CN109193792B - 弱电网下并网逆变器的socvf前馈和相位补偿因子切换控制方法 - Google Patents

弱电网下并网逆变器的socvf前馈和相位补偿因子切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法，该方法包括：通过锁相环PLL前置的SOCVF提取公共耦合点PCC电压的基波分量，利用PLL所产生的ud和uq作为电网电压前馈量来消除由于电网电压比例前馈所引入的正反馈支路，通过基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换方法对MSFRR的相位进行补偿。本发明提出了专用于弱电网下并网逆变器的控制方法，从而消除了电网阻抗对逆变器并网控制系统的影响，极大的提升了系统的稳定性，且系统适应性强，且实现了较高的功率因数，提升了对电网背景谐波的抑制能力，使得逆变器控制系统能够保持较高的剪切频率，相角裕度和增益裕度，系统的快速性和稳定性得到增强。

Description

弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制 方法
技术领域
本发明涉及逆变器并网控制技术领域，特别是一种弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法。
背景技术
随着风能和太阳能等可再生能源的渗透率不断提高，给传统的电网也带来了极大的挑战，由于长距离输线，升压变压器的漏感等因素的影响，使得线路阻抗变大，同时，因为电力电子设备的不断投切，以及非线性负载的存在，电网中存在大量的背景谐波。这两个因素使得传统的电网变为弱电网。传统电网通常采用电网电压比例前馈来消除电网电压的干扰，弱电网情况下电网阻抗的存在会引入一条正反馈支路，这会严重威胁系统的稳定性。为消除电网背景谐波的影响，常用的方法是引入MSFRR，弱电网情况下由于电网阻抗的影响，系统的带宽降低，当系统的带宽小于引入的SFRR最大谐振频率时，会使系统不稳定。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出了如下技术方案。
一种弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法，该方法包括：
提取步骤，通过锁相环PLL(Phase Locked Loop)前置的二阶复矢量滤波器SOCVF(Second Order Complex Vector Filter)提取公共耦合点PCC(Point of CommonCoupling)电压的基波分量；
消除步骤，利用锁相环PLL所产生的ud和uq作为电网电压前馈量来消除由于电网电压比例前馈所引入的正反馈支路，其中，ud为电网电压的有功分量，uq为电网电压的无功分量；
补偿步骤，通过基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换方法对多个特定频率谐振调节器MSFRR(Multiple and Specfic Frequency Resonance Regulator)的相位进行补偿，其中，电流控制策略采用电网电流外环和电容电流内环的双闭环控制策略，调节器采用改进型调节器，所使用的改进型调节器的结构为在PI调节器和MSFRR并联构成的调节器之后串联相位补偿器PC(Phase Compensator)，Gc(s)为所述改进型调节器的传递函数。
更进一步地，所述SOCVF前馈的SOCVF传递函数为：
Figure BDA0001868583700000021
其中：k为SOCVF的比例系数，ω0为电网的角频率，j为复系数因子，s为复变量。
更进一步地，所述改进型调节器的传递函数Gc(s)为：
Gc(s)＝G(s)Gpc(s) (2)
G(s)为PI调节器和MSFRR并联的调节器的传递函数，G(s)为：
Figure BDA0001868583700000022
其中：Kp和Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数，Kr为特定频率谐振调节器SFRR的比例系数，ωi为谐振频率的带宽系数；
Gpc(s)为相位补偿器的传递函数，Gpc(s)为：
Figure BDA0001868583700000023
其中：ωc为相位补偿因子，
Figure BDA0001868583700000024
其中：Kpwm为三相半桥逆变器的增益，L1为LCL滤波器逆变器侧电感，L2为LCL滤波器网侧电感，Lg为电网电感。
更进一步地，通过基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换方法对多个特定频率谐振调节器MSFRR的相位进行补偿，包括：计算电网阻抗模值和进行相位补偿因子切换，电网阻抗模值的表达式为：
Figure BDA0001868583700000025
其中：|ud|为PCC点d轴电压的幅值，|Ug|为电网电压的幅值，|idg|为PCC点d轴电流的幅值，|Zg|为电网阻抗的模值；
相位补偿因子切换方法为：设电网阻抗的变化范围为[0,Lmax]，当Lg＝0mH时，代入(5)式可以求得相位补偿因子ωcmax，当Lg＝LmaxmH时，代入(5)式可以求得相位补偿因子ωcmin，电网阻抗模值的切换点设为|Zq|，当|Zg|≥|Zq|，采用ωc＝ωcmin对MSFRR的相位进行补偿，当|Zg|＜|Zq|，采用ωc＝ωcmax对MSFRR的相位进行补偿。
更进一步地，在提取步骤同时该方法还具有：
锁相步骤，通过带有前置SOCVF的锁相环PLL对输出电压uabco进行锁相，用以消除电网背景谐波对锁相环输出相位θ的影响，并提高锁相环输出相位的精度。
本发明的技术效果为：本发明通过设计了专用于弱电网下的并网逆变器控制方法，本发明的方法消除了电网阻抗对逆变器并网控制系统的影响，极大的提升了系统的稳定性，且系统适应性强，该方法在强电网下设计的调节器参数在弱电网下无需改变，简化了调节器参数设计的复杂性，采用SOCVF提取PCC点电压的基波分量，可以保证弱电网情况下系统的基波增益不变，从而实现了较高的功率因数，MSFRR的相位得到了补偿，提升了系统对电网背景谐波的抑制能力，使得逆变器控制系统能够保持较高的剪切频率，相角裕度和增益裕度，系统的快速性和稳定性得到增强。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明的一种弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法的流程图。
图2为弱电网下并网逆变器控制系统结构框图。
图3为电网阻抗变化时采用比例前馈系统开环传递函数的伯德图。
图4为电网阻抗变化时采用SOCVF前馈系统开环传递函数的伯德图。
图5为引入6次，12次和18次SFRR系统开环传递函数伯德图。
图6为ωc＝2661.5rad/s时系统开环传递函数伯德图。
图7为ωc＝6950rad/s时系统开环传递函数伯德图。
图8电网电感切换点范围的估计。
图9为加入谐波后畸变的三相电网电压波形。
图10为加入谐波后畸变的电网电压傅里叶分析。
图11为采用SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法A相并网电压和三相并网电流的波形。
图12为Zg＝6+j2.512时A相并网电流的傅里叶分析。
图13为Zg＝0.5+j0.314时A相并网电流的傅里叶分析。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了本发明的一种弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法，该方法用于提升弱电网条件下并网逆变器的稳定性，同时对电网背景谐波有较强的抑制能力，改善了入网电流的质量。该方法包括：
提取步骤S101，通过锁相环PLL(Phase Locked Loop)前置的二阶复矢量滤波器SOCVF(Second Order Complex Vector Filter)提取公共耦合点PCC(Point of CommonCoupling)电压的基波分量。
消除步骤S102，利用锁相环PLL所产生的ud和uq作为电网电压前馈量来消除由于电网电压比例前馈所引入的正反馈支路，其中，ud为电网电压的有功分量，uq为电网电压的无功分量。
补偿步骤S103，通过基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换方法对多个特定频率谐振调节器MSFRR(Multiple and Specfic Frequency Resonance Regulator)的相位进行补偿，其中，电流控制策略采用电网电流外环和电容电流内环的双闭环控制策略，调节器采用改进型调节器，所使用的改进型调节器的结构为在PI调节器和MSFRR并联构成的调节器之后串联相位补偿器PC(Phase Compensator)，Gc(s)为改进型调节器的传递函数。
为解决现有技术中采用调节器性能欠缺导致逆变器系统稳定性差的问题，本发明中对调节器的结构进行改进，设计了专用于弱电网的改进型调节器，其结构为PI+MSFRR+PC，即在PI和MSFRR并联的调节器之后串联PC，通过基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换控制方法对MSFRR的相位进行补偿，从而提升了弱电网条件下并网逆变器对电网阻抗和背景谐波的适应能力，这是本发明的重要发明点之一。
本发明方法的SOCVF前馈的SOCVF传递函数为：
Figure BDA0001868583700000041
其中：k为SOCVF的比例系数，ω0为电网的角频率，j为复系数因子，s为复变量
在一个实施例中，设计了改进型调节器的传递函数Gc(s)为：
Gc(s)＝G(s)Gpc(s) (2)
G(s)为PI调节器和MSFRR并联的调节器的传递函数，G(s)为：
Figure BDA0001868583700000051
其中：Kp和Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数，Kr为特定频率谐振调节器SFRR的比例系数，ωi为谐振频率的带宽系数；
Gpc(s)为相位补偿器的传递函数，Gpc(s)为：
Figure BDA0001868583700000052
其中：ωc为相位补偿因子，
Figure BDA0001868583700000053
其中：Kpwm为三相半桥逆变器的增益，L1为LCL滤波器的逆变器侧电感，L2为LCL滤波器网侧电感，Lg为电网电感。
在一个实施例中，通过基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换方法对多个特定频率谐振调节器MSFRR的相位进行补偿包括：计算电网阻抗模值和进行相位补偿因子切换，电网阻抗模值的表达式为：
Figure BDA0001868583700000054
其中：|ud|为PCC点d轴电压的幅值，|Ug|为电网电压的幅值，|idg|为PCC点d轴电流的幅值，|Zg|为电网阻抗的模值。
相位补偿因子切换方法为：设电网阻抗的变化范围为[0,Lmax]，当Lg＝0mH时，代入(5)式可以求得相位补偿因子ωcmax，当Lg＝LmaxmH时，代入(5)式可以求得相位补偿因子ωcmin，电网阻抗模值的切换点设为|Zq|，当|Zg|≥|Zq|，采用ωc＝ωcmin对MSFRR的相位进行补偿，当|Zg|＜|Zq|，采用ωc＝ωcmax对MSFRR的相位进行补偿。这是本发明的另一个重要发明点，基于电网阻抗值的大小使用不同的相位补偿因子，从而提高弱电网下并网逆变器的补偿效率及精度，提高逆变器控制系统的稳定性。
为更好的提高逆变器控制系统的稳定性在一个实施例中，在提取步骤S101同时该方法还具有锁相步骤，通过带有前置SOCVF的锁相环PLL对输出电压uabco进行锁相，用以消除电网背景谐波对锁相环输出相位θ的影响，并提高锁相环输出相位的精度。
本发明中的并网逆变器采用LCL滤波器，由于LCL滤波器本身存在固有的谐振峰，为了抑制LCL谐振，通过调节电容电流反馈系数来调节LCL的谐振峰，即采用电容电流内环用来实现LCL有源阻尼控制，整个控制方案采用电网电流外环和电容电流内环的双闭环控制策略。
下面通过一个具体的实施例介绍本发明的优点。
本实施例假设电网电感在[0mH，8mH]之间变化，逆变器输出采用LCL滤波器，滤波器相关变量为L1，L2和C，而Lg和Rg分别为电网电感和电网电阻，uabcg为三相电网电压且含有丰富的背景谐波，uabco为逆变器三相输出电压，iabcg为三相电网电流，iabcc为逆变器三相电容电流。实施过程分为如下几个步骤：
(1)对PCC点三相电压和电流进行采样，将采样得到的PCC点三相电压经过DSOGI-PLL获得PCC点电压的相角θ，同时得到电压有功分量ud和无功分量uq，将采样得到的PCC点电流经过abc/dq坐标变换得到电流的有功分量idg和无功分量iqg；对电容电流进行采样，将采样的结果进行abc/dq坐标变换，变换的结果乘以有缘阻尼系数kc，得到idc和iqc；
(2)将有功电流给定idg*和无功电流给定iqg*分别和步骤(1)中获得的电流反馈量idg和iqg作差得到有功电流误差和无功电流误差，将电流误差信号分别送入改进型调节器Gc(s)；
(3)将Gc(s)的输出分别和步骤(1)中的idc和iqc相减，再与ud和uq相加，得到调制波udr和uqr，将调制波udr和uqr经过dq/abc坐标反变换后作为PWM的输入信号，PWM波控制开关管的通断。
(4)ud和idg通过低通滤波器滤除谐波分量，然后实时计算出电网阻抗模值|Zg|，若|Zg|≥1.25，采用相位补偿因子ωp＝2661.5rad/s对SFRR的相位进行补偿，若|Zg|＜1.25，采用相位补偿因子ωp＝6950rad/s对SFRR的相位进行补偿，
图3为电网阻抗变化时采用比例前馈系统开环传递函数的伯德图，表1为电网阻抗变化时，采用比例前馈系统的性能指标，可以看出随着电网阻抗的变化系统的相角裕度大幅降低，电网阻抗为8mH时，降幅为43.83°，增益裕度也呈下降趋势，这严重威胁系统的稳定性，同时剪切频率也大幅下降，系统的快速性受到影响。
表1
Figure BDA0001868583700000071
图4为电网阻抗变化时采用SOCVF前馈系统开环传递函数的伯德图，表2为电网阻抗变化时，采用SOCVF前馈系统性能指标，可以看出当电网阻抗发生变化时，系统的相角裕度略有下降，增益裕度逐渐增加，系统对电网阻抗的鲁棒性增强，但是由于受电网阻抗的影响，系统的带宽降幅仍较大，低频增益低，抑制电网低次背景谐波的能力较弱。
表2
Figure BDA0001868583700000072
为了抑制电网背景谐波，图5为引入6次，12次和18次SFRR系统开环传递函数伯德图，从图中可以看出受系统带宽的影响，系统的相角裕度为负，系统不稳定，根本原因为对SFRR的相位没有补偿。
图6为采用本发明所提出的改进的调节器，当ωc＝ωcmin＝2661.5时，电网阻抗变化时系统的开环传递函数伯德图，表3为此时系统的性能指标，从图中可以看出引入的SFRR不再受电网阻抗的影响，系统在SFRR处的相位得到了有效的增加，提高了电网阻抗变化时系统对电网背景谐波的适应能力。从表中可以看出系统仍然能够保持较高增益裕度和相角裕度，剪切频率得到较大提升，稳定性和快速性得到增强。但是从图中可以看出当电网阻抗减小到某个值时，系统的剪切频率
Figure BDA0001868583700000073
(fs为开关频率，选为10kHz)，当电网阻抗为0mH时，系统的剪切频率达到4020Hz，一般情况下为增强系统对高频谐波的削弱能力，剪切频率fc的范围应取为
Figure BDA0001868583700000074
表3
Figure BDA0001868583700000075
Figure BDA0001868583700000081
图7为采用本发明所提出的改进的调节器，当ωc＝ωcmin＝6950rad/s时，电网阻抗变化时系统的开环传递函数伯德图，表4为此时系统的性能指标，从图中和表中可以看出，选择ωc＝6950rad/s来对系统的相位进行补偿时，当Lg为0mH～2.4mH时，系统的增益裕度，相角裕度和剪切频率都能满足要求，但当电网阻抗为2.5mH时，系统的增益裕度变为-12.9dB，系统的稳定性受到影响。
表4
Figure BDA0001868583700000082
为了充分发挥前者电网阻抗适应范围大和后者剪切频率适中的优势，提出基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换算法。图8为电网电感切换点范围的估计，由图可知电网电感切换点的可选择的范围为：1.5～2.4mH，本方案选取Lg＝2.4mH,考虑到实际中电网电阻的存在选取Rg＝1Ω，此时电网阻抗的模值为1.25Ω。具体实施方法为：
ud和idg通过低通滤波器滤除谐波分量，然后计算出电网阻抗模值|Zg|，若|Zg|≥1.25，采用相位补偿因子ωc＝2661.5rad/s对SFRR的相位进行补偿，若|Zg|<1.25，采用相位补偿因子ωc＝6950rad/s对SFRR的相位进行补偿，电网阻抗模值的表达式为：
Figure BDA0001868583700000083
从表3和表4可以看出通过采用基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换算法，当电网阻抗在0mH～8mH之间变化时，系统的相角裕度PM≥32.3°，增益裕度GM在87.2～92.4dB之间，系统的剪切频率范围为918～1960Hz，系统的稳定性和快速性得到了增强。
为了模拟严重的电网背景谐波，在仿真中加入的电网电压谐波含量如表5所示，图9为加入谐波后畸变的三相电网电压波形，图10为加入谐波后畸变的电网电压傅里叶分析，此时电网电压的THD为12.97％。
表5
Figure BDA0001868583700000091
图11为采用SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法电网阻抗从Zg＝6+j2.512切换到Zg＝0.5+j0.314时A相并网电压和三相并网电流的波形，为了更加清晰看出仿真中电流的波形，图中电流波形与实际仿真波形相比扩大了5倍，图12为Zg＝6+j2.512时，并网电流的傅里叶分析，图13为Zg＝0.5+j0.314时，并网电流的傅里叶分析。当电网阻抗为Zg＝6+j2.512时，此时并网电流的THD为0.65％，在0.3s时电网阻抗切换到Zg＝0.5+j0.314，0.07s后系统达到稳态，并网电流的畸变率为0.73％，远远小于入网电流的标准。采用本发明所提出的控制方法，很好的解决了弱电网条件下的两个问题，一方面提升了并网逆变器系统的稳定性，另一方面抑制了电网背景谐波，改善了入网电流的质量。
最后应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述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：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法，其特征在于：该方法包括：
提取步骤，通过锁相环PLL前置的二阶复矢量滤波器SOCVF提取公共耦合点PCC电压的基波分量；
消除步骤，利用锁相环PLL所产生的ud和uq作为电网电压前馈量来消除由于电网电压比例前馈所引入的正反馈支路；其中，ud为电网电压的有功分量，uq为电网电压的无功分量；
补偿步骤，通过基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换方法对多个特定频率谐振调节器MSFRR的相位进行补偿，其中，电流控制策略采用电网电流外环和电容电流内环的双闭环控制策略，调节器采用改进型调节器，所使用的改进型调节器的结构为在PI调节器和MSFRR并联构成的调节器之后串联相位补偿器PC，Gc(s)为所述改进型调节器的传递函数；
所述改进型调节器的传递函数Gc(s)为：
Gc(s)＝G(s)Gpc(s) (2)
G(s)为PI调节器和MSFRR并联的调节器的传递函数，G(s)为：
Figure FDA0002358471310000011
其中：Kp和Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数，Kr为特定频率谐振调节器SFRR的比例系数，ωi为谐振频率的带宽系数；
Gpc(s)为相位补偿器的传递函数，Gpc(s)为：
Figure FDA0002358471310000012
其中：ωc为相位补偿因子，
Figure FDA0002358471310000013
其中：Kpwm为三相半桥逆变器的增益，L1为LCL滤波器逆变器侧电感，L2为LCL滤波器网侧电感，Lg为电网电感；
通过基于电网阻抗模值判断的相位补偿因子切换方法对多个特定频率谐振调节器MSFRR的相位进行补偿，包括：计算电网阻抗模值和进行相位补偿因子切换；
电网阻抗模值的表达式为：
Figure FDA0002358471310000014
其中：|ud|为PCC点d轴电压的幅值，|Ug|为电网电压的幅值，|idg|为PCC点d轴电流的幅值，|Zg|为电网阻抗的模值；
相位补偿因子切换方法为：设电网阻抗的变化范围为[0,Lmax]，当Lg＝0mH时，代入(5)式可以求得相位补偿因子ωcmax，当Lg＝LmaxmH时，代入(5)式可以求得相位补偿因子ωcmin，电网阻抗模值的切换点设为|Zq|，当|Zg|≥|Zq|，采用ωc＝ωcmin对MSFRR的相位进行补偿，当|Zg|＜|Zq|，采用ωc＝ωcmax对MSFRR的相位进行补偿。
2.根据权利要求1所述的弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法，其特征在于：SOCVF前馈的SOCVF传递函数为：
Figure FDA0002358471310000021
其中：k为SOCVF的比例系数，ω0为电网的角频率，j为复系数因子,s为复变量。
3.根据权利要求1所述的弱电网下并网逆变器的SOCVF前馈和相位补偿因子切换控制方法，其特征在于：在提取步骤的同时该方法还具有：
锁相步骤，通过带有前置SOCVF的锁相环PLL对输出电压uabco进行锁相，用以消除电网背景谐波对锁相环输出相位θ的影响，并提高锁相环输出相位的精度。
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