CN109802405A - 基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，包括获得电流给定值、计算电流误差值、计算调制信号量、调制信号量经脉宽调制驱动逆变器的功率管的步骤，本方法通过采集电网电压信号，针对电网电压信号计算出电网电压异常状态值，通过采集电网电流信号，针对电网电流信号计算出电网电流的误差值，并通过状态反馈控制方法，把电网电压异常状态值和电网电流的误差值引入到逆变器控制策略中，改变闭环系统的极点配置，提高逆变器鲁棒性，从而达到抑制光伏并网逆变器电网电压谐振的目的。

Description

基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法

技术领域

本发明涉及光伏并网逆变器的谐振抑制方法，具体涉及基于电网电压异常状态反馈来抑制光伏并网逆变器网侧谐振的方法。

背景技术

光伏发电系统作为可再生能源重要的解决方案之一，近年来得到了飞速发展。光伏发电系统一般由光伏电池板、光伏并网逆变器、电缆和相关配件组成。为了增加光伏系统的可靠性与可扩展性，工程上通常采用多个光伏并网逆变器并联的方式。光伏并网逆变器作为连接光伏电池板和电网的核心装置，其滤波环节对输出电压和电流的质量至关重要。鉴于LCL滤波器滤波效果好、成本低、质量小的优点，在各种大型并网逆变器中得到广泛实际应用。但是LCL滤波器设计会给系统引入更多谐振频率点，在多机并联的情况下，系统的谐振网络复杂化，谐振的概率大大增加。

为了抑制谐振，常用的方法是引入阻尼。引入阻尼的方法包括无源阻尼方法和有源阻尼方法两种。无源阻尼方法是通过在LCL滤波结构中加入电阻以抑制谐振尖峰，该方法的缺点是增加电阻带来的系统损耗增大、降低了运行效率、增加了逆变器发热器件、并且在各个电网环境下不能统一的进行电阻阻值参数配置。有源阻尼方法的思想是通过控制算法引入阻尼。现有方案主要是反馈控制电容的电流，在LCL滤波器上增加电容电流采样，并在系统控制中引入“虚拟阻抗”的概念，增加的虚拟阻抗起到的效果与在硬件电路中加入电阻起到的效果类似，可以达到改变光伏并网逆变器系统阻抗特性，从而达到光伏并网逆变器稳定运行的目的。但因增加了滤波电容上的电流采样电路和传感器，使硬件连接和电路结构复杂，导致逆变器体积增大、结构复杂、成本增加。

发明内容

本发明的目的是从光伏并网逆变器系统控制角度出发，通过引入滤波器的网侧电压异常状态反馈，改善逆变器系统控制性能，抑制谐振，达到光伏并网逆变器稳定运行的目的。

本发明为实现上述发明目的采用的技术方案为：基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，该方法包括以下步骤：

1）获得电流给定值：将采样的直流母线电压U_k及设定的直流母线参考电压输入电压控制器，电压控制器输出值为电网侧的电流给定值i^*；

2）计算电流误差值：采样电网侧输出电流i_g、电网电压U_g，电网电压U_g通过锁相环（PLL）得到电网电压相角θ，电网电压相角θ的正弦量与电流给定值i^*相乘后得到参考电流i_ref，参考电流i_ref与电网侧输出电流i_g比较得到误差值i_e；

3）计算调制信号量：电流误差值i_e经调节器（G）后得到U_i，将采样的电网电压U_g滤波后作为电压前馈信号U_ff，获得电网电压异常状态增益值 U_ex，U_i+U_ff-U_ex得到调制信号量U_s；

4）该调制信号量U_s经脉宽调制（PWM）、驱动电路送入逆变器。

进一步的，为加快光伏并网逆变器响应速度，所述电压前馈信号U_ff由U_g经一阶低通滤波器滤波后得到。

进一步的，所述电网电压异常状态增益值 U_ex由采样的电网电压U_g与电网电压期望值U_h的差值经比例调节器K_a后得到，U_h由U_g通过二阶广义积分器获得。

该谐振抑制方法适用于单相光伏并网逆变器和三相光伏并网逆变器。对T型三电平逆变器的谐振抑制效果更好。

具体的T型三电平逆变器包括三电平全桥电路、LCL滤波器和直流母线，直流母线的输入端连接太阳能电池板、输出端连接三电平全桥电路，三电平全桥电路的一输出端连接电网、另一输出端串接两电感L₁、L₂后连接电网，电容C一端连接在两电感L₁、L₂之间、另一端连接在电网上。

进一步的，所述调制信号量经脉宽调制PWM、驱动电路送入三电平全桥电路。

进一步的，当应用于三相光伏并网逆变器时，所述电网侧输出电流i_g包括三相线上的三组输出电流i_g1、i_g2、i_g3，电网电压U_g包括三相线上的三组电压U_g1、U_g2、U_g3。针对三相分别计算出对应的电网电流误差值、电网电压异常状态值,进而得出对应的调制信号量。

本方法通过采集电网电压信号，针对电网电压信号计算出电网电压异常状态值，通过采集电网电流信号，针对电网电流信号计算出电网电流的误差值，并通过状态反馈控制方法，把电网电压异常状态值和电网电流的误差值引入到逆变器控制策略中，改变闭环系统的极点配置，提高逆变器鲁棒性，从而达到抑制光伏并网逆变器电网电压谐振的目的。

本发明的有益效果为：1、在调制信号中引入电网电压异常状态反馈变量，加快了逆变器响应电网电压异常状态的速度，重新配置逆变器系统传递函数的极点位置，增加了逆变器控制系统在电网电压谐振异常情况下的稳定性和鲁棒性，从而实现了光伏并网逆变器平稳地向电网输出功率的能力，达到逆变器抑制交流侧电压谐振、逆变器可靠稳定运行的目。2、在不增加系统元器件、不增加系统损耗的基础上，有效改善了光伏并网逆变器抑制电网侧电压谐振的效果，达到了光伏并网逆变器稳定运行的目。

附图说明

图1是实施例中逆变器的电路结构示意图；

图2是实施例中采样点示意及控制方法的控制框图；

图3是实施例中基于二阶广义积分器的电网电压异常状态检测控制框图；

图4实施例中控制方法的流程图；

图5是实施例中未采用该控制方法的光伏并网逆变器输出波形；

图6是实施例中采用该控制方法后的光伏并网逆变器输出波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，逆变器为T型三电平逆变器，其电路拓扑结构参见图1，包括三电平全桥电路1、LCL滤波器2和直流母线3。采样点及控制方法的控制框图示意参见图2，直流母线3的输入端连接太阳能电池板、输出端连接三电平全桥电路1，三电平全桥电路1的一输出端连接电网4、另一输出端串接两电感L₁、L₂后连接电网4，电容C一端连接在两电感L₁、L₂之间、另一端连接在电网4上。

具体方法包括以下步骤：

1）获得电流给定值：将采样的直流母线电压U_k及设定的直流母线参考电压输入电压控制器，电压控制器输出值为电网侧的电流给定值i^*。

2）计算电流误差值：采样电网侧三相线上输出电流i_g1、i_g2、i_g3，电网电压U_g1、U_g2、U_g3，U_g1、U_g2、U_g3均送入锁相环（PLL）得到电网电压相角θ，电网电压相角θ的正弦量与电流给定值i^*经过根据电网电压相角θ的反Park坐标变换、反Clark坐标变换得到参考电流i_ref1、i_ref2、i_ref3，参考电流i_ref1、i_ref2、i_ref3分别与i_g1、i_g2、i_g3比较得到误差值i_e1、 i_e2、 i_e3。

3）计算调制信号量：

电流误差值i_e1、 i_e2、 i_e3送入调节器G后得到U_i1、U_i2、U_i3；

将采样的电网电压U_g1、U_g2、U_g3送入一阶低通滤波器滤波后得到电压前馈信号U_ff1、U_ff2、U_ff3；

由采样的电网电压U_g1、U_g2、U_g3与电网电压期望值U_h1、U_h2、U_h3的差经比例调节器Ka增益得到电网电压异常状态增益值 U_ex1、U_ex2、U_ex3，U_h1、U_h2、U_h3由U_g1、U_g2、U_g3通过二阶广义积分器SOGI获得；

按照U_i+U_ff-U_ex换算得到调制信号量U_s1、U_s2、U_s3；

4）调制信号量经脉宽调制PWM、驱动电路送入全桥三电平变换器1。

参见附图，本方法对逆变器交流侧电网电压采样，该电网电压值U_g通过二阶广义积分器（SOGI）得到电网电压期望值U_h，电网电压U_g减去电网电压期望值U_h得到了电网电压异常状态值，电网电压异常状态值通过状态反馈增益后得到U_ex，把U_ex注入到控制环路的前馈环路中，并且通过调节状态反馈增益值改变该系统的闭环增益极点位置，增加逆变器在电网异常情况的稳定性和鲁棒性，从而抑制光伏并网逆变器网侧电压谐振。

通过实验模拟光伏并网逆变器谐振情况，测量了逆变器在采样该方法前后的实验波形，图5、图6分别显示了一相线上的电压、电流波形。其中CH3为光伏并网逆变器交流电压波形，CH4为光伏并网逆变器交流电流波形。从图5中可以看出：在未采用该方法时，逆变器输出电压、电流均出现谐振现象，使逆变器工作在不稳定状态，影响逆变器可靠运行。图6显示了采用该方法后的逆变器交流电压、电流波形，可以看出：逆变器输出电压、电流已经基本没有谐振现象。该实验说明该方法可有效抑制光伏并网逆变器交流侧电网电压的谐振，增强逆变器稳定性。

Claims (8)

1.基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）获得电流给定值：将采样的直流母线电压U_k及设定的直流母线参考电压输入电压控制器，电压控制器输出值为电网侧的电流给定值i^*；

2）计算电流误差值：采样电网侧输出电流i_g、电网电压U_g，电网电压U_g通过锁相环（PLL）得到电网电压相角θ，电网电压相角θ的正弦量与电流给定值i^*相乘后得到参考电流i_ref，参考电流i_ref与电网侧输出电流i_g比较得到误差值i_e；

3）计算调制信号量：电流误差值i_e经调节器（G）后得到U_i，将采样的电网电压U_g滤波后作为电压前馈信号U_ff，获得电网电压异常状态增益值 U_ex，U_i+U_ff-U_ex得到调制信号量U_s；

4）该调制信号量U_s经脉宽调制（PWM）、驱动电路送入逆变器。

2.根据权利要求1所述的基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述电压前馈信号U_ff由U_g经一阶低通滤波器滤波后得到。

3.根据权利要求2所述的基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述电网电压异常状态增益值 U_ex由采样的电网电压U_g与电网电压期望值U_h的差值经比例调节器K_a后得到，U_h由U_g通过二阶广义积分器（SOGI）获得。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述逆变器为三相逆变器。

5.根据权利要求4所述的基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述逆变器为T型三电平逆变器。

6.根据权利要求5所述的基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述逆变器包括三电平全桥电路（1）、LCL滤波器（2）和直流母线（3），直流母线（3）的输入端连接太阳能电池板、输出端连接三电平全桥电路（1），三电平全桥电路（1）的一输出端连接电网（4）、另一输出端串接两电感（L₁、L₂）后连接电网（4），电容（C）一端连接在两电感（L₁、L₂）之间、另一端连接在电网（4）上。

7.根据权利要求6所述的基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述调制信号量经脉宽调制（PWM）、驱动电路送入三电平全桥电路（1）。

8.根据权利要求7所述的基于电网电压异常状态反馈的逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述电网侧输出电流i_g包括三相线上的三组输出电流i_g1、i_g2、i_g3，电网电压U_g包括三相线上的三组电压U_g1、U_g2、U_g3，U_g1、U_g2、U_g3均送入锁相环（PLL）得到电网电压相角θ，电网电压相角θ的正弦量与电流给定值i^*经过根据电网电压相角θ的反Park坐标变换、反Clark坐标变换得到参考电流i_ref1、i_ref2、i_ref3，参考电流i_ref1、i_ref2、i_ref3分别与i_g1、i_g2、i_g3比较得到误差值i_e1、 i_e2、 i_e3；

电流误差值i_e1、 i_e2、 i_e3送入调节器G后得到U_i1、U_i2、U_i3；

将采样的电网电压U_g1、U_g2、U_g3送入一阶低通滤波器滤波后得到电压前馈信号U_ff1、U_ff2、U_ff3；

由采样的电网电压U_g1、U_g2、U_g3与电网电压期望值U_h1、U_h2、U_h3的差经比例调节器Ka增益得到电网电压异常状态增益值 U_ex1、U_ex2、U_ex3，U_h1、U_h2、U_h3由U_g1、U_g2、U_g3通过二阶广义积分器SOGI获得；

按照U_i+U_ff-U_ex换算得到调制信号量U_s1、U_s2、U_s3。