CN110224431B - 并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法 - Google Patents

并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，包括步骤：S2：在电网电压并网逆变器公共连接点处中加入小扰动电压信号up，并获得小扰动电压信号up的q轴分量Upq(s)；S3：获得并网逆变器输出电流在dq坐标下的q轴分量Iq和d轴分量Id；S4：根据Iq、Id和Upq(s)，计算电网的电流扰动分量
Figure DDA0002090592330000011
和占空比扰动分量
Figure DDA0002090592330000012
S5：计算电流扰动分量的相反量
Figure DDA0002090592330000013
和占空比扰动分量的相反量
Figure DDA0002090592330000014
S6：向电流环控制器中产生扰动的电流扰动处和产生占空比扰动处分别输入电流扰动分量的相反量
Figure DDA0002090592330000015
和占空比扰动分量的相反量
Figure DDA0002090592330000016
本发明通用性强、适用范围广，在并网逆变器系统发生改变时仍能使用，无需再次设计，动态性能好，使得在电网电压幅值发生改变时，并网电流电压能够快速达到稳态。

Description

并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法
技术领域
本发明涉及并网逆变器系统控制技术领域，具体涉及一种并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法。
背景技术
风电、太阳能发电等新能源的大量发展使得并网逆变器的应用更加广泛。弱电网情况下，并网逆变器和电网互连时产生的稳定性问题也受到了广泛关注。而锁相环的引入会给逆变器的稳定运行带来负面影响。
基于谐波线性化的阻抗建模方法是建立逆变器输出阻抗的常用方法，建立考虑锁相环影响的正负序频率解耦的逆变器输出阻抗模型，则随着锁相环带宽增大会出现稳定性分析结果不准确的现象。因此，建立准确的逆变器输出阻抗需要考虑频率耦合。锁相环会导致频率耦合，锁相环带宽越大，耦合越强，对逆变器的稳定性影响越大。考虑频率耦合会使逆变器建模和稳定性分析变得复杂。因此，锁相环引起的频率耦合不利于逆变器稳定运行，同时使稳定性分析变得复杂。
另一方面，锁相环与电网阻抗之间的影响导致的稳定性问题也备受关注。弱电网情况下锁相环带宽增大不利于逆变器的稳定，电网强度越弱逆变器越不容易稳定。锁相环的引入等价于在逆变器输出阻抗中加入负阻尼，影响系统的稳定性。
目前针对锁相环引起的稳定性问题，常用的解决方法有降低锁相环带宽法和虚拟阻抗法。降低锁相环带宽使逆变器稳定的方法会牺牲逆变器的动态性能。加入虚拟阻抗来重塑系统的输出阻抗这种方法需要合理地设计参数，过程繁琐。
因此，需要提出一种新的并网逆变器系统减小锁相环影响的控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，通用性强、适用范围广，在并网逆变器系统发生改变时仍能使用，无需再次设计，动态性能好，使得在电网电压幅值发生改变时，并网电流电压能够快速达到稳态。
本发明提供一种并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，包括步骤：
S2：在电网电压并网逆变器公共连接点处中加入小扰动电压信号up，并对小扰动电压信号up进行基频Park变换后，得到小扰动电压信号up的q轴分量Upq(s)；
S3：对并网逆变器输出电流进行基频Park变换，得到并网逆变器输出电流在dq坐标下的q轴分量Iq和d轴分量Id；
S4：根据Iq、Id和Upq(s)，计算电网的电流扰动分量
Figure GDA0004045823820000021
和占空比扰动分量
Figure GDA0004045823820000022
S5：计算电流扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000023
和占空比扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000024
S6：向电流环控制器中产生扰动的电流扰动处和产生占空比扰动处分别输入电流扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000025
和占空比扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000026
进一步，步骤S2之前还包括步骤：
S1：在锁相环的扰动角输出端设置高通滤波器，其中，所述高通滤波器的输入端与锁相环的扰动较输出端连接。
进一步，所述电流扰动分量
Figure GDA0004045823820000027
的计算公式为：
Figure GDA0004045823820000028
其中，Δθ表示锁相环输出的扰动角，Iq和Id分别表示并网逆变器输出电流的在dq坐标下的q轴分量和d轴分量。
进一步，所述占空比扰动分量
Figure GDA0004045823820000029
的计算公式为：
Figure GDA0004045823820000031
其中，ω0表示电网电压基波角频率，L为逆变器交流侧滤波电感，Iq和Id分别表示并网逆变器输出电流的在dq坐标下的q轴分量和d轴分量，ω0LId和ω0LIq分别表示电流矢量控制的q轴解耦项和d轴解耦项，R表示交流侧滤波电感等效电阻，Vdc表示直流母线电压。
进一步，所述Δθ的计算公式为：
Figure GDA0004045823820000032
其中，
Figure GDA0004045823820000033
表示锁相环输入电压复空间向量的虚部，HPLL(s)表示电网电压q轴分量到输出相角θ的增益，s为复频率变量，s表示
Figure GDA0004045823820000034
和HPLL(s)的表达式是以拉普拉斯形式给出的。
进一步，所述HPLL(s)的计算公式为：
Figure GDA0004045823820000035
其中，kp和ki分别表示锁相环的PI控制器参数，s为复频率变量，s表示HPLL(s)的表达式是以拉普拉斯形式给出的。
进一步，所述
Figure GDA0004045823820000036
通过提取变换到dq坐标下的小扰动电压信号up的q轴分量得到，所述
Figure GDA0004045823820000037
的表达式为：
Figure GDA0004045823820000038
其中，U0表示电网输入电压的幅值，Upq(s)为小扰动电压信号up经过基频Park变换后的q轴分量，s为复频率变量，s表示
Figure GDA0004045823820000039
的表达式是以拉普拉斯形式给出的。
进一步，所述高通滤波器的截止频率满足以下条件：
fhpg＜min(fpll,fc) (6)
其中，fhpg表示高通滤波器的截止频率，fpll表示锁相环带宽，fc表示电网阻抗同逆变器输出阻抗的交点频率。
本发明的有益效果：本发明通用性强、适用范围广，在并网逆变器系统发生改变时仍能使用，无需再次设计，稳定性高，动态性能好，使得在电网电压幅值发生改变时，并网电流电压能够快速达到稳态。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的流程示意图；
图2为三相并网逆变器的拓扑结构示意图；
图3为逆变器的小信号模型；
图4为本发明的电流环控制框图；
图5为本发明实施后锁相环带宽为40Hz时三相并网电流与并网电压波形。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，包括步骤：
S2：在电网电压并网逆变器公共连接点(PCC点)处中加入小扰动电压信号up，并对小扰动电压信号up进行基频Park变换后，得到小扰动电压信号up的q轴分量Upq(s)；
S3：对并网逆变器输出电流进行基频Park变换，得到并网逆变器输出电流在dq坐标下的q轴分量Iq和d轴分量Id；本实施例中，并网逆变器输出电流为稳态电流，是已知量。
S4：根据Iq、Id和Upq(s)，计算电网的电流扰动分量
Figure GDA0004045823820000041
和占空比扰动分量
Figure GDA0004045823820000042
S5：计算电流扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000043
和占空比扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000044
其中，电流扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000045
是指与电流扰动分量
Figure GDA0004045823820000046
之和为零的量，通过简单的加减运算即可得到，占空比扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000047
是指与占空比扰动分量
Figure GDA0004045823820000051
之和为零的量，通过简单的加减运算即可得到；
S6：如图3所示，向电流环控制器中产生扰动的电流扰动处和产生占空比扰动处分别输入电流扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000052
和占空比扰动分量的相反量
Figure GDA0004045823820000053
通过上述方法，在并网逆变器系统发生改变时仍能使用，无需再次设计，通用性强，适用范围广，稳定性高，动态性能好，使得在电网电压幅值发生改变时，并网电流电压能够快速达到稳态。受并网逆变器与弱电网相互作用的影响，锁相环引入的电压扰动成为了影响逆变器性能的一个重要因素。因此抑制锁相环负面影响是改善弱电网条件并网逆变器分析和运行的有效方式。图1为三相并网逆变器的拓扑结构示意图，本文方法应用于图2所示的三相并网逆变器系统，图2中，ua、ub、uc为三相电网电压，Zg为电网阻抗，L为逆变器交流侧滤波电感，R为交流侧滤波电感等效电阻，Vdc为直流侧电压，HPLL为电网电压q轴分量到输出相角θ的增益，Gc为电流控制器，Gfi、Gfv是电流电压采样滤波器。
进一步，步骤S2之前还包括步骤：
S1：在锁相环的扰动角输出端设置高通滤波器，其中，所述高通滤波器的输入端与锁相环的扰动较输出端连接。考虑了锁相环影响带来的小扰动后逆变器的小信号模型如图3所示。图3中可以看到电流扰动产生于电网电流经dq变换后，占空比扰动产生于载波产生之前。从锁相环引入的电流和占空比扰动考虑，在产生扰动的位置注入与扰动相反的量，在锁相环输出角度Δθ后添加一个高通滤波器来消除直流分量。在稳态时Δθ为理想的交流量，在dq坐标系下控制器中注入理想的交流量不会影响基波电流的控制。而锁相环的启动的过程是一个动态过程，此时Δθ为直流量，会影响基波电流的控制。因此本文在锁相环输出角度Δθ后添加一个高通滤波器来消除直流分量。
进一步，所述电流扰动分量
Figure GDA0004045823820000054
的计算公式为：
Figure GDA0004045823820000055
其中，Δθ表示锁相环输出的扰动角，Iq和Id分别表示并网逆变器输出电流的在dq坐标下的q轴分量和d轴分量。
进一步，所述占空比扰动分量
Figure GDA0004045823820000061
的计算公式为：
Figure GDA0004045823820000062
其中，ω0表示电网电压基波角频率，L为逆变器交流侧滤波电感，Iq和Id分别表示并网逆变器输出电流的在dq坐标下的q轴分量和d轴分量，ω0LId和ω0LIq表示电流矢量控制的q轴解耦项和d轴解耦项，R表示交流侧滤波电感等效电阻，Vdc表示直流母线电压。
进一步，所述Δθ的计算公式为：
Figure GDA0004045823820000063
其中，
Figure GDA0004045823820000064
表示锁相环输入电压复空间向量的虚部，HPLL(s)表示电网电压q轴分量到输出相角θ的增益，s为复频率变量，s表示
Figure GDA0004045823820000065
和HPLL(s)的表达式是以拉普拉斯形式给出的。
进一步，所述HPLL(s)的计算公式为：
Figure GDA0004045823820000066
其中，kp和ki分别表示锁相环的PI控制器参数，s为复频率变量，s表示HPLL(s)的表达式是以拉普拉斯形式给出的。
进一步，所述
Figure GDA0004045823820000067
通过提取变换到dq坐标下的小扰动电压信号up的q轴分量得到，所述
Figure GDA0004045823820000068
的表达式为：
Figure GDA0004045823820000069
其中，U0表示电网输入电压的幅值，Upq(s)为小扰动电压信号up经过基频Park变换后的q轴分量，s为复频率变量，s表示
Figure GDA00040458238200000610
的表达式是以拉普拉斯形式给出的。本实施例中，在电网电压中施加一个幅值为up，频率为fp，相角为
Figure GDA00040458238200000611
的小信号电压扰动，并采用复变量的形式将电网电压及其扰动变换到αβ坐标系下的电压
Figure GDA00040458238200000612
得到
Figure GDA00040458238200000613
由于扰动电压对锁相环的影响，考虑锁相环输出角度θ＝ω0+Δθ，ω0为电网电压基波角频率，Δθ为电网电压扰动在锁相环稳定状态下输出的角度，即锁相环输出的扰动角。将
Figure GDA0004045823820000071
变换到dq坐标轴下并进行线性化，提取得到q轴电压
Figure GDA0004045823820000072
即得到(5)式。而Δθ可以表示为
Figure GDA0004045823820000073
结合以上分析可以得到考虑锁相环影响后的电流、占空比的小扰动信号的表达式(计算公式)分别为(1)式和(2)式。
进一步，所述高通滤波器的截止频率满足以下条件：
fhpg＜min(fpll,fc) (6)
其中，fhpg表示高通滤波器的截止频率，fpll表示锁相环带宽，fc表示电网阻抗同逆变器输出阻抗的交点频率。min(fpll,fc)等于fpll和fc中值最小的参数值，(6)式表示高通滤波器的截止频率小于锁相环带宽和电网阻抗同逆变器输出阻抗的交点频率中值最小的值。本文采用在电网电压中加入小扰动电压信号来减小锁相环影响，加入小扰动电压信号等价于在锁相环影响支路增加一个低通滤波器，低通滤波器的带宽与本文方法中高通滤波器的带宽相同，因此，设计交底的滤波器带宽时，本文控制方法能够更好地抑制锁相环对并网逆变器的负面影响，即降低并网逆变器的频率耦合现象和提高弱电网条件下并网逆变器的稳定性。本文设置高通滤波器的主要目标是抑制锁相环导致的频率耦合现象和提高弱电网条件下并网逆变器的稳定性，因此，需要设计一个比较低的高通滤波器带宽。滤波器带宽的上限，由锁相环带宽和电网阻抗与并网逆变器等价输出阻抗幅值的交点频率共同决定，设计滤波器带宽低于锁相环带宽可以很好的保证本文控制方法对频率耦合现象的抑制效果，而令其低于逆变器等价输出阻抗与电网阻抗幅值交点频率可以减弱锁相环对系统相角域量的影响，从而提高弱电网条件下并网逆变器的稳定性。本发明的电流环控制框图如图3所示。本实施例中，仿真中设置电网短路比为2，直流侧电压400V，电网电压有效值110V，d轴电流给定30A，q轴电流给定0，执行本文控制方法前当锁相环带宽40Hz时逆变器不稳定。执行本文控制方法后当锁相环带宽40Hz时三相并网电流与并网电压波形如图4所示。图4中，并网电流、电压波形成正弦波，系统稳定。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，其特征在于：包括步骤：
S2：在电网电压并网逆变器公共连接点处中加入小扰动电压信号up，并对小扰动电压信号up进行基频Park变换后，得到小扰动电压信号up的q轴分量Upq(s)；
S3：对并网逆变器输出电流进行基频Park变换，得到并网逆变器输出电流在dq坐标下的q轴分量Iq和d轴分量Id；
S4：根据Iq、Id和Upq(s)，计算电网的电流扰动分量
Figure FDA0004051898140000011
和占空比扰动分量
Figure FDA0004051898140000012
所述电流扰动分量
Figure FDA0004051898140000013
的计算公式为：
Figure FDA0004051898140000014
其中，Δθ表示锁相环输出的扰动角，Iq和Id分别表示并网逆变器输出电流的在dq坐标下的q轴分量和d轴分量；
所述占空比扰动分量
Figure FDA0004051898140000015
的计算公式为：
Figure FDA0004051898140000016
其中，ω0表示电网电压基波角频率，L为逆变器交流侧滤波电感，Iq和Id分别表示并网逆变器输出电流的在dq坐标下的q轴分量和d轴分量，ω0LId和ω0LIq分别表示电流矢量控制的q轴解耦项和d轴解耦项，R表示交流侧滤波电感等效电阻，Vdc表示直流母线电压；Δθ表示锁相环输出的扰动角，U0表示电网输入电压的幅值；
S5：计算电流扰动分量的相反量
Figure FDA0004051898140000017
和占空比扰动分量的相反量
Figure FDA0004051898140000018
S6：向电流环控制器中产生扰动的电流扰动处和产生占空比扰动处分别输入电流扰动分量的相反量
Figure FDA0004051898140000019
和占空比扰动分量的相反量
Figure FDA00040518981400000110
2.根据权利要求1所述并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，其特征在于：步骤S2之前还包括步骤：
S1：在锁相环的扰动角输出端设置高通滤波器，其中，所述高通滤波器的输入端与锁相环的扰动较输出端连接。
3.根据权利要求1所述并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，其特征在于：所述Δθ的计算公式为：
Figure FDA0004051898140000021
其中，
Figure FDA0004051898140000022
表示锁相环输入电压复空间向量的虚部，HPLL(s)表示电网电压q轴分量到输出相角θ的增益，s为复频率变量，s表示
Figure FDA0004051898140000023
和HPLL(s)的表达式是以拉普拉斯形式给出的。
4.根据权利要求3所述并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，其特征在于：所述HPLL(s)的计算公式为：
Figure FDA0004051898140000024
其中，kp和ki分别表示锁相环的PI控制器参数，s为复频率变量，s表示HPLL(s)的表达式是以拉普拉斯形式给出的。
5.根据权利要求3所述并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，其特征在于：所述
Figure FDA0004051898140000025
通过提取变换到dq坐标下的小扰动电压信号up的q轴分量得到，所述
Figure FDA0004051898140000026
的表达式为：
Figure FDA0004051898140000027
其中，U0表示电网输入电压的幅值，Upq(s)为小扰动电压信号up经过基频Park变换后的q轴分量，s为复频率变量，s表示
Figure FDA0004051898140000028
的表达式是以拉普拉斯形式给出的。
6.根据权利要求2所述并网逆变器系统中减小锁相环影响的控制方法，其特征在于：所述高通滤波器的截止频率满足以下条件：
fhpg＜min(fpll,fc)(6)
其中，fhpg表示高通滤波器的截止频率，fpll表示锁相环带宽，fc表示电网阻抗同逆变器输出阻抗的交点频率。
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