CN109524992A - 弱电网下并网变流器自适应控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种弱电网下并网变流器自适应控制方法及控制系统,步骤是:在并网变流器控制结构中加入自适应控制模块,该自适应控制模块的输入信号为公共耦合点(PCC)电压以及电网电流,通过自适应算法得到电网电压估测信号,将该电网电压估测信号而不是PCC电压采样信号分别送入前馈补偿以及锁相环模块,并最终经过电流控制以及载波交截模块等产生并网变流器占空比。该自适控制方法结构简单且实现方便,基于该发明方法的并网变流器具有电网阻抗宽范围变化下优秀的电网电流质量以及系统稳定性,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。
Description
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,特别涉及一种适应弱电网场合的并网变流器电流控制方法。
背景技术
新能源分布式并网发电系统中,如何提高并网变流器输出电流即电网电流质量获得了广泛的关注于讨论。首先,采用脉宽调制技术的并网变流器会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开关频率谐波,目前常用的滤波器包括LCL滤波器以及LCL中附加谐波陷阱的高阶滤波器。其次,为实现期望的并网功率因数以及较低的电网电流谐波失真,有文献提出了大量的并网变流器控制方法,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、电压前馈补偿等。
上述控制方法在理想电网情况下可实现优秀的电网电流质量。然而,实际电网(确切地说,公共耦合点,PCC)存在较多不确定性因素。一方面,PCC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,PCC处电网实际可能为弱电网,存在较大的电网阻抗。在弱电网下,电网阻抗会影响电流控制的有效性。一些文献探讨了电网阻抗对并网逆变器电流控制的影响,表明较大的电网感性阻抗会导致滤波器自然谐振频率减小,进而限制了系统带宽,导致较多的低频谐波电流甚至使系统不稳定。此外,弱电网下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。虽然已有的并网变流器优化控制方法可以实现电网阻抗在一定范围变化下的系统鲁棒性,但已有方法普遍存在适应电网阻抗范围窄、控制与设计复杂等问题,实际应用受限。若电网阻抗进一步增大,并网变流器可能发生更低频率(接近100Hz)附近的谐波放大甚至谐振。如何保证电网阻抗宽范围变化场合下并网变流器优良的稳态、动态响应以及较好的稳定性仍是需要研究的重要问题。
因此,在并网变流器电流控制领域,需要研究一种可自动适应电网阻抗宽范围变化的、结构简单且实现方便的并网变流器控制方法,以提高弱电网下系统稳定性以及电网电流质量。
发明内容
本发明的目的,在于提供一种并网变流器控制方法,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流控制。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:在并网变流器控制结构中加入自适应控制模块,该自适应控制模块的输入信号为公共耦合点PCC电压以及电网电流采样信号,PCC电压以及电网电流采样信号经由电网阻抗估测产生电网阻抗估计值,该电网阻抗估计值与电网电流采样值相乘产生输出信号1,PCC电压采样信号同输出信号1相减产生电网电压估测信号,将该电网电压估测信号分别送入前馈补偿以及锁相环模块,并最终经过电流控制以及载波交截等模块产生并网变流器占空比。
采用本发明的并网变流器系统具有以下特点:
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及电网失真时并网变流器优秀的电网电流质量;
3)高电网阻抗下并网变流器优良的动态响应特性;
4)结构简单、实现方便,适用于单相及三相并网变流器系统;
5)模块化结构,易于对现有的并网变流器进行升级改造。
附图说明
图1是本发明并网变流器自适应控制方法的结构图,其中:ug为公共耦合点(PCC)电压;ig为电网电流;ug0为理想电网电压;Zg为电网阻抗;Iref为电网电流幅值基准;iref为电网电流瞬时基准;Zg_estimate为电网阻抗估测值;ug1为电网电压估测信号;um为并网变流器调制波;uinv为并网变流器桥臂输出电压;LCL以及LLCL代表两种常用的高阶滤波器的简称;
图2是典型的并网变流器控制方法的结构图,其中:ug为公共耦合点(PCC)电压;ig为电网电流;ug0为理想电网电压;Zg为电网阻抗;Iref为电网电流幅值基准;iref为电网电流瞬时基准;um为并网变流器调制波;uinv为并网变流器桥臂输出电压;LCL以及LLCL代表两种常用的高阶滤波器的简称;
图3是本发明所应用的一种单相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;Udc为直流母线电压;uinv为并网变流器桥臂输出电压;ig为网侧电流;iC1为电容电流;ug为公共耦合点(PCC)电压;ug0为理想电网电压;Zg为电网阻抗;
图4是一种的应用于单相LCL滤波并网逆变器的典型控制结构框图,其中:L1为变流器侧电感;C1为滤波电容;L2为网侧电感;uinv为并网变流器桥臂输出电压;ig为网侧电流;iC1为电容电流;ug为PCC电压;ug0为理想电网电压;Zg为电网阻抗;um为并网变流器调制波;kPWM表示变流器桥臂环节增益;Gf(s)为电压前馈补偿环节;Gc(s)为电流调节器;kAD为电容电流比例反馈系数;iref为基波频率电网电流瞬时基准信号;GPLL(s)代表锁相环的传递函数;
图5是图4的典型控制下并网变流器输出阻抗以及电网阻抗特性曲线,其中:Zout_1为典型控制下并网变流器输出阻抗;Lg代表电网阻抗中的感性分量;
图6是采用图1的本发明自适控制方法下的并网变流器输出阻抗以及电网阻抗特性曲线,其中:Zout_2为本发明自适应控制下的并网变流器输出阻抗;Lg代表电网阻抗中的感性分量;
图7为电网阻抗为15mH时并网变流器公共耦合点(PCC)电压ug及电网电流ig测试波形,其中:t1表示使能本发明的自适应控制的时刻;
图8为电网阻抗为15mH时本发明自适应控制下并网变流器PCC电压ug及电网电流ig稳态测试波形;
图9为电网阻抗为15mH时本发明自适应控制下的并网变流器PCC电压ug及电网电流ig瞬态测试波形。
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。
本发明提供一种并网变流器自适应控制方法,如图1所示,其适用于并网逆变器、整流器、无功补偿器等并网变流设备中的电网电流控制。所述方法在实施时,在典型的并网变流器控制结构(如图2所示)中加入自适应控制模块,该自适应控制模块的输入信号为公共耦合点PCC电压以及电网电流采样信号,PCC电压以及电网电流采样信号经由电网阻抗估测产生电网阻抗估计值,该电网阻抗估计值与电网电流采样值相乘产生输出信号1,PCC电压采样信号同输出信号1相减产生电网电压估测信号,将该电网电压估测信号替换PCC电压信号ug而分别送入前馈补偿以及锁相环模块,并最终经过电流控制以及载波交截等模块产生并网变流器占空比。
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3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,Udc为400V,ug0为220V/50Hz,即无电网阻抗时电网电压幅值Ugm为311V,额定功率5kW,L1为1mH,L2为1mH,C1为10μF,开关频率15kHz。实例中,Zg为感性,即:
Zg=rg+Lgs (1)
式中,rg为电网阻抗中的阻性分量,Lg为电网阻抗中的感性分量;s为复频域中的复频率变量。
图4为实例单相LCL滤波并网变流器系统所采用的典型控制框图。kPWM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|kPWM|=1;Gf(s)为电压前馈补偿环节(实例中取1/|kPWM|);Gc(s)为电流调节器(实例中采用比例谐振控制器即PR控制器);kAD为电容电流比例反馈系数(实例中为10);实例中所采用的锁相环为基于四分之一周期延迟的锁相环,该锁相环下输入信号至输出信号的传递函数,即GPLL(s)可表示为:
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);kp_PLL以及ki_PLL为锁相环的PI调节器的比例及积分系数(实例中分别取为6和2000)。
以下应用级联系统稳定判据,即电网阻抗与变流器输出阻抗之比应满足对数频率稳定判据(或奈奎斯特稳定判据),来分析采用典型并网变流器控制的系统在电网阻抗作用下的稳定性。
采用图4控制的并网变流器的输出阻抗表达式为:
图5给出了典型控制下并网变流器输出阻抗以及电网阻抗特性曲线,图中电网阻抗的阻性成分rg始终为0.5Ω,Iref取为额定值。可以看出,电网阻抗在高于100Hz时的相位基本上维持在90°。在电网阻抗中的感性成分相对较小即Lg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处,并网变流器输出阻抗的相位为-85°(高于-90°),也就是说电网阻抗同变流器输出阻抗在幅值交叉点处的相位差小于180°,由对数频率稳定判据可知系统稳定,但系统相位裕度仅约为5°,意味着系统中可能产生大量的谐波。在Lg增大为10mH甚至15mH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,交叉点频率处的输出阻抗相位明显低于-90°(即交叉点处的电网阻抗同变流器输出阻抗的相位差明显大于180°),相位裕度最终小于0而使系统不稳定。该典型控制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并网变流器控制方法。
本发明方法中在并网变流器控制结构中加入自适应控制模块,该自适应控制模块的输入信号为PCC电压以及电网电流采样信号,PCC电压以及电网电流采样信号经由电网阻抗估测产生电网阻抗估计值,该电网阻抗估计值与电网电流采样值相乘产生输出信号1,PCC电压采样信号同输出信号1相减产生电网电压估测信号,将该电网电压估测信号分别送入前馈补偿以及锁相环模块,并最终经过电流控制以及载波交截等模块产生并网变流器占空比。简而言之,将图1中所示的自适应控制模块加入到图4中,并用电网电压估测信号ug1替换图4中的PCC电压信号ug而分别送入前馈补偿以及锁相环模块。
采用本发明方法后,并网变流器的输出阻抗表达式变为:
图6给出了在电网阻抗为15mH时本发明自适控制下并网变流器输出阻抗以及电网阻抗特性曲线。若此时电网阻抗估测值(Zg_estimate)精确即在图6中的情况1下,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明显高于-90°,电网阻抗同变流器输出阻抗在交叉点处的相位差远低于180°,具有较好的相位裕度。若此时电网阻抗估测值存在较大误差即在图6中的情况2下,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二者相位差仍远低于180°,相位裕度较好。无论如何,同典型控制下并网变流器输出阻抗相比可知,本发明方法提高了并网变流器在弱电网下的鲁棒性。
图7为电网阻抗为15mH时并网变流器PCC电压ug及电网电流ig仿真测试波形。在图中t1时刻前并网变流器采用的是图4的典型控制方法,t1时刻之后将自适应控制模块加入到并网变流器控制中并将估测的电网电压信号送入前馈补偿以及锁相模块,即t1时刻开始采用本发明的自适应控制方法。可以发现典型控制下并网变流器出现严重谐振,而采用本发明方法后并网变流器的电流及电压的谐振现象迅速消失,系统稳定运行。
图8为电网阻抗为15mH时本发明自适应控制下的并网变流器PCC电压ug及电网电流ig稳态测试波形。需要说明的是,测试时在电网电压ug0中人为注入了含量均为3%的3、5、7次电压谐波。可以发现,即使在电网电压存在较大谐波时并网变流器仍可输出高质量的电网电流。
图9为电网阻抗为15mH时本发明自适应控制下的并网变流器PCC电压ug及电网电流ig瞬态测试波形。在电流基准幅值突变时,电网电流可以较为迅速地达到稳态,瞬态过程中无振荡现象。
因此,本发明的并网变流器自适应控制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,有效地提高了并网逆变器电网电流质量,实现了高电网阻抗下优良的动态响应特性。而且,本发明方法实为模块化结构,易于加入现有的并网逆变器控制中,实现对现有并网逆变器的升级改造。
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,不影响前馈补偿以及锁相环模块,因而本发明方法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。
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,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、结构模块化、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 (4)
1.一种弱电网下并网变流器自适应控制系统,其特征在于,所述控制系统在并网变流器控制结构中加入自适应控制模块,该自适应控制模块的输入信号为公共耦合点PCC电压以及电网电流采样信号,经运算生成电网电压估测信号,将该电网电压估测信号分别送入前馈补偿以及锁相环模块,并最终经过电流控制以及载波交截模块等产生并网变流器占空比。
2.根据权利要求1所述的一种弱电网下并网变流器自适应控制系统,其特征在于,将所述弱电网下并网变流器自适应控制系统应用于单相LCL滤波并网变流器系统中,所述单相LCL滤波并网逆变器系统包括桥式逆变拓扑、逆变器侧电感L1、滤波电容C1和网侧电感L2。
3.一种弱电网下并网变流器自适应控制方法,其特征在于,所述控制方法的步骤是:在并网变流器控制结构中加入自适应控制模块,该自适应控制模块的输入信号为公共耦合点(PCC)电压以及电网电流采样信号,PCC电压以及电网电流采样信号经由电网阻抗估测而产生电网阻抗估计值,该电网阻抗估计值与电网电流采样值相乘产生输出信号1,PCC电压采样信号同输出信号1相减产生电网电压估测信号,将该电网电压估测信号分别送入前馈补偿以及锁相环模块,并最终经过电流控制以及载波交截模块等产生并网变流器占空比。
4.根据权利要求3所述的一种弱电网下并网变流器自适应控制方法,其特征在于,将弱电网下并网变流器自适应控制系统应用于采用电容电流及电网电流反馈的单相LCL滤波并网变流器系统中,并网变流器的输出阻抗表达式变为:
其中,Zout_1(s)为采用典型控制方法下,并网变流器的输出阻抗,Gf(s)为电压前馈补偿环节,Iref为电网电流幅值基准,GPLL(s)代表锁相环的传递函数,Gc(s)为电流调节器,kPWM表示变流器桥臂环节增益,Zg为电网阻抗,L1为变流器侧电感,C1为滤波电容,kAD为电容电流比例反馈系数。
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