CN109728601A - 一种基于电压前馈的附加相角补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电压前馈的附加相角补偿方法。本发明采用的技术方案为:基于广义阻抗理论建立不平衡电网下考虑负序控制的逆变器并网模型,计算系统开环传递函数在角频率ω1处的相角,根据期望的相角裕度计算开环传递函数需要补偿的相角根据相角要求计算补偿后电压前馈环节传递函数G′ff(s)的幅值和相角,结合补偿前电压前馈环节传递函数Gff(s)的幅值和相角,计算角频率ω1处补偿环节传递函数Gc(s)的幅值和相角,从而得到附加相角补偿环节的参数。本发明能够有效解决并网逆变器中为实现负序控制目标而引入的准谐振控制器而造成的系统不稳定现象,保证光伏逆变器并网系统的稳定运行。

Description

一种基于电压前馈的附加相角补偿方法
技术领域
本发明涉及并网逆变器系统稳定性控制领域,具体地说是一种基于电压前馈的附加相角补偿方法。
背景技术
负荷不平衡、输电线路阻抗不平衡,不对称故障等原因通常会导致电网电压不平衡,我国大型光伏电站一般远离负荷中心,其接入点为电网架构比较薄弱的弱电网,电网电压不平衡问题更加突出。不平衡电网电压下,光伏逆变器若不考虑不对称情况下的控制,将会出现网侧功率波动和并网电流畸变等问题,严重影响光伏逆变器并网运行的安全稳定和电能质量。因此,很多国内外学者对不平衡电网下逆变器控制策略展开研究,并取得一系列成果。
现有研究成果中,在电流控制策略方面,主要可分为三类:正、反转同步旋转坐标系下双电流环双PI控制、正转同步旋转坐标系下比例积分-谐振控制或比例积分-降阶谐振控制,静止坐标系下比例谐振控制。
负序控制作为一种附加控制,不可避免地会影响原逆变器系统的动态性能和稳定性。正、负序分离嵌入的滤波器会在电流内环引入延时和误差,恶化了电流环的动态性能,此外在不对称故障产生和消失的瞬间系统有失稳的风险。同时,谐振系数越大,转子电流响应的带宽越窄,导致转子电流动态性能变差。因此,谐振系数取值较大时,系统存在失稳的风险,而若把谐振系数取小一些,虽能使系统稳定性变好,但准谐振控制器跟踪交流信号的精度会下降,影响负序控制效果,因此不能简单地通过减小谐振系数去提高系统稳定性。
目前对负序控制对并网逆变器系统稳定性影响的关注较少,且没有针对该问题提出相应的解决方案,造成并网逆变器负序控制无法达到预期效果。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种基于电压前馈的附加相角补偿方法,其可以针对考虑负序控制的光伏并网逆变器由于引入准谐振控制器而产生的不稳定现象进行补偿,以提高系统稳定性。
本发明采用的技术方案如下:一种基于电压前馈的附加相角补偿方法,其包括以下步骤:
1)通过广义阻抗理论建立不平衡电网下逆变器并网模型,其控制引入附加的负序控制,并采用对交流量跟踪的准谐振控制器,计算光伏逆变器并网系统开环传递函数ZG_grid/ZG_VSC在角频率ω1处的相角根据期望的相角裕度计算开环传递函数需要补偿的相角
2)在光伏逆变器并网系统电压前馈引入补偿环节传递函数Gc(s),得到补偿后的电压前馈传递函数为G′ff(s),G′ff(s)=Gc(s)Gff(s),Gff(s)为补偿前的电压前馈传递函数;由电网侧广义阻抗ZG_grid计算角频率ω1处幅值不变、相角增加到时,G′ff(s)的幅值和相角,结合补偿前Gff(s)的幅值和相角,计算角频率ω1处补偿环节传递函数Gc(s)的幅值和相角;
3)根据角频率ω1处补偿环节传递函数Gc(s)的幅值和相角,设计附加相角补偿环节的参数。
进一步地,所述步骤2)中,补偿环节传递函数Gc(s)的表达式为:
式中,增益Kc为增益系数,Ta和Tb为等效时间常数。
本发明具有的有益效果是:
本发明针对并网逆变器中为实现负序控制目标而引入的准谐振控制器对系统稳定性造成恶化的现象,提出一种基于电压前馈的附加相角补偿方法,并给出参数设计方法,能够有效提高系统稳定性和稳定裕度,保证并网逆变器负序控制的有效性。
附图说明
图1为本发明应用例中不平衡电网下并网逆变器系统示意图;
图2为本发明应用例中补偿前后系统开环传递函数bode图;
图3为本发明应用例中补偿前系统电磁暂态仿真结果图(图3中,(a) 为补偿前d轴电压Ud波形图,(b)为补偿前d轴电流Id波形图,(c)为补偿前q轴电压Uq波形图,(d)为补偿前q轴电流Iq波形图,谐振系数Kr从10 变化到20);
图4为本发明应用例中补偿后系统电磁暂态仿真结果图(图4中,(a) 为补偿后d轴电压Ud波形图,(b)为补偿后d轴电流Id波形图,(c)为补偿后q轴电压Uq波形图,(d)为补偿后q轴电流Iq波形图,谐振系数Kr从20 变化到40)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
本实施例提供一种基于电压前馈的附加相角补偿方法,其包括以下步骤:
1)通过广义阻抗理论建立不平衡电网下逆变器并网模型,其控制引入附加的负序控制,并采用对交流量跟踪的准谐振控制器,计算光伏逆变器并网系统开环传递函数ZG_grid/ZG_VSC在角频率ω1处的相角根据期望的相角裕度计算开环传递函数需要补偿的相角
2)在光伏逆变器并网系统电压前馈引入补偿环节传递函数Gc(s),得到补偿后的电压前馈传递函数为G′ff(s),G′ff(s)=Gc(s)Gff(s),Gff(s)为补偿前的电压前馈传递函数;由电网侧广义阻抗ZG_grid计算角频率ω1处幅值不变、相角增加到时,G′ff(s)的幅值和相角,结合补偿前Gff(s)的幅值和相角,计算角频率ω1处补偿环节传递函数Gc(s)的幅值和相角;
补偿环节传递函数Gc(s)的表达式为:
式中,增益Kc为增益系数,Ta和Tb为等效时间常数。
3)根据角频率ω1处补偿环节传递函数Gc(s)的幅值和相角,设计附加相角补偿环节的参数。
应用例
在Matlab/Simulink软件中建立不平衡电网下并网逆变器模型,如图1 所示,光伏逆变器并网系统引入对正、负序电流的无静差控制,采用对交流量跟踪的准谐振控制器。图1中,Lf、Cf和Lline分别为滤波电感、滤波电容和线路电感,Cdc为直流电容;Uabc为光伏逆变器并网处三相电压,Iabc为光伏逆变器端口三相电流,Us为经过LC滤波器后的三相电压,Udc为逆变器直流测电压;Udq和Idq为Uabc和Iabc经过坐标变换后的dq坐标系的d轴和q 轴电压电流;三相电压电流为电压、电流的正序分量,为电压、电流的负序分量(上标p、n分别表示正、负序分量,下标+、-分别表示正、反转同步旋转坐标系);上标*为电压或电流的参考值,分别为正、反转同步旋转坐标系下正、负序参考电流,稳态时为直流量,为正转同步旋转坐标系下的负序参考电流,稳态时为交流量,分别为d轴、q轴电流参考值和直流侧电压参考值。
图1中,PI表示一个比例积分环节,图中电压外环采用PI控制。
PI-QR表示比例积分-准谐控制环节,当电流内环采用PI-QR控制时,其传递函数其中Kpi和Kii为电流内环比例积分环节的比例和积分参数,Kr为谐振系数,ω2为谐振频率,本例为两倍额定同步速角频率2ω0,ωc为截止角频率。
DDSRF PLL表示解耦双同步旋转坐标系锁相环,其中包含一个低通滤波器,其传递函数为其中Tlp为锁相环低通滤波器时间常数,锁相环传递函数为其中Kppll和Kipll为锁相环中比例积分环节的比例和积分参数。
其中,光伏逆变器主要参数如表1所示:
表1光伏逆变器主要参数
网侧电压U<sub>abc</sub>(V) 690
直流侧电压U<sub>dc</sub>(V) 1100
逆变器侧滤波电感L<sub>f</sub>(pu) 0.05
滤波电容C<sub>f</sub>(pu) 0.05
直流侧电容C<sub>dc</sub>(pu) 0.038
电压前馈滤波时间常数T<sub>ff</sub> 0.001
锁相环低通滤波器时间常数T<sub>lp</sub> 0.04
电流内环比例、积分系数 0.7、320
截止角频率ω<sub>c</sub>(rad/s) 10
电压外环比例、积分参数 0.2、10
锁相环比例、积分参数 60、3000
建立该工况下的系统阻抗模型,电流以流向逆变器为正方向时,逆变器端口导纳模型为:
其中:
式中,下标0表示各个变量的稳态值,a和b为:
式中,Gff(s)为电压前馈环节传递函数,表达式为其中 Tff为锁相环低通滤波器时间常数。
电网的导纳接口模型在极坐标下可以表示为:
其中:
式中,矩阵Y为网络阻抗,Cf和Lline分别为滤波电容和线路电感,ω0为电网同步角频率。
因此,根据广义阻抗定义可得光伏逆变器并网系统的广义阻抗表达式:
其中:
式中,j为虚数符号。
则光伏逆变器并网系统的闭环特征方程为 1+ZG_grid/ZG_VSC=0,
系统的稳定性判据可以表示为:若ZG_grid/ZG_VSC的Nyquist曲线逆时针包围点(-1,j0)的圈数等于ZG_grid的不稳定极点个数,则系统是小干扰稳定。
由于准谐振控制器在100Hz处有幅值尖峰和相角尖峰。采用基于比例积分-准谐振控制的负序控制时,准谐振控制器的引入会影响开环系统在 100Hz附近频段的幅值和相角,因此若原光伏逆变器并网系统(无准谐振控制时,内环仅为PI控制)存在频率为100Hz附近的主导极点,则准谐振控制器的引入会改变系统在主导极点频率处的幅值裕度和相角裕度,影响系统稳定性。
以原光伏逆变器并网系统存在大于100Hz且在100Hz附近的主导极点为例,计算得到系统开环传递函数ZG_grid/ZG_VSC在角频率ω1=715rad/s处的相角在角频率ω1处的相角裕度为-3°。根据工程经验,系统期望相角裕度应维持在 30°至70°,这里给定需要补偿相角为60°。因此,补偿环节应补偿的相角和幅值为Gc(jω1)=0.9055∠-4°,根据Gc(s)表达式计算可得,时间常数Ta=0.02,时间常数Tb=0.0016,增益Kc=1.8。
绘制补偿前、后系统开环传递函数bode图,如图2所示。由图可知,通过在电压前馈通道附加相角补偿环节,在主导极点频率处(约114Hz)系统相角得到补偿,经计算补偿的附加相角为59.5°,此时系统相角裕度为 56.5°,符合工程要求。通过附加相角补偿环节,系统在100Hz-120Hz频段的相角裕度得到增大,系统稳定性得到提高,降低了弱电网下发生振荡的风险。
采用附加相角补偿策略后,当谐振系数等于20时,系统补偿前系统电磁仿真结果如图3所示,此时系统不稳定,而补偿后系统电磁仿真结果如图 4所示,对比可知系统稳定性得到了改善,且谐振系数增大为40时,系统依然稳定,表明系统留有一定的裕度。
因此,本发明的方法能够有效解决并网逆变器中为实现负序控制目标而引入的准谐振控制器而造成的系统不稳定现象,并能够为系统提供一定稳定裕度,降低光伏并网系统在弱电网下因引入负序控制而发生振荡的风险。
本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明做出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于电压前馈的附加相角补偿方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)通过广义阻抗理论建立不平衡电网下逆变器并网模型,其控制引入附加的负序控制,并采用对交流量跟踪的准谐振控制器,计算光伏逆变器并网系统开环传递函数ZG_grid/ZG_VSC在角频率ω1处的相角根据期望的相角裕度计算开环传递函数需要补偿的相角
2)在光伏逆变器并网系统电压前馈引入补偿环节传递函数Gc(s),得到补偿后的电压前馈传递函数为G′ff(s),G′ff(s)=Gc(s)Gff(s),Gff(s)为补偿前的电压前馈传递函数;由电网侧广义阻抗ZG_grid计算角频率ω1处幅值不变、相角增加到时,G′ff(s)的幅值和相角,结合补偿前Gff(s)的幅值和相角,计算角频率ω1处补偿环节传递函数Gc(s)的幅值和相角;
3)根据角频率ω1处补偿环节传递函数Gc(s)的幅值和相角,设计附加相角补偿环节的参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于电压前馈的附加相角补偿方法,其特征在于,所述步骤2)中,补偿环节传递函数Gc(s)的表达式为:
式中,增益Kc为增益系数,Ta和Tb为等效时间常数。
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