CN109327048A - 一种并网变流器鲁棒锁相系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种并网变流器鲁棒锁相系统，包括电流前馈模块、第一减法器、第二减法器、相位补偿模块和锁相环模块。本发明还公开一种并网变流器鲁棒锁相方法，步骤是：步骤1，从电网电压采样信号中减去电网电流经过一阶微分环节的输出信号，得到电压校正信号；步骤2，基波频率电网电流幅值基准信号经过相位补偿环节产生相位补偿角信号，期望的功率因数角信号同所述相位补偿角信号做差产生功率因数角校正信号；将电压校正信号、功率因数角校正信号以及基波频率电网电流幅值基准信号送入锁相环模块，产生与电网电压同步的输出信号。此种技术方案具有对大范围变化电网阻抗的强适应性、电网电流质量优良、结构简单、设计方便的优点。

Description

一种并网变流器鲁棒锁相系统及方法

技术领域

本发明属于并网变流器(包括逆变器、整流器、无功补偿器等)的电流控制领域，特别涉及一种强鲁棒性的并网变流器锁相即电网电压同步方法。

背景技术

随着新能源分布式并网发电的蓬勃发展，并网变流器作为其关键部分获得了广泛的关注。而采用脉宽调制技术的变流器产生大量的开关频率次谐波。在变流器与电网之间接入滤波器可以有效地抑制谐波。常用的滤波器包括L以及LCL滤波器。为实现较高的并网功率因数以及较低的网侧电流谐波失真，已有学者提出了大量的并网变流器控制方法。但是，现有的较为成熟的控制方法包括比例谐振控制、谐波谐振控制、有源阻尼控制、电网电压前馈补偿等均仅考虑了理想电网。实际电网(确切地说，公共耦合点(point of commoncoupling，PCC))存在的不确定性因素会恶化系统性能，甚至导致不稳定。一方面，PCC处电网电压中存在丰富的低频谐波成分；另一方面，考虑到较长的输配电线路、较多的隔离变压器、大量的分布式发电设备挂接于PCC等因素，PPC处电网存在一定的阻抗且在较低频率范围一般呈现感性。

在弱电网下，由电网阻抗导致的系统带宽降低、等效滤波器谐振频率降低等可能导致谐波谐振控制以及有源阻尼控制失效。此外，电网电压(确切地说，PCC电压)前馈补偿会导致电网电流出现更为严重的谐波失真甚至出现不稳定而触发并网变流器保护。为解决上述系统不稳定现象，有学者提出了一些改进的谐波谐振控制、带延迟补偿的有源阻尼控制、基于电网阻抗离线测量的陷波滤波器有源阻尼以及基于电网阻抗在线测量的电压前馈补偿等。但是，若电网阻抗进一步增大，变流器系统可能发生更低频率附近(接近100Hz甚至下探到基波频率附近)的谐波放大甚至谐振。而在该频率附近，并网变流器控制系统中的锁相环节的影响较为显著，不恰当的锁相环节是造成变流器发生低频振荡的原因之一。然而，目前为止仍鲜有见到具有弱电网下强鲁棒性的并网变流器锁相方法。

因此，在并网变流器电流控制领域，为解决电网阻抗大范围变化下系统稳定性较差的问题，需要研究一种兼顾稳定性与电流质量、结构简单且实现方便的并网变流器锁相即电网电压同步方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种并网变流器鲁棒锁相系统及方法，其具有对大范围变化电网阻抗的强适应性、电网电流质量优良、结构简单、设计方便的优点，适用于单相并网逆变器、整流器、无功补偿器等并网变流设备中的电网电压同步控制及电网电流控制。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种并网变流器鲁棒锁相系统，包括电流前馈模块、第一减法器、第二减法器、相位补偿模块和锁相环模块，其中，电流前馈模块的输入端用于连接电网电流采样信号i_{g_sample}，而电流前馈模块的输出端连接第一减法器的负输入端，第一减法器的正输入端连接电网电压采样信号u_{g_sample}，第一减法器将二者相减，输出电压校正信号u_{g_PLL}；相位补偿模块的输入端连接基波频率电网电流幅值基准信号I_ref，而相位补偿模块的输出信号接入第二减法器的负输入端，而第二减法器的正输入端连接期望的功率因数角信号第二减法器的输出端连接锁相环模块的第一个输入端，锁相环模块的第二个输入端连接基波频率电网电流幅值基准信号I_ref，锁相环模块的第三个输入端连接电压校正信号u_{g_PLL}，锁相环模块输出与电网电压同步的输出信号i_ref，即基波频率进网电流瞬时基准信号。

上述电流前馈模块为一阶微分环节，且其微分系数大小为一不小于最大感性电网阻抗大小的数。

上述相位补偿模块的表达式为：其中，k_ff为所述一阶微分环节的微分系数，U_gm为电网电压采样信号u_{g_sample}的电网电压幅值。

一种并网变流器鲁棒锁相方法，包括如下步骤：

步骤1，采样公共耦合点电网电压u_g及电网电流i_g，得到电网电压采样信号u_{g_sample}和电网电流采样信号i_{g_sample}，从电网电压采样信号中减去电网电流经过一阶微分环节的输出信号，得到电压校正信号u_{g_PLL}；

步骤2，基波频率电网电流幅值基准信号I_ref经过相位补偿环节产生相位补偿角信号进而，期望的功率因数角信号同所述相位补偿角信号做差产生功率因数角校正信号最后，将电压校正信号u_{g_PLL}、功率因数角校正信号以及基波频率电网电流幅值基准信号I_ref送入锁相环模块，产生与电网电压同步的输出信号i_ref，即基波频率进网电流瞬时基准信号。

上述步骤2中，相位补偿环节的表达式为：其中，k_ff为所述一阶微分环节的微分系数，U_gm为电网电压采样信号u_{g_sample}的电网电压幅值。

采用上述方案后，本发明具有以下特点：

1)电网阻抗大范围变化时并网变流器较强的稳定性；

2)电网阻抗大范围变化时并网变流器与电网电压实现准确的相位同步；

3)电网阻抗大范围变化及电网失真时并网变流器优良的电网电流质量；

4)结构简单、设计方便，不需要在线或离线的电网阻抗测量；

5)适用于单相L、LCL滤波及其它型式滤波的并网变流器系统。

附图说明

图1是本发明的并网变流器鲁棒锁相系统结构图；

其中：u_{g_sample}为公共耦合点电网电压采样信号；i_{g_sample}为电网电流采样信号；u_{g_PLL}为电压校正信号；I_ref为基波频率电网电流幅值基准；为相位补偿角；为期望的功率因数角；为功率因数角校正信号；i_ref为与电网电压同步的输出信号，即基波频率进网电流瞬时基准信号；

图2是本发明所应用的单相LCL滤波并网逆变器电路结构图；

其中：L₁为变流器侧电感；C₁为滤波电容；L₂为网侧电感；U_dc为直流母线电压；u_inv为并网变流器桥臂输出电压；i_g为网侧电流；i_C1为电容电流；u_g为公共耦合点(PCC)电压；u_s为理想的电网电压；Z_g为电网阻抗；

图3是电网电流与电容电流双电流反馈控制框图；

其中：L₁为变流器侧电感；C₁为滤波电容；L₂为网侧电感；u_inv为并网变流器桥臂输出电压；i_g为网侧电流；i_C1为电容电流；u_g为PCC电压；u_s为理想的电网电压；Z_g为电网阻抗；u_m为调制波；k_PWM表示变流器桥臂环节增益；G_f(s)为电压前馈补偿环节；G_c(s)为电流调节器；k_AD为电容电流比例反馈系数；i_ref为基波频率进网电流瞬时基准信号；

图4是一种典型锁相环即基于四分之一周期延迟的锁相环的结构；

其中：u_g为PCC电压；u_α和u_β分别为α轴和β轴分量；u_d和u_q分别为d轴和q轴分量；k_{p_PLL}以及k_{i_PLL}为PI调节器的比例及积分系数；s为复频域中的复频率变量；ω为角频率信号；θ为相位角信号；为功率因数角；cos代表余弦函数；I_ref为基波频率电网电流幅值基准；i_ref为基波频率进网电流瞬时基准信号；

图5是图4典型锁相环下并网变流器输出阻抗以及电网阻抗特性曲线；

图6是采用图1的本发明锁相方法下并网变流器输出阻抗以及电网阻抗特性曲线；

图7是电网阻抗为10mH时典型锁相环下并网变流器公共耦合点电压u_g及电网电流i_g测试波形；

图8是电网阻抗为10mH时本发明锁相方法下并网变流器公共耦合点电压u_g及电网电流i_g测试波形。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种并网变流器鲁棒锁相系统，适用于单相并网逆变器、整流器、无功补偿器等并网变流设备中的电网电压同步控制及电网电流控制；所述系统包括电流前馈模块、第一减法器、第二减法器、相位补偿模块和锁相环模块，其中，电流前馈模块的输入端用于连接电网电流采样信号i_{g_sample}，而电流前馈模块的输出端连接第一减法器的负输入端，第一减法器的正输入端连接电网电压采样信号u_{g_sample}，第一减法器将二者相减，输出电压校正信号u_{g_PLL}；相位补偿模块的输入端连接基波频率电网电流幅值基准信号I_ref，而相位补偿模块的输出信号接入第二减法器的负输入端，而第二减法器的正输入端连接期望的功率因数角信号第二减法器的输出端连接锁相环模块的第一个输入端，锁相环模块的第二个输入端连接基波频率电网电流幅值基准信号I_ref，锁相环模块的第三个输入端连接电压校正信号u_{g_PLL}，锁相环模块输出与电网电压同步的输出信号i_ref，即基波频率进网电流瞬时基准信号。

其中，所述电流前馈模块为一阶微分环节，且其微分系数大小为一不小于最大感性电网阻抗大小的数值；所述相位补偿模块随I_ref的变化而实时调整相位补偿角信号

对单位功率因数运行的并网逆变器来说，期望的功率因数角信号为0且所述相位补偿模块的表达式为：式中，k_ff为所述一阶微分环节的微分系数，U_gm为电网电压采样信号u_{g_sample}的电网电压幅值。

本发明还提供一种并网变流器鲁棒锁相方法，包括如下步骤：

步骤1，采样公共耦合点电网电压u_g及电网电流i_g，将采样值进行调理后再经AD转换得到电网电压采样信号u_{g_sample}和电网电流采样信号i_{g_sample}，从电网电压采样信号中减去电网电流经过一阶微分环节的输出信号，得到电压校正信号u_{g_}PLL；

步骤2，基波频率电网电流幅值基准信号I_ref经过相位补偿环节产生相位补偿角信号进而，期望的功率因数角信号同所述相位补偿角信号做差产生功率因数角校正信号最后，将电压校正信号u_{g_PLL}、功率因数角校正信号以及基波频率电网电流幅值基准信号I_ref送入锁相环模块，产生与电网电压同步的输出信号i_ref，即基波频率进网电流瞬时基准信号。

以一单相LCL滤波并网变流器系统为例，以下给出具体的实例说明。

图2所示的单相LCL滤波并网逆变器，由桥式逆变拓扑、逆变器侧电感L₁、滤波电容C₁和网侧电感L₂组成。实例中，U_dc为400V，u_s为220V/50Hz，即无电网阻抗时U_gm额定为311V，额定功率5kW，电感L₁为0.75mH，L₂为0.45mH，滤波电容C₁为6.8μF，开关频率15kHz。实例中，Z_g为感性，即：

Z_g＝r_g+L_gs (1)

式中，r_g为电网阻抗中的阻性分量，L_g为电网阻抗中的感性分量；s为复频域中的复频率变量。

图3为实例并网变流器系统所采用的电网电流与电容电流双电流反馈控制的框图。输入信号i_ref为基波频率电网电流瞬时值基准，由并网变流器锁相环产生，进而，通过该电流控制实现电网电流i_g精确跟踪基准i_ref。

图4为基于四分之一周期延迟的锁相环(记为典型锁相环)结构，在典型锁相环结构中，PCC电压u_g为输入信号，功率因数角以及基波频率电网电流幅值基准I_ref也为输入信号(一般也为电压外环或者功率外环的输出信号)。典型锁相环结构中的输出信号i_ref作为图3所示电流控制的基准电流输入信号i_ref。

以下基于并网变流器输出阻抗模型，应用级联系统稳定判据，通过变流器输出阻抗同电网阻抗的幅值及相位关系来分析并网变流器在弱电网下的稳定性。采用图3及图4控制下的并网变流器的输出阻抗表达式为：

式中，k_PWM表示变流器桥臂环节增益，为便于后文表述，将其归一化处理，即|k_PWM|＝1)；G_f(s)为电压前馈补偿环节(实例中取为0.6)；G_c(s)为电流调节器(实例中采用基波加3、5、7次谐波谐振控制)；k_AD为电容电流比例反馈系数(实例中取为13)；G_PLL(s)为锁相环增益，即图4中电网电压u_g至电网电流瞬时值基准信号i_ref的传递函数，如下所示：

式中，j代表虚数，且j²＝-1；e为自然常数；s为复频域中的复频率变量；ω₀为基波角频率，为100πrad/s；为期望的功率因数角(实例中为实现单位功率因数，取为0)；k_{p_PLL}以及k_{i_PLL}为图4锁相环PI调节器的比例及积分系数(实例中分别取为3和2000)；U_gm为电网电压幅值。

图5给出了典型锁相环下并网变流器输出阻抗以及电网阻抗特性曲线。可以看出，在电网阻抗中的感性成分相对较小即L_g为1.5mH和3mH时，在变流器输出阻抗幅值曲线同电网阻抗幅值曲线的交叉点处，并网变流器输出阻抗的相位高于-45°，也就是说电网阻抗同变流器输出阻抗在交叉点处的相位差小于135°，具有较好的相位裕度，因而在L_g为1.5mH和3mH时并网变流器均良好工作。但是，在L_g增大为6mH时，在变流器输出阻抗幅值曲线同电网阻抗幅值曲线的交叉点频率向低频移动，且交叉点处的相位差明显高于135°，导致相位裕度大幅降低，进而会导致电网电流中交叉点频率附近的低频谐波呈现明显的增大，容易触发并网变流器过流过压保护。而且，更为严重的是，随着电网阻抗增大到10mH，变流器输出阻抗幅值曲线同电网阻抗幅值曲线的交叉点处的电网阻抗同变流器输出阻抗大于180°，相位裕度最终小于0而使系统不稳定。该典型锁相环下并网变流器难以在电网阻抗宽范围变化时保证系统稳定以及优良电网电流质量。因而，有必要研究一种适用于电网阻抗大范围变化的弱电网场合的、性能优良且实现方便的锁相方法。

本发明方法中，采样公共耦合点电网电压u_g及电网电流i_g，得到电网电压采样信号u_{g_sample}和电网电流采样信号u_{g_sample}，从电网电压采样信号中减去电网电流经过一阶微分环节的输出信号，得到电压校正信号u_{g_PLL}；基波频率电网电流幅值基准I_ref经过相位补偿环节产生相位补偿角信号进而，期望的功率因数角信号同该相位补偿角信号做差产生功率因数角校正信号最后，将电压校正信号u_{g_PLL}、功率因数角校正信号以及基波频率电网电流幅值基准信号I_ref送入锁相环模块，产生与电网电压同步的输出信号i_ref，即基波频率进网电流瞬时基准信号。简而言之，本发明方法通过对锁相环输入信号的合理校正而实现了系统性能的改进，具体为，用图1中的电压校正信号u_{g_PLL}以及功率因数角校正信号替换图4中的电压信号u_g以及功率因数角信号

采用本发明方法后，并网变流器的输出阻抗表达式变为：

式中，k_ff为电流前馈环节(实例为一阶微分环节k_ff·s)的微分系数(实例中取其为不小于最大感性电网阻抗的数值，取为0.01)；I_ref为图1中的基波频率电网电流幅值；G_PLL(s)为式(3)所示的锁相环增益且其中的为功率因数角校正信号，即其它参数定义同式(2)。相位补偿角信号按下式选取：

图6给出了采用本发明锁相方法下并网变流器输出阻抗以及电网阻抗特性曲线。电网阻抗中的感性成分为1.5mH、3mH、6mH、10mH时，在变流器输出阻抗幅值曲线同电网阻抗幅值曲线的交叉点处，并网变流器输出阻抗的相位均维持-45°，也就是说电网阻抗同变流器输出阻抗在交叉点处的相位差维持在135°，具有较好的相位裕度。同典型锁相下并网变流器输出阻抗相比可知，本发明方法提高了电网阻抗宽范围变化时并网变流器的鲁棒性。

图7和图8分别为电网阻抗为10mH时的典型锁相环下以及本发明锁相方法下的并网变流器公共耦合点电压u_g及电网电流i_g测试波形。需要说明的是，测试时在电网电压u_s中人为注入了含量均为1％的3、5、7次电压谐波。可以发现典型锁相环下并网变流器出现严重谐振，而本发明锁相方法下并网变流器仍稳定运行且可输出高质量的电网电流。

因此，本发明的并网变流器鲁棒锁相方法有效地提高了并网逆变器在电网阻抗大范围变化时的稳定性，有效地提高了并网变流器电网电流质量。而且，本发明方法结构简单、设计方便、无额外在线或离线的电网阻抗测量。

L滤波、LCL滤波以及其它形式滤波的并网逆变器的区别为滤波器结构不同，而锁相环所用输入信号以及锁相环输出信号注入电流控制环路的位置均一致，而本发明方法可以有效提高并网逆变器的稳定性以及电网电流质量，因而可以广泛应用于不同滤波器结构下的并网逆变器电流控制。

由于无功补偿、有源滤波、整流等其它并网型变流器同并网逆变逆变器的控制结构具有相似性，本发明方法也可广泛应用于各种并网系统的电流控制且不需要附加额外在线或离线的电网阻抗测量。

综上，本发明方法适用于并网逆变器、整流器、无功补偿器等并网变流设备中的电网电压同步控制及电网电流控制，具有对大范围变化电网阻抗的强适应性、电网电流质量优良、结构简单、设计方便的优点。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种并网变流器鲁棒锁相系统，其特征在于：包括电流前馈模块、第一减法器、第二减法器、相位补偿模块和锁相环模块，其中，电流前馈模块的输入端用于连接电网电流采样信号i_{g_sample}，而电流前馈模块的输出端连接第一减法器的负输入端，第一减法器的正输入端连接电网电压采样信号u_{g_sample}，第一减法器将二者相减，输出电压校正信号u_{g_PLL}；相位补偿模块的输入端连接基波频率电网电流幅值基准信号I_ref，而相位补偿模块的输出信号接入第二减法器的负输入端，而第二减法器的正输入端连接期望的功率因数角信号第二减法器的输出端连接锁相环模块的第一个输入端，锁相环模块的第二个输入端连接基波频率电网电流幅值基准信号I_ref，锁相环模块的第三个输入端连接电压校正信号u_{g_PLL}，锁相环模块输出与电网电压同步的输出信号i_ref，即基波频率进网电流瞬时基准信号。

2.如权利要求1所述的一种并网变流器鲁棒锁相系统，其特征在于：所述电流前馈模块为一阶微分环节，且其微分系数大小为一不小于最大感性电网阻抗大小的数。

3.如权利要求1所述的一种并网变流器鲁棒锁相系统，其特征在于：所述相位补偿模块的表达式为：其中，k_ff为所述一阶微分环节的微分系数，U_gm为电网电压采样信号u_{g_sample}的电网电压幅值。

4.一种并网变流器鲁棒锁相方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，采样公共耦合点电网电压u_g及电网电流i_g，得到电网电压采样信号u_{g_sample}和电网电流采样信号i_{g_sample}，从电网电压采样信号中减去电网电流经过一阶微分环节的输出信号，得到电压校正信号u_{g_PLL}；

步骤2，基波频率电网电流幅值基准信号I_ref经过相位补偿环节产生相位补偿角信号进而，期望的功率因数角信号同所述相位补偿角信号做差产生功率因数角校正信号最后，将电压校正信号u_{g_PLL}、功率因数角校正信号以及基波频率电网电流幅值基准信号I_ref送入锁相环模块，产生与电网电压同步的输出信号i_ref，即基波频率进网电流瞬时基准信号。

5.如权利要求4所述的一种并网变流器鲁棒锁相方法，其特征在于：所述步骤2中，相位补偿环节的表达式为：其中，k_ff为所述一阶微分环节的微分系数，U_gm为电网电压采样信号u_{g_sample}的电网电压幅值。