CN109950926B - 弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法。本发明针对弱电网情况下采用电网电压直接前馈导致的并网逆变器稳定性问题，提出一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法，该方法通过将q轴电压以积分形式添加到q轴电流调节器输出，实现锁相环和电网电压前馈对并网逆变器的q轴输出阻抗影响的相互抵消，使并网逆变器在具有较大电网阻抗的较弱电网下运行，提高了并网逆变器的电网适应性。

Description

弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器系统的控制方法，尤其是涉及一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法。

背景技术

三相并网逆变器作为一种功率变换装置，在连接风电、光伏等新能源与交流电网的过程中，发挥着越来越关键的作用。但是，随着可再生新能源发电并网渗透率的不断升高，以及多台逆变器并联运行等工况的出现，单个并网逆变器承受的等值电网阻抗增大，电网表现出弱电网的特性。通常，并网逆变器通常通过锁相环获得准确的电网同步信息，并且为了抑制电网电压背景谐波并增强电流控制动态性能，还需要电网电压前馈控制。然而，但是有文献指出锁相环和电网电压前馈都会导致逆变器在具有一定电网阻抗的弱电网中不稳定。

针对弱电网下的锁相环引起的逆变器稳定性问题，有文献提出通过降低锁相环的带宽等方法，来保证逆变器有足够的稳定裕度。例如：

1)吴恒、阮新波和杨东升发表于2014年10月25日《中国电机工程学报》第34卷第30期上的《弱电网条件下锁相环对LCL型并网逆变器稳定性的影响研究及锁相环参数设计》，该文根据相角裕度要求对锁相环的参数进行设计，改变了锁相环的带宽，增强了逆变器在电流源模式下对不同电网阻抗的适应性，但是这类方法大幅降低了并网逆变器锁相的快速性，此时，如果电网阻抗很大，为了使得并网逆变器稳定运行，锁相环带宽需要调到很低，此时，不适用于动态性能要求高的场合。

2)题为“Robust Vector Control of a Very Weak-Grid-Connected Voltage-Source Converter Considering the Phase-Locked Loop Dynamics”,M.Davari andY.A.I.Mohamed,IEEE Transactions on Power Electronics,vol.32,pp.977-994,2017.(“考虑锁相环动态特性时的极弱电网-电压源变换器的鲁棒矢量控制”，2017年IEEE电力电子期刊第32卷发表，第977-994页)的文章中则是在考虑PLL动态特性的情况下，提出了一种基于鲁棒向量控制的稳定性策略，消除了PLL对变换器稳定性的影响。但是该控制器设计复杂，增加了实际应用的难度。

3)杨苓、陈燕东和陈智勇等人发表于2018年10月20日《中国电机工程学报》第38卷第20期上的《弱电网下考虑锁相环影响的三相并网系统相角补偿控制方法》，该文通过公共耦合点电压前馈来改变并网逆变器的输出导纳，维持了并网逆变器的输出导纳在系统截止频率处幅值基本不变，并增大系统的相角裕度，解决因锁相环带宽较大引起的系统不稳定问题，并保证了系统的动态响应速度。但是，该文方案设计中并未涉及到弱电网下电网电压前馈方案对并网逆变器的稳定性影响，其方案适用性受到限制。

4)题为“Stability Improvement for Three-Phase Grid-ConnectedConverters Through Impedance Reshaping in Quadrature-Axis”,J.Fang,X.Li,H.Li,and Y.Tang,IEEE Transactions on Power Electronics,vol.33,pp.8365-8375,2018.(“通过q轴阻抗重塑提高三相并网变流器的稳定性”，2018年IEEE电力电子期刊第33卷发表，第8365-8375页)的文章中在同步dq旋转坐标系建立了离散域下的并网逆变器锁相环小信号模型，但是该文方案设计中同样未涉及到弱电网下电网电压前馈方案对并网逆变器的稳定性影响，其方案适用性受到限制。

而针对弱电网下的电网电压前馈引起的逆变器稳定性问题，有文献提出通过辨识电网阻抗来前馈补偿电压等方法，来保证逆变器有足够的稳定裕度。例如：

1)许津铭、谢少军和唐婷发表于2014年8月25日《中国电机工程学报》第34卷第24期上的《弱电网下LCL滤波并网逆变器自适应电流控制》，该文针对弱电网下电网电压比例前馈会大幅降低LCL型并网逆变器的稳定裕度，甚至不稳定的问题，提出了基于电网阻抗检测调整前馈补偿的电压，并修改调节器的参数来提高逆变器控制的电网适应性的方法。但是，由于这类方案采用了电网阻抗辨识方案，需要准确获取电网阻抗信息，增加了控制器运算的负担实际应用难度；

2)钱强、谢少军和季林等发表于2016年11月20日《中国电机工程学报》第36卷第22期上的《一种提升逆变器对电网适应能力的电流控制策略》，该文指出可以通过降低电网电压的前馈增益，以提高并网逆变器的稳定裕度，该方法在一定程度上改善了并网逆变器的稳定性；另外，徐飞、汤雨和谷伟发表于2016年9月20日《中国电机工程学报》第36卷第18期上的《弱电网条件下LCL型并网逆变器谐振前馈控制策略研究》，该文根据添加了基于二阶广义积分器的结构到电网电压前馈通道上，调整了并网逆变器输出导纳，抑制了输出电流谐振。但是，这两篇文献方法存在这样的不足：针对弱电网情况，这类方案由于不能完全前馈电网电压电压，将会导致并网逆变器在启动过程中易出现较大的冲击电流，降低了电流控制的动态性能。

综上所述，现有技术存在以下问题：

(1)弱电网下，现有文献方案均是针对锁相环或者电网电压前馈引起的逆变器稳定性问题分别进行分析，并未考虑二者同时存在时并网逆变器的控制稳定性及其稳定控制方案的问题；

(2)当电网阻抗相当大，即电网相当弱的时候，现有弱电网下的并网逆变器稳定控制方案的控制性能同样会显著降低，从而限制了方案的电网阻抗适应性；

(3)针对弱电网情况下锁相环和电网电压前馈综合引起的并网逆变器稳定性问题，现有文献方案均未涉及通过将q轴电压以积分形式添加到q轴电流调节器输出，实现锁相环和电网电压前馈对并网逆变器的q轴输出阻抗影响的相互抵消，使并网逆变器在具有较大电网阻抗的较弱电网下运行的问题。

发明内容

为克服上述各种技术方案的局限性，针对锁相环和电网电压前馈综合引起的并网逆变器稳定性问题，提出一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法，该方法通过将q轴电压以积分形式添加到q轴电流调节器输出，实现锁相环和电网电压前馈对并网逆变器的q轴输出阻抗影响的相互抵消，使并网逆变器在具有较大电网阻抗的较弱电网下运行，提高了并网逆变器的电网适应性。

本发明的目的是这样实现的。本发明提出了一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法，本控制方法的步骤如下：

1、一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法，其特征在于，本控制方法的步骤如下：

步骤1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤2，根据步骤1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；

所述公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

所述输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤4，设置输出并网电流指令信号i_gdref，i_gqref；根据步骤3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到电流环PI调节器输出信号u_{d_PI}和u_{q_PI}；

所述电网电流闭环控制方程为：

u_{d_PI}＝(k_p+k_i/s)·(i_gdref-i_gd)

u_{q_PI}＝(k_p+k_i/s)·(i_gqref-i_gq)

式中的k_p为电流环PI调节器比例控制系数，k_i为电流环PI调节器积分控制系数，s为拉普拉斯算子；

步骤5，根据步骤2得到的公共耦合点电压q轴分量u_pccq，通过积分前馈控制方程，得到q轴电网电压前馈信号u_{pccq_f}；

所述积分前馈控制方程为：

式中的K_f为积分前馈增益；

步骤6，根据步骤2得到的公共耦合点电压d轴分量u_pccd、步骤4得到的PI调节器输出信号u_{d_PI}和u_{q_PI}和步骤5得到的q轴电网电压前馈信号u_{pccq_f}，通过电网电压前馈方程得到逆变器控制信号u_d和u_q；

所述电网电压前馈方程为：

u_d＝u_{d_PI}+u_pccd

u_q＝u_{q_PI}+u_{pccq_f}

步骤7，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤6得到的逆变器控制信号u_d和u_q，经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

所述控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_dcosθ-u_qsinθ

步骤8，根据步骤7得到的三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c，经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，经过驱动保护电路控制三相全桥逆变器功率器件的开通和关断。

优选地，步骤2所述公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中，ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例调节系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器的积分调节系数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明可以相互抵消锁相环和电网电压前馈对并网逆变器的q轴输出阻抗的影响，使并网逆变器能够在具有较大电网阻抗的较弱电网下运行；

2、本发明大幅增加了并网逆变器在弱电网情况下的相位裕度，提高了并网逆变器的稳定性；

3、本发明仅需通过将q轴电压以积分形式添加到q轴电流调节器输出，实现方式简便有效。

附图说明

图1为本发明实施例所采用的三相LCL型并网逆变器与弱电网相连时的拓扑结构示意图。

图2为本发明弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器控制结构示意图。

图3为采用本发明控制策略前后的并网逆变器输出电流波形图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法，以解决现有技术存在的弱电网情况下采用电网电压直接前馈导致的并网逆变器稳定性问题，通过在电网电压前馈通道上增加低通滤波环节的方式，保证了并网逆变器与电网电压直接前馈控制的基波增益相同，实现了基波的无稳态误差跟踪。本发明不仅能够抑制电网背景谐波，而且大幅增加了并网逆变器在弱电网情况下的相位裕度，提高了并网逆变器的电网适应性。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明实施例所采用的拓扑结构如图1所示。该拓扑结构包括三相桥式逆变拓扑、逆变器侧电感L₁、滤波电容C、阻尼电阻R_d、网侧电感L₂、LCL型滤波器通过公共耦合点PCC与带有电网阻抗Z_g的三相电网相连，r_g为电网阻抗Z_g的阻性分量，L_g为电网阻抗Z_g的感性分量，r_g和L_g构成电网阻抗Z_g，电网阻抗Z_g表达式如下：

Z_g＝r_g+s·L_g

式中的s为拉普拉斯算子。本实施例中，L₁＝0.9mH，C＝15μF，R_d＝0.3Ω，L₂＝0.06mH，r_g＝0，L_g＝2mH。

图2为本发明弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器控制结构示意图。由图2可见，本发明由以下几个步骤所构成：

步骤1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤2，根据步骤1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ。

所述公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

上式中，所述公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中，ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例调节系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器的积分调节系数，s为拉普拉斯算子。本实施例中，ω₀＝314rad/s，K_{p_PLL}＝3300，K_{i_PLL}＝1。

步骤3，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq。

所述输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤4，设置输出并网电流指令信号i_gdref，i_gqref；根据步骤3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到电流环PI调节器输出信号u_{d_PI}和u_{q_PI}。

所述电网电流闭环控制方程为：

u_{d_PI}＝(k_p+k_i/s)·(i_gdref-i_gd)

u_{q_PI}＝(k_p+k_i/s)·(i_gqref-i_gq)

式中的k_p为电流环PI调节器比例控制系数，k_i为电流环PI调节器积分控制系数。在本实施例中，k_p＝200，k_i＝900。

步骤5，根据步骤2得到的公共耦合点电压q轴分量u_pccq，通过积分前馈控制方程，得到q轴电网电压前馈信号u_{pccq_f}；

所述积分前馈控制方程为：

式中的K_f为积分前馈增益。在本实施例中，K_f＝3000。

步骤6，根据步骤2得到的公共耦合点电压d轴分量u_pccd、步骤4得到的PI调节器输出信号u_{d_PI}和u_{q_PI}和步骤5得到的q轴电网电压前馈信号u_{pccq_f}，通过电网电压前馈方程得到逆变器控制信号u_d和u_q；

所述电网电压前馈方程为：

u_d＝u_{d_PI}+u_pccd

u_q＝u_{q_PI}+u_{pccq_f}

步骤7，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤6得到的逆变器控制信号u_d和u_q，经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

所述控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_dcosθ-u_qsinθ

步骤8，根据步骤7得到的三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c，经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，经过驱动保护电路控制三相全桥逆变器功率器件的开通和关断。

图3为采用本发明控制策略前后的并网逆变器输出电流波形图。从图3可以明显地发现：采用本发明之前，弱电网下的并网逆变器的输出电流发生明显的谐振，出现电流谐波放大现象；采用本发明之后，弱电网下的并网逆变器的输出电流电流谐波放大现象消失。本发明提出的弱电网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器控制方法可以有效改善弱电网下的逆变器并网电流质量，提高并网逆变器的稳定性。

Claims (2)

1.一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法，其特征在于，本控制方法的步骤如下：

步骤1，采集输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc，以及公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc；

步骤2，根据步骤1采集的公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc，经三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程得到公共耦合点电压dq轴分量u_pccd、u_pccq；将公共耦合点电压u_pcca、u_pccb、u_pccc经过锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；

所述公共耦合点电压由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤3，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，经过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，将步骤1采集的输出并网电流i_ga、i_gb、i_gc转化为两相旋转坐标系下的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq；

所述输出并网电流由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换方程为：

步骤4，设置输出并网电流指令信号i_gdref，i_gqref；根据步骤3得到的输出并网电流dq分量i_gd和i_gq，通过电网电流闭环控制方程得到电流环PI调节器输出信号u_{d_PI}和u_{q_PI}；

所述电网电流闭环控制方程为：

u_{d_PI}＝(k_p+k_i/s)·(i_gdref-i_gd)

u_{q_PI}＝(k_p+k_i/s)·(i_gqref-i_gq)

式中的k_p为电流环PI调节器比例控制系数，k_i为电流环PI调节器积分控制系数，s为拉普拉斯算子；

步骤5，根据步骤2得到的公共耦合点电压q轴分量u_pccq，通过积分前馈控制方程，得到q轴电网电压前馈信号u_{pccq_f}；

所述积分前馈控制方程为：

式中的K_f为积分前馈增益；

步骤6，根据步骤2得到的公共耦合点电压d轴分量u_pccd、步骤4得到的PI调节器输出信号u_{d_PI}和u_{q_PI}和步骤5得到的q轴电网电压前馈信号u_{pccq_f}，通过电网电压前馈方程得到逆变器控制信号u_d和u_q；

所述电网电压前馈方程为：

u_d＝u_{d_PI}+u_pccd

u_q＝u_{q_PI}+u_{pccq_f}

步骤7，根据步骤2得到的公共耦合点电压相角θ，将步骤6得到的逆变器控制信号u_d和u_q，经过两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程，转化为三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c；

所述控制信号由两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换方程为：

u_a＝u_dcosθ-u_qsinθ

步骤8，根据步骤7得到的三相静止坐标系下的控制信号分量u_a、u_b、u_c，经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号，经过驱动保护电路控制三相全桥逆变器功率器件的开通和关断。

2.根据权利要求1所述的一种弱网下基于q轴电压积分前馈的并网逆变器稳定控制方法，其特征在于，步骤2所述公共耦合点电压相角θ的计算公式为：

其中，ω₀为公共耦合点电压的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例调节系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器的积分调节系数。

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