CN107834594A - 弱电网下基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱电网下基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法。本发明针对弱电网情况下采用传统电网电压直接前馈控制导致的并网逆变器稳定性问题，通过在电网电压前馈控制通道上加入基于加权系数的一阶惯性环节，不仅保留了传统电网电压前馈控制抑制电网背景谐波的能力，而且提高了并网逆变器在弱电网下的稳定性，显著降低了电流变化过程中的超调量，兼顾了并网逆变器稳态时的稳定性和动态过程时的超调量，有效地改善并网逆变器的并网电流质量，提升了并网逆变器的电网适应性。

Description

弱电网下基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法

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基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法。

背景技术

由于线路阻抗、并网机组数量、负载以及并网逆变器系统运行方式等因素的变化，电网公共耦合点(point of common coupling，PCC)存在一定大小并且变化的阻抗，使得电网呈现出弱电网特性，导致逆变器与电网之间会形成一个动态的互联系统，造成逆变器控制系统带宽下降，并影响其控制稳定性。另外，电网中非线性负荷会导致实际电网电压中存在大量低次的背景谐波，这种畸变的电网电压对于逆变器来说是一种实时扰动，而通过传统电网电压比例前馈控制可以有效补偿电网背景谐波导致的电流谐波，增强并网变流器的抗扰能力，并减小了逆变器启动时的电流冲击。

然而，弱电网条件下若采用传统电网电压前馈控制会对并网系统的稳定性造成严重影响。目前，有学术论文对此做了深入的理论分析，并提出了相应的方案来解决此类问题，但是均存在一些缺陷。例如：

1)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。

2)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，大幅降低并网逆变器的稳定裕度，甚至导致系统不稳定，该文提出一种基于电网阻抗测量的自适应电流控制方法。但是，该方法依赖于准确的电网阻抗值，导致算法比较复杂，此外所提稳定补偿方案含有微分环节，在工程应用中会面临噪声干扰的问题。

3)徐飞、汤雨和谷伟发表于2016年9年20日《中国电机工程学报》第36卷18期上的《弱电网条件下LCL型并网逆变器谐振前馈控制策略研究》，该文提出了利用二阶广义积分器实现带通滤波特性的改进前馈控制方法，以提高弱电网下系统的稳定性，然而，该方法会大幅增加并网逆变器电流指令阶跃等动态过程中的超调量，恶化了并网系统的动态性能。

4)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，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，不利于电流基波指令的跟踪，增加了并网电流反馈值和指令值之间的稳态误差；并且，该方案同时会降低并网逆变器的动态性能，不适用于动态性能要求高的场合。

综上所述，针对弱电网情况下采用传统电网电压直接前馈控制造成并网逆变器稳定性大幅降低的问题，现有技术存在以下问题：

(1)现有基于降低锁相环带宽来增强逆变器对不同电网阻抗的适应性的方法大幅降低了并网逆变器锁相的快速性，不适用于动态性能要求高的场合；

(2)现有基于电网阻抗测量的自适应电流控制方法依赖于准确的电网阻抗值，导致算法比较复杂，并且由于稳定补偿方案含有微分环节，在工程应用中会面临噪声干扰的问题；

(3)现有利用二阶广义积分器实现带通滤波特性的改进前馈控制方法会大幅增加并网逆变器电流指令阶跃等动态过程中的超调量，恶化了并网系统的动态性能；

(4)现有通过降低电网电压前馈增益的方法会使并网逆变器基波增益大幅降低，不利于电流基波指令的跟踪，增加了并网电流反馈值和指令值之间的稳态误差，并降低了并网逆变器的动态性能，不适用于动态性能要求高的场合；

(4)目前现有文献所提方案中，均未涉及通过在电网电压前馈控制通道上加入基于加权系数的一阶惯性环节，来兼顾并网逆变器稳态时的稳定性和动态过程时的超调量问题。

发明内容

为克服上述各种技术方案的局限性，本发明针对弱电网情况下采用传统电网电压直接前馈控制导致的并网逆变器稳定性问题，提出一种弱电网下基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法，该方法通过在电网电压前馈控制通道上加入基于加权系数的一阶惯性环节，提高了并网逆变器在弱电网下的稳定性，显著降低了电流变化过程中的超调量，兼顾了并网逆变器稳态时的稳定性和动态过程时的超调量，提升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基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法，本控制方法的步骤如下：

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：

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}为锁相环PI调节器的比例调节系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子；

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，并根据步骤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；

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，通过基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈方程，得到电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}；

所述基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈方程为：

式中的K_PWM为三相全桥逆变器的PWM逆变环节增益，ω_c为一阶惯性环节的截止频率，K_f为一阶惯性环节的加权系数，且0<K_f<1；

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(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。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明不仅保留了传统电网电压前馈控制抑制电网背景谐波的能力，而且扩大了并网逆变器电网阻抗运行范围，显著降低了电流变化过程中的超调量，兼顾了并网逆变器稳态时的稳定性和动态过程时的超调量，改善并网逆变器的并网电流质量。

2、本发明通过通过在电网电压前馈控制通道上加入基于加权系数的一阶惯性环节，克服了弱电网情况下传统直接电网电压前馈控制引起的并网逆变器稳定性问题，其电网阻抗适应性得到提升。

3、本发明仅需在电网电压前馈通道上添加一个增益可调的加权一阶惯性环节，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加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制结构示意图。

图3为本发明采用传统电网电压直接前馈控制时逆变器输出并网电流波形图。

图4为本发明采用传统电网电压直接前馈控制时逆变器输出并网电流的谐波频谱图。

图5为本发明采用仅一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流波形图。

图6为本发明采用仅一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流的谐波频谱图。

图7为本发明采用基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流波形图。

图8为本发明采用基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流的谐波频谱图。

图9为本发明采用仅一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流指令值由半载阶跃到满载时电流幅值的动态响应波形。

图10为本发明采用基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流指令值由半载阶跃到满载时电流幅值的动态响应波形。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种弱电网下基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法，以解决现有技术存在的弱电网情况下采用传统电网电压直接前馈控制造成并网逆变器稳定性大幅降低的问题，通过通过在电网电压前馈控制通道上加入基于加权系数的一阶惯性环节，扩大了并网逆变器电网阻抗运行范围，显著降低了电流变化过程中的超调量，兼顾了并网逆变器稳态时的稳定性和动态过程时的超调量，提升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三相LCL型并网逆变器与弱电网相连时的拓扑结构示意图如图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为本发明弱电网下基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制结构示意图。由图2可见，本发明主要由以下几个步骤组成：

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。

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：

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}为锁相环PI调节器的比例调节系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器的积分调节系数，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。

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，并根据步骤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。在本发明实施例中，k_p＝210，k_i＝2800。

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，通过基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈方程，得到电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}。

所述基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈方程为：

式中的K_PWM为三相全桥逆变器的PWM逆变环节增益，ω_c为一阶惯性环节的截止频率，K_f为一阶惯性环节的加权系数，且0<K_f<1。在本发明实施例中，K_PWM＝1，ω_c＝3140rad/s，K_f＝0.8。

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(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和图4分别为本发明采用传统电网电压直接前馈控制时逆变器输出并网电流波形图和采用传统电网电压直接前馈控制时逆变器输出并网电流的谐波频谱图。通过图3和图4可见，并网逆变器出现明显的谐振现象，并且总谐波畸变率THD为5.81％。图5和图6分别为本发明采用仅一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流波形图和采用仅一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流的谐波频谱图。通过图5和图6可见，通过在传统电网电压前馈通道上添加一阶惯性环节，但是无加权系数时，可以有效抑制并网逆变器的谐振现象，并且总谐波畸变率THD为2.77％。图7和图8分别为本发明采用基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流波形图和采用基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流的谐波频谱图。通过图7和图8可见，通过在传统电网电压前馈通道上添加基于加权系数的一阶惯性环节，且加权系数K_f＝0.8时，与图5和图6相比，并网逆变器稳定性得到进一步提升，其总谐波畸变率THD进一步降为2.48％，表明通过本发明所提的基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法，能够进一步提升并网逆变器的稳定性。

图9为本发明采用仅一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流指令值由半载阶跃到满载时电流幅值的动态响应波形。通过图9可见，通过在传统电网电压前馈通道上添加一阶惯性环节，但是无加权系数时，逆变器的电流阶跃过程中的超调量为8.5A。图10为本发明采用基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制时逆变器输出并网电流指令值由半载阶跃到满载时电流幅值的动态响应波形。通过图10可见，通过在传统电网电压前馈通道上添加基于加权系数的一阶惯性环节，且加权系数K_f＝0.8时，逆变器的电流阶跃过程中的超调量降为5A。对比图9和图10可见，本发明所提基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法相比于仅一阶惯性环节的电网电压前馈控制，其显著降低了电流变化过程中的超调量。

综合综合图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10可见，本发明提出的弱电网下基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法可以有效提高并网逆变器在弱电网下的稳定性，显著降低了电流变化过程中的超调量，兼顾了并网逆变器稳态时的稳定性和动态过程时的超调量，提升了并网逆变器的电网适应性。

Claims (1)

1.一种弱电网下基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈控制方法，其特征在于，本控制方法的步骤如下：

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：

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所述公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

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

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：

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步骤4，设置输出并网电流指令信号i_gdref，i_gqref，并根据步骤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；

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

<mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>d</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mn>3</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>q</mi> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mn>3</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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步骤6，根据步骤1得到的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，通过基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈方程，得到电网电压前馈信号u_{pcca_f}、u_{pccb_f}、u_{pccc_f}；

所述基于加权一阶惯性环节的电网电压前馈方程为：

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式中的K_PWM为三相全桥逆变器的PWM逆变环节增益，ω_c为一阶惯性环节的截止频率，K_f为一阶惯性环节的加权系数，且0<K_f<1；

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(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。