CN107332281A - 弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法。本发明针对弱电网情况下采用电网电压直接前馈导致的并网逆变器稳定性问题，提出一种电网电压前馈滞后补偿的控制方法，该方法通过在电网电压前馈通道上增加低通滤波环节的方式，保证了并网逆变器与电网电压直接前馈控制的基波增益相同，实现了基波的无稳态误差跟踪。本发明不仅能够抑制电网背景谐波，而且大幅增加了并网逆变器在弱电网情况下的相位裕度，提高了并网逆变器的电网适应性。

Description

弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器系统的控制方法，尤其是涉及一种弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法。

背景技术

随着分布式发电系统的迅速发展，并网逆变器得到广泛应用。由于在地处偏远的分布式发电系统中，长距离传输线以及大量变压装置的存在会给电网带来一个不可忽略的等效阻抗，使得电网呈现弱电网特性。在具有高阻抗的弱电网情况下，逆变器与电网之间会形成一个动态的互联系统，该系统在其公共耦合点(point of common coupling，PCC)会造成并网逆变器控制系统带宽下降，影响其控制稳定性。并网逆变器采用电网电压直接前馈能够有效补偿电网背景谐波所导致的电流谐波从而获得了广泛的应用，但是有文献指出弱电网情况下采用电网电压直接前馈控制会大幅降低并网逆变器的稳定裕度，可能导致并网逆变器不稳定，例如许津铭、谢少军和唐婷发表于2014年8月25日《中国电机工程学报》第34卷第24期上的《弱电网下LCL滤波并网逆变器自适应电流控制》，该文指出弱电网下电网电压比例前馈会形成正反馈通道，大幅降低LCL型并网逆变器的稳定裕度，甚至导致系统不稳定。

为此，钱强、谢少军和季林等发表于2016年11月20日《中国电机工程学报》第36卷第22期上的《一种提升逆变器对电网适应能力的电流控制策略》，该文指出可以通过降低电网电压的前馈增益，以提高并网逆变器的稳定裕度，该方法在一定程度上改善了并网逆变器的稳定性，但是该方法会使并网逆变器基波增益大幅降低，不利于基波跟踪，增加了并网电流反馈值和指令值之间的稳态误差。

另外，在弱电网下可以通过降低锁相环的带宽来提高并网逆变器稳定性，例如：吴恒、阮新波和杨东升发表于2014年10月25日《中国电机工程学报》第34卷第30期上的《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》，该文根据相角裕度要求对锁相环的参数进行设计，改变了锁相环的带宽，增强了逆变器在电流源模式下对不同电网阻抗的适应性，但是这类方法大幅降低了并网逆变器锁相的快速性，此时，如果电网阻抗很大，为了使得并网逆变器稳定运行，锁相环带宽需要调到很低，此时，不适用于动态性能要求高的场合。

综上所述，现有技术存在以下问题：

(1)针对弱电网情况，现有文献采用电网电压直接前馈控制的方法会造成并网逆变器的稳定性大幅降低，通过降低电网电压的前馈增益可以提升系统稳定性，但是该方法会降低基波增益，增加了并网电流反馈值和指令值之间的稳态误差，不利于基波跟踪；

(2)现有基于电网电压前馈的控制方案中，均未涉及通过在电网电压前馈通道中添加低通滤波环节构成电网电压前馈滞后补偿来实现逆变器并网稳定的问题。

发明内容

为克服上述各种技术方案的局限性，针对弱电网情况下采用电网电压直接前馈导致的并网逆变器稳定性问题，提出一种电网电压前馈滞后补偿的控制方法，该方法通过在电网电压前馈通道上增加低通滤波环节的方式，保证了并网逆变器与电网电压直接前馈控制的基波增益相同，实现了基波的无稳态误差跟踪。本发明不仅能够抑制电网背景谐波，而且大幅增加了并网逆变器在弱电网情况下的相位裕度，提高了并网逆变器的电网适应性。

本发明的目的是这样实现的。本发明提出了一种弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法，本控制方法的主要步骤如下：

步骤1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤2，根据步骤1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；

所述公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

所述输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤4，设置输出并网电流指令信号i_gdref，i_gqref；根据步骤3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到控制信号u_d和u_q；

所述电网电流闭环控制方程为：

u_d＝(k_p+k_i/s)·(i_gdref-i_gd)

u_q＝(k_p+k_i/s)·(i_gqref-i_gq)

式中的k_p为电流环PI调节器比例控制系数，k_i为电流环PI调节器积分控制系数，s为拉普拉斯算子；

步骤5，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤4得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

所述控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_dcosθ-u_qsinθ

步骤6，根据步骤1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，通过电网电压前馈滞后补偿方程，得到电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}；

所述电网电压前馈滞后补偿方程为：

式中的K_pwm为三相全桥逆变器的PWM逆变环节增益，ω_c为电网电压前馈滤波的截止频率；

步骤7，根据步骤5得到的三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤6得到的电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}相加，得到三相全桥逆变器桥臂电压控制信号，再经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，经过驱动保护电路控制三相全桥逆变器功率器件的开通和关断。

优选地，步骤2所述公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}和K_{i_PLL}分别为锁相环PI调节器的比例调节系数和积分调节系数，s为拉普拉斯算子。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明不仅可以抑制电网背景谐波，而且大幅增加了并网逆变器在弱电网情况下的相位裕度，提高了逆变器的稳定性；

2、本发明改善了降低电网电压的前馈增益控制方案存在的基波增益衰减的问题，保证了弱电网下并网逆变器基波的无稳态误差跟踪；

3、本发明的并网逆变器控制系统闭环传递函数的极点更加远离右半平面，提升了并网逆变器在弱电网下的稳定性，增加了并网逆变器的电网适应性；

4、本发明仅需在电网电压前馈通道上加上一个低通滤波环节构成滞后补偿，实现方式简便有效。

附图说明

图1为本发明实施例所采用的三相LCL型并网逆变器与弱电网相连时的拓扑结构示意图。

图2为本发明弱电网下基于电网电压滤波前馈的并网逆变器控制结构示意图。

图3为在电网电压直接前馈控制时，不同电网阻抗下的开环传递函数的波特图。

图4为在加入电网电压前馈滤波控制时，不同电网阻抗下的开环传递函数的波特图。

图5为并网逆变器闭环传递函数随着电网阻抗变化时极点分布图。

图6为采用电网电压直接前馈控制时逆变器输出并网电流和谐波频谱图。

图7为采用电网电压滤波前馈控制时逆变器输出并网电流和谐波频谱图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法，以解决现有技术存在的弱电网情况下采用电网电压直接前馈导致的并网逆变器稳定性问题，通过在电网电压前馈通道上增加低通滤波环节的方式，保证了并网逆变器与电网电压直接前馈控制的基波增益相同，实现了基波的无稳态误差跟踪。本发明不仅能够抑制电网背景谐波，而且大幅增加了并网逆变器在弱电网情况下的相位裕度，提高了并网逆变器的电网适应性。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明实施例所采用的拓扑结构如图1所示。该拓扑结构包括直流侧滤波电容C_dc、三相桥式逆变拓扑、逆变器侧电感L₁、滤波电容C、阻尼电阻R_d、网侧电感L₂、LCL型滤波器通过公共耦合点PCC与带有电网阻抗Z_g的三相电网相连，r_g为电网阻抗Z_g的阻性分量，L_g为电网阻抗Z_g的感性分量，r_g和L_g构成电网阻抗Z_g，电网阻抗Z_g表达式如下：

Z_g＝r_g+s·L_g

式中的s为拉普拉斯算子。本实施例中，C_dc＝600μF，L₁＝0.9mH，C＝40μF，R_d＝0.15Ω，L₂＝0.1mH，r_g＝0，L_g＝1.2mH。

图2为弱电网下基于电网电压滤波前馈的并网逆变器控制结构示意图。由图2可见，本发明由以下几个步骤所构成：

步骤1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc。

步骤2，根据步骤1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ。

公共耦合点由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}和K_{i_PLL}分别为锁相环PI调节器的比例调节系数和积分调节系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中，ω₀＝314rad/s，K_{p_PLL}＝2000，K_{i_PLL}＝1。

步骤3，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤4，设置输出并网电流指令信号i_gdref，i_gqref；根据步骤3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到控制信号u_d和u_q；

电网电流闭环控制方程为：

u_d＝(k_p+k_i/s)·(i_gdref-i_gd)

u_q＝(k_p+k_i/s)·(i_gqref-i_gq)

式中的k_p为电流环PI调节器比例控制系数，k_i为电流环PI调节器积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

步骤5，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤4得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c。

控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_dcosθ-u_qsinθ

步骤6，根据步骤1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，通过电网电压前馈滞后补偿方程，得到电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}。

电网电压前馈滞后补偿方程为：

式中的K_pwm为三相全桥逆变器的PWM逆变环节增益，ω_c为电网电压前馈滤波的截止频率。本实施例K_pwm＝1，ω_c＝3140rad/s。

步骤7，根据步骤5得到的三相静止坐标系下的分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤6得到的电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}相加，得到三相全桥逆变器桥臂电压控制信号分别为：u_a+u_{pcca_f}、u_b+u_{pccb_f}、u_c+u_{pccc_f}，再经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，经过驱动保护电路控制三相全桥逆变器功率器件的开通和关断。

图3为本发明在电网电压直接前馈控制时，电网阻抗依次为L_g＝1.2mH、2.4mH、3.6mH时的开环传递函数的波特图。图4为本发明在加入电网电压前馈滞后补偿时，电网阻抗依次为L_g＝1.2mH、2.4mH、3.6mH时的开环传递函数的波特图。其中，图3和图4中PM表示相位裕度(phasemargin，PM)。对比图3和图4，可以明显地发现：采用电网电压直接前馈的方式，随着电网阻抗的增大，并网逆变器的相位裕度PM逐渐减小，通过引入电网电压前馈滞后补偿后相位裕度PM大幅增加；并且，引入电网电压前馈滤波控制策略并未改变开环传递函数的低频处的增益，保证了并网逆变器的基波跟踪性能。

图5所示为并网逆变器闭环传递函数随着电网阻抗L_g由1.2增大到4.8mH时的极点分布图。图5中箭头方向表示电网阻抗L_g增大的方向，区域1表示的是加入电网电压前馈补偿时闭环传递函数的极点分布，区域2表示的是采用电网电压直接前馈时闭环传递函数的极点分布。通过比较图5中加入电网电压前馈滞后补偿与采用电网电压直接前馈时闭环传递函数的极点分布位置，可以发现本发明提出的电网电压前馈滞后补偿控制策略能够使闭环极点远离右半平面，有效提高逆变器在弱电网下的稳定性。

图6和图7分别给出了采用电网电压直接前馈控制和加入电网电压前馈滞后补偿时的逆变器输出并网电流和相应的谐波频谱图。对比图6和图7可以发现本发明提出的弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法可以有效改善弱电网下的逆变器并网电流质量，提高并网逆变器的稳定性。

Claims (2)

1.一种弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法，其特征在于，本控制方法的主要步骤如下：

步骤1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤2，根据步骤1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；

所述公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

所述输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤4，设置输出并网电流指令信号i_gdref，i_gqref；根据步骤3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到控制信号u_d和u_q；

所述电网电流闭环控制方程为：

u_d＝(k_p+k_i/s)·(i_gdref-i_gd)

u_q＝(k_p+k_i/s)·(i_gqref-i_gq)

式中的k_p为电流环PI调节器比例控制系数，k_i为电流环PI调节器积分控制系数，s为拉普拉斯算子；

步骤5，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤4得到的控制信号u_d和u_q经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

所述控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_d cosθ-u_q sinθ

步骤6，根据步骤1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，通过电网电压前馈滞后补偿方程，得到电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}；

所述电网电压前馈滞后补偿方程为：

式中的K_pwm为三相全桥逆变器的PWM逆变环节增益，ω_c为电网电压前馈滤波的截止频率；

步骤7，根据步骤5得到的三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c，分别与步骤6得到的电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}相加，得到三相全桥逆变器桥臂电压控制信号，再经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，经过驱动保护电路控制三相全桥逆变器功率器件的开通和关断。

2.根据权利要求1所述的一种弱电网下具有电网电压前馈滞后补偿的并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤2所述公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}和K_{i_PLL}分别为锁相环PI调节器的比例调节系数和积分调节系数，s为拉普拉斯算子。