟，并网电流i_g在采样时刻位于三角载波的波峰和波谷处相应的电流值分别为i_g-peak和i_g-through；

3)求得i_g-peak的虚拟α相和β相电流，分别为i_α和i_β。将i_α和i_β经过坐标变换即得到pq旋转坐标系下并网电流的有功分量和无功分量；

4)将有功电流幅值指令与并网电流有功分量的差值E_p、无功电流幅值指令与并网电流无功分量的差值E_p作为QPI控制器的输入，QPI控制器的输出信号经过坐标变换，等效为SRFQPI；SRFQPI控制器的输出值为u_r(k)；

5)将并网电流i_g-through与RGCFAD控制器的反馈函数相乘，其中K_g和ω_g分别是RGCFAD控制器的增益和截止角频率；T_s是采样周期；并网电流与RGCFAD控制器的反馈函数相乘之后得到并网电流反馈信号u_ig(k)；

6)将SRFQPI控制器的输出信号u_r(k)与RGCFAD控制器的输出信号u_ig(k)相减得到调制信号u_m；

7)将调制信号u_m与采样频率1/T_s相乘，得到的值与零阶保持器的传递函数G_h(s)相乘，得到SPWM调制波信号D；

8)对SPWM调制波信号D和三角载波进行双极性调制，得到逆变电路开关管的占空比信号，经LCL型单相并网逆变器的驱动保护电路，控制逆变电路开关管的开通与关断。

2.根据权利要求1所述的LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，其特征在于，有功电流幅值指令的计算公式为：其中，k_pv为功率前馈比例系数。

3.根据权利要求2所述的LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，其特征在于，k_pv≤0.95。

4.根据权利要求1所述的LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，其特征在于，QPI控制器的传递函数为其中K_p和K_r分别是QPI控制器的比例系数和积分系数，ω_c是截止频率。

5.根据权利要求1所述的LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，其特征在于，调制信号u_m的具体调制过程是：在三角载波的波峰第k时刻采样并网电流i_g，并按步骤4)及步骤5)计算出第k时刻的u_r(k)；在三角载波的波谷第k+0.5时刻采样并网电流i_g，并按步骤6)计算出第k+0.5时刻的u_ig(k+0.5)；在下一个并网电流i_g采样第k+1时刻，计算并装载调制信号u_m(k+1)到DSP控制器，u_m(k+1)的计算公式为：u_m(k+1)＝u_r(k)-u_ig(k+0.5)；其中，k是采样时刻序列号。

6.根据权利要求1所述的LCL逆变器弱阻尼谐振抑制与功率快速调节方法，其特征在于，零阶保持器的传递函数G_h(s)表达式为：