CN108879782A - 基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法 - Google Patents

基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,它包括:采集PCC点处电压、电流以及LCL滤波器的电容电流;提取PCC点处电压的相位并与给定的入网电流值相乘,得到入网电流的给定参考信号;将PCC点处电压通过一个经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节输出前馈信号;将所述给定参考信号与所述PCC点处电流相比较得到误差信号,通过电流调节器对所述误差信号进行调节,得到指令信号;将所述指令信号与采集到的电容电流信号以及所述前馈信号进行比较产生调制信号,将所述调制信号与三角载波相比较产生PWM波;利用所述PWM信号控制并网逆变器的运行。解决了现有控制策略对于并网逆变器输出阻抗的幅值以及相位无法同时兼顾的问题。

Description

基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法
技术领域
本发明涉及并网逆变器技术领域,特别是一种基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法。
背景技术
可再生能源并网系统是一个并网逆变器与弱电网形成的动态交互系统,目前国内外专家学者针对这种动态交互已经开展了广泛的研究。针对弱电网下的并网逆变器稳定性控制问题,现有技术中,加权平均电流控制(WACC)通过加权反馈逆变器侧电流和并网电流使得系统由三阶降为一阶,简化了系统控制,但在弱电网下该方法会失去稳定性。针对WACC在弱电网下的不稳定性,一些学者提出了在WACC的基础上额外添加电容电流反馈的策略。由于弱电网的时变性,电网阻抗也不是恒定不变的,变化的电网阻抗对于逆变器控制而言是一个挑战,因此基于电网阻抗辨识的自适应控制引起了广泛关注,提出了一种基于电网阻抗在线识别,通过电网电压前馈的方式动态补偿系统相位裕度的控制方法,但该方案一定程度上会降低逆变器输出阻抗幅值。
此外,由电网电压谐波带来的并网电流畸变问题也不容忽视,为了解决该问题,通常采用多谐振控制器和电网电压前馈等方式。多谐振控制器通常能很好地抑制并网电流谐波分量,但当需要抑制的谐波频率接近或者大于电流环带宽时,系统稳定裕度将大幅降低甚至直接不稳定。电网电压前馈由于可以同时抑制并网电流中的多次谐波分量,并且不影响系统环路增益,因而获得了广泛的应用,但在弱电网条件下,电网电压前馈会使系统不稳定。近年来,有学者指出弱电网下电网电压前馈会使系统不稳定的原因在于电网阻抗的存在使得并网电流出现了一条正反馈回路,并提出通过电网阻抗辨识动态剔除正反馈回路中感性分量的方案。然而受限于离散化和控制延时的影响,该策略的补偿效果并不能完全体现出来。
因此,亟需提出一种能够解决上述技术问题的双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明的目的就是提供一种基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,解决了现有控制策略对于并网逆变器输出阻抗的幅值以及相位无法同时兼顾的问题。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的,一种基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,它包括有:
S1:采集PCC点处电压、电流以及LCL滤波器的电容电流;
S2:提取PCC点处电压的相位并与给定的入网电流值相乘,得到入网电流的给定参考信号;
S3:将PCC点处电压通过一个经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节输出前馈信号;
S4:将所述给定参考信号与所述PCC点处电流相比较得到误差信号,通过电流调节器对所述误差信号进行调节,得到指令信号;
S5:将所述指令信号与采集到的电容电流信号以及所述前馈信号进行比较产生调制信号,将所述调制信号与三角载波相比较产生PWM波;
S6:利用所述PWM信号控制并网逆变器的运行。
进一步,根据电网阻抗的变化范围,将并网逆变器的输出阻抗划分为与电网阻抗交截的频段以及不与电网阻抗交截的频段;并引入一个经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节用于提高逆变器输出阻抗在交截频段的相位。
进一步,并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f1根据国家电网分布式电源接入电网规定的最小短路电流比进行计算;
交截频段的频率上限f2根据LCL滤波器在弱电网条件下的谐振频率进行计算。
进一步,所述经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节的表达式为:
其中G1(s)为二阶低通滤波环节;G2(s)为二阶高通高通滤波环节;H为交截频段调节因子;s为拉普拉斯算子;L1,L2以及C为LCL滤波器的电感及电容的参数取值;
Ginv(s)为逆变桥增益,其表达式为:
其中Vin为直流母线侧电压幅值,Vtri为三角载波幅值,Ts为系统的开关周期,KPWM为PWM逆变环节,Gd(s)为数字控制系统的等效延时传递函数,其涵盖了一拍采样计算延时和半拍零阶保持器ZOH的固有特性延时。
进一步,所述二阶低通滤波环节的表达式为:
其中wc1为并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f1所对应的角频率;
所述二阶高通滤波环节的表达式为:
其中wc2为并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f2所对应的角频率。
进一步,分频段重塑后的等效输出阻抗Zc(S)为:
其中,单相LCL型并网逆变器输出阻抗Zo(S)的表达式如下:
其中,i2是并网电流,vpcc是公共耦合点电压;电感Lg为电网阻抗,H1和H2为电容电流和并网电流反馈系数,Gi(s)为电流控制器。
进一步,在弱电网情况下,LCL滤波器的的谐振频率为:
其中,fr为LCL滤波器的谐振频率;L1=L2=0.33mH;C=10μF;Lg为电网阻抗。
进一步,交截频段调节因子H的取值决定了对交截频段并网逆变器输出阻抗的调节程度,调节因子的实际取值由实际并网系统所取参数计算所得,经分析H的范围有:-0.2<H<0.74。
由于采用了上述技术方案,本发明具有如下的优点:
(1)本发明对于弱电网条件下电网阻抗的宽范围变化具有良好的鲁棒性,即可保证在一定的电网阻抗变化范围内保证并网逆变器输出阻抗的相位良好,使得二者在交截频率处相位裕度满足要求;
(2)本发明在保证相位良好的情况下仍能保证在低频段相对于未经校正的并网逆变器输出阻抗具有较高的幅值;
(3)本发明实现简单,只需计算出电网阻抗与逆变器输出阻抗叫截频率段的频率上下限,在电网电压前馈的基础上通过改变调节因子的数值即可改善系统的稳定性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下:
图1为基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法的流程示意图。
图2为并网逆变器输出阻抗校正的控制框图。
图3为基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法的XX图。
图4为并网逆变器输出阻抗校正的简化控制框图。
图5为经校正后的输出阻抗幅频特性图。
图6为经校正后的输出阻抗相频特性图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:如图1至图6所示;一种基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,它包括有:
S1:采集PCC点处电压、电流以及LCL滤波器的电容电流;
S2:提取PCC点处电压的相位并与给定的入网电流值相乘,得到入网电流的给定参考信号;
S3:将PCC点处电压通过一个经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节输出前馈信号;
S4:将所述给定参考信号与所述PCC点处电流相比较得到误差信号,通过电流调节器对所述误差信号进行调节,得到指令信号;
S5:将所述指令信号与采集到的电容电流信号以及所述前馈信号进行比较产生调制信号,将所述调制信号与三角载波相比较产生PWM波;
S6:利用所述PWM信号控制并网逆变器的运行。
根据电网阻抗的变化范围,将并网逆变器的输出阻抗划分为与电网阻抗交截的频段以及不与电网阻抗交截的频段;并引入一个经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节用于提高逆变器输出阻抗在交截频段的相位。
并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f1根据国家电网分布式电源接入电网规定的最小短路电流比进行计算;
交截频段的频率上限f2根据LCL滤波器在弱电网条件下的谐振频率进行计算。
所述经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节的表达式为:
其中G1(s)为二阶低通滤波环节;G2(s)为二阶高通高通滤波环节;H为交截频段调节因子;s为拉普拉斯算子;L1,L2以及C为LCL滤波器的电感及电容的参数取值;
Ginv(s)为逆变桥增益,其表达式为:
其中Vin为直流母线侧电压幅值,Vtri为三角载波幅值,Ts为系统的开关周期,KPWM为PWM逆变环节,Gd(s)为数字控制系统的等效延时传递函数,其涵盖了一拍采样计算延时和半拍零阶保持器ZOH的固有特性延时。
所述二阶低通滤波环节的表达式为:
其中wc1为并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f1所对应的角频率;
所述二阶高通滤波环节的表达式为:
其中wc2为并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f2所对应的角频率。
分频段重塑后的等效输出阻抗Zc(S)为:
其中,单相LCL型并网逆变器输出阻抗Zo(S)的表达式如下:
其中,i2是并网电流,vpcc是公共耦合点电压;电感Lg为电网阻抗,H1和H2为电容电流和并网电流反馈系数,Gi(s)为电流控制器。
在弱电网情况下,LCL滤波器的的谐振频率为:
其中,L1=L2=0.33mH;C=10μF;其中,fr为LCL滤波器的谐振频率;Lg为电网阻抗。
交截频段调节因子H的取值决定了对交截频段并网逆变器输出阻抗的调节程度,调节因子的实际取值由实际并网系统所取参数计算所得,经分析H的范围有:-0.2<H<0.74。
本发明对于弱电网条件下电网阻抗的宽范围变化具有良好的鲁棒性,即可保证在一定的电网阻抗变化范围内保证并网逆变器输出阻抗的相位良好,使得二者在交截频率处相位裕度满足要求;本发明在保证相位良好的情况下仍能保证在低频段相对于未经校正的并网逆变器输出阻抗具有较高的幅值;本发明实现简单,只需计算出电网阻抗与逆变器输出阻抗叫截频率段的频率上下限,在电网电压前馈的基础上通过改变调节因子的数值即可改善系统的稳定性。
实施例2,本实施例为优选实施方式;如图1所示,一种基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,它包括有:
S1:采集PCC点处电压、电流以及LCL滤波器的电容电流;
S2:提取PCC点处电压的相位并与给定的入网电流值相乘,得到入网电流的给定参考信号;
S3:将PCC点处电压通过一个经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节输出前馈信号;
S4:将所述给定参考信号与所述PCC点处电流相比较得到误差信号,通过电流调节器对所述误差信号进行调节,得到指令信号;
S5:将所述指令信号与采集到的电容电流信号以及所述前馈信号进行比较产生调制信号,将所述调制信号与三角载波相比较产生PWM波;
S6:利用所述PWM信号控制并网逆变器的运行。
如图2所示,对单相LCL型并网逆变器控制系统利用阻抗分析法建模,其中Vin为直流母线电压,电感L1、L2和电容C组成了输出LCL滤波器,i2是并网电流,vpcc是公共耦合点电压。电感Lg为电网阻抗,H1和H2为电容电流和并网电流反馈系数,Gi(s)为电流控制器。控制系统中,并网电流参考值i2*(s)由幅值参考值与PLL输出的相位信息相乘所得,并采用滤波电容电流反馈抑制LCL滤波器谐振峰。
根据图2可得单相LCL型并网逆变器输出阻抗Zo表达式如下:
式中,s为拉普拉斯算子;Ginv(s)为逆变桥增益,其表达式为:
其中Vin为直流侧电压幅值,Vtri为三角载波幅值,Ts为系统的开关周期,KPWM为PWM逆变环节,Gd(s)为数字控制系统的等效延时传递函数,其涵盖了一拍采样计算延时和半拍零阶保持器(ZOH)固有特性延时;
国家电网有限公司分布式电源接入电网技术规定短路电流比不宜低于10,当取短路比SCR=10时,电网阻抗为2.6mH,此时并网逆变器输出阻抗与电网阻抗的交截频率为760Hz,设此频率为并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限。
在弱电网情况下,LCL滤波器的的谐振频率为:
这里取L1=L2=0.33mH;C=10μF;其中,fr为LCL滤波器的谐振频率;Lg为电网阻抗。
当短路比SCR取最小值10时,LCL滤波器的谐振频率有最小值为3kHz。随着SCR的增大,电网阻抗逐渐减小,此时并网逆变器的输出阻抗与电网阻抗的交截频率点向高频段移动,同时LCL滤波器的谐振频率也随着短路比的增大而逐渐增大,有可能会出现交截点频率恰好等于并网逆变器系统谐振频率的情况,这意味着当系统不稳定时,如果系统中存在谐振频率附近的谐波源时,若系统没有良好的阻尼,则振荡很容易发生。取极限情况当电网阻抗为零时。系统的谐振频率为4kHz,因此若系统输出阻抗保证在760Hz~4kHz之间相位均大于-90°,则就可以保证稳定性的要求,同时具备对电网阻抗宽范围变化的鲁棒性。
采用电网电压前馈的方式引入校正阻抗,其实现框图可由图3表示。
图中Gff(s)为全前馈表达式,G1(s)为二阶低通滤波环节;G2(s)为二阶高通高通滤波环节;H为交截频段调节因子,具体形式如下:
式中,wc1和wc2分别为并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限和上限所对应的角频率,分别为4775rad/s和25133rad/s。
将图3进一步简化为图4,其中G(s)为前馈函数,表达式如下:
根据图4,可以推导出分频段重塑后的等效输出阻抗为:
从式(8)中也可以看出,通过改变调节因子H的大小是可以改变逆变器输出阻抗的幅值以及相位。当H=1时,即相当于采用全前馈作为电网电压前馈环节,当减小H时,并网逆变器输出阻抗在交截频段的幅值降低,相位抬升,综合考虑幅值以及相位的影响,取H的范围为:
-0.2<H<0.74 (9);
取H=0.5画出并网逆变器输出阻抗与电网阻抗的频率特性图如图5和图6所示。
图5和图6中展示了不加前馈环节以及采用全前馈作为前馈环节的并网逆变器输出阻抗频率特性以示比较,从图中可以清晰的看出,相比于采用全前馈的情况,采用本发明的并网逆变器输出阻抗的相位在交截频段被抬升至-90°以上,同时在低频段相对于不加前馈环节的情况仍具有较高的幅值。
本发明对于弱电网条件下电网阻抗的宽范围变化具有良好的鲁棒性,即可保证在一定的电网阻抗变化范围内保证并网逆变器输出阻抗的相位良好,使得二者在交截频率处相位裕度满足要求;本发明在保证相位良好的情况下仍能保证在低频段相对于未经校正的并网逆变器输出阻抗具有较高的幅值;本发明实现简单,只需计算出电网阻抗与逆变器输出阻抗叫截频率段的频率上下限,在电网电压前馈的基础上通过改变调节因子的数值即可改善系统的稳定性。
应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,其特征在于,所述方法包括有如下步骤:
S1:采集PCC点处电压、电流以及LCL滤波器的电容电流;
S2:提取PCC点处电压的相位并与给定的入网电流值相乘,得到入网电流的给定参考信号;
S3:将PCC点处电压通过一个经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节输出前馈信号;
S4:将所述给定参考信号与所述PCC点处电流相比较得到误差信号,通过电流调节器对所述误差信号进行调节,得到指令信号;
S5:将所述指令信号与采集到的电容电流信号以及所述前馈信号进行比较产生调制信号,将所述调制信号与三角载波相比较产生PWM波;
S6:利用所述PWM信号控制并网逆变器的运行。
2.如权利要求1所述的基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,其特征在于,根据电网阻抗的变化范围,将并网逆变器的输出阻抗划分为与电网阻抗交截的频段以及不与电网阻抗交截的频段;并引入一个经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节用于提高逆变器输出阻抗在交截频段的相位。
3.如权利要求2所述的基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,其特征在于,并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f1根据国家电网分布式电源接入电网规定的最小短路电流比进行计算;
交截频段的频率上限f2根据LCL滤波器在弱电网条件下的谐振频率进行计算。
4.如权利要求2所述的基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,其特征在于,
所述经双重滤波环节校正的电网电压前馈环节的表达式为:
其中G1(s)为二阶低通滤波环节;G2(s)为二阶高通高通滤波环节;H为交截频段调节因子;s为拉普拉斯算子;L1,L2以及C为LCL滤波器的电感及电容的参数取值;
Ginv(s)为逆变桥增益,其表达式为:
其中,Vin为直流母线侧电压幅值,Vtri为三角载波幅值,Ts为系统的开关周期,KPWM为PWM逆变环节,Gd(s)为数字控制系统的等效延时传递函数,其涵盖了一拍采样计算延时和半拍零阶保持器ZOH的固有特性延时。
5.如权利要求4所述的基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,其特征在于,
所述二阶低通滤波环节的表达式为:
其中wc1为并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f1所对应的角频率;
所述二阶高通滤波环节的表达式为:
其中wc2为并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频段的频率下限f2所对应的角频率。
6.如权利要求4所述的基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,其特征在于,分频段重塑后的等效输出阻抗Zc(S)为:
其中,单相LCL型并网逆变器输出阻抗Zo(S)的表达式如下:
其中,i2是并网电流,vpcc是公共耦合点电压;电感Lg为电网阻抗,H1和H2为电容电流和并网电流反馈系数,Gi(s)为电流控制器。
7.如权利要求6所述的基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,其特征在于,在弱电网情况下,LCL滤波器的的谐振频率为:
其中,fr为LCL滤波器的谐振频率;L1=L2=0.33mH;C=10μF;Lg为电网阻抗。
8.如权利要求2所述的基于双重滤波电网电压前馈的并网逆变器优化控制方法,其特征在于,交截频段调节因子H的取值决定了对交截频段并网逆变器输出阻抗的调节程度,调节因子的实际取值由实际并网系统所取参数计算所得,经分析H的范围有:-0.2<H<0.74。
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