CN110718934A - 一种适应电网阻抗变化的llcl并网逆变器谐振抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及并网逆变器谐波谐振控制方法技术领域，其目的在于提供了一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法，主要包括三阶LLCL滤波器、电网电压前馈控制策略和电容电流反馈控制策略，电网电压前馈控制策略是在加权电流控制策略的基础上增加一条电压前馈通道，采用电网电压前馈策略有效抑制电网电压的干扰，为有效抑制谐振峰值，降低并网电流谐波含量，在电网电压前馈控制策略的基础上引入电容电流反馈，其有益效果在于：此方法保留了传统电网电压前馈控制方法，消除了电网电压产生畸变对并网电流的影响，引入电容电流反馈有效抑制了系统在谐振频率处的谐振峰，降低了并网电流的谐波含量，改善了并网电流并网质量。
Description
技术领域
本发明涉及并网逆变器谐波谐振控制方法技术领域，尤其涉及一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法。
背景技术
并网逆变器作为一种功率变换装置，在连接风力发电、光伏发电等分布式电源与交流电网的过程中，发挥着至关重要的作用。由于分布式电源所处地理位置的特殊性，电能需经长输电线路以及变压器才能完成并网，电网公共耦合点(point of common coupling,PCC)存在一个不可忽略且变化的阻抗，使电网呈现出高阻抗的弱电网特性。弱电网情况下，电网阻抗变化易造成逆变器与电网之间形成的动态互联系统带宽下降，稳定性降低，严重时将导致系统产生谐振现象。逆变器通过滤波器直接与电网相连，常见的滤波器有L、LC、LCL和LLCL四种，和L、LC、LCL相比，LLCL滤波器不仅滤波效果好，而且减少滤波器自身总电感值、总体积和成本被广泛采用。LLCL型滤波器也因自身特点而存在谐振尖峰导致并网逆变器处于无阻尼不稳定状态。另外，电网中存在的非线性负荷会使电网电压中存在大量低次的背景谐波，这种畸变的电网电压对逆变器系统来说是一种扰动，通常采用电网电压前馈的控制策略来消除电网背景谐波对并网电流的影响。
目前，针对弱电网中电网阻抗变化及电网电压前馈控制对并网逆变器的稳定性造成影响问题，已有相关文献进行研究，提出了相应的方案，但均存在一些缺陷。
(1)徐飞，汤雨和谷伟发表于《中国电机工程学报》第36卷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》，该文提出利用谐振前馈和谐波控制器结合的控制方法，衰减电网阻抗在谐振频率段的幅值响应，减少并网电流稳态误差。然而，该方法会大幅增加并网逆变器电流指令阶跃等动态过程中的超调量，恶化了并网系统的动态性能。
(2)孙建军，王毅和杨泽洲等发表于《中国电机工程学报》第38卷17期上的《考虑电压前馈影响的LCL并网逆变器改进WACC加权系数计算方法》，该文采用电网电压前馈环节与加权电流控制方法，通过反馈系数设置对零极点进行配置，使加权电流降阶特性不受电网阻抗变化的影响，提高系统在弱电网下的稳定性。但弱电网阻抗的增加会影响并网电流到指令电流控制的稳定裕度。
(3)邱晓明，王明渝和胡文翠发表于《电力系统保护与控制》第41卷10期上的《LLCL滤波的单相光伏并网逆变器控制技术研究》，该文采用网侧电流内环，电感、电容串联谐振支路电流内环的双闭环有源阻尼控制来抑制LLCL滤波器引起的谐振尖峰，为减小电网电压畸变或扰动对系统并网电流的影响而引入电网电压前馈控制，增强系统稳定性。但忽略了电网阻抗变化对系统稳定性的影响。
上述文献所提方案中，均未涉及兼顾适应电网阻抗变化及谐波谐振抑制的并网逆变器控制策略。虽然可以一定程度上可以改善并网电流质量，但弱电网情况下，随电网运行方式改变而时刻发生变化的电网阻抗是影响系统稳定性的主要因素。因此如何设计兼顾适应电网阻抗变化及谐波谐振抑制的LLCL滤波器成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供了一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法，此方法保留了传统电网电压前馈控制方法，消除电网电压产生畸变对并网电流的影响，引入电容电流反馈有效抑制了系统在谐振频率处的谐振峰，而且在弱电网条件，增强了系统对电网阻抗变化的适应性，降低了并网电流的谐波含量，同时提高了LLCL并网逆变器的稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：
一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法，主要包括三阶LLCL滤波器、电网电压前馈控制策略和电容电流反馈控制策略；
所述的三阶LLCL滤波器，由网侧电感、逆变器侧电感和附加电感与滤波电容串联支路组成，起到对串联谐振频率处的电流谐波进行衰减，谐振频率设置为开关频率，使得开关频率处的谐波流经滤波支路而不注入电网；
所述的电网电压前馈控制策略，基于加权电流控制策略，消除了电网电压产生畸变时对并网电流的影响，提高电网的抗干扰性能；
所述的电容电流反馈控制策略，结合电网电压前馈控制策略，根据三阶LLCL滤波器的数学模型得出其传递函数，由其幅频特性确定出电容电流反馈系数Kc，其主要包括如下步骤：
S1：根据三阶LLCL滤波器的数学模型得出输出电流和并网电流相对于逆变器输出电压的传递函数G1(s)和G2(s)；
S2：根据电网电压前馈控制策略得出电网电压前馈控制策略的系统开环传递函数为G3(s)；
S3：在电网电压前馈控制策略的基础上引入电容电流反馈控制策略，得出引入电容电流反馈后系统开环传递函数G4(s)；
S4：根据传递函数G2(s)、G3(s)、G4(s)分别得出各个环节的频率特性伯德图，并对所得结果进行分析对比，确定电容电流反馈控制策略的引入对LLCL并网逆变器稳定性的影响。
所述步骤S1中，根据三阶LLCL滤波器的数学模型，可得出所述逆变器输出电流i1和并网电流i2分别相对于逆变器输出电压Uinv的传递函数G1(s)和G2(s)为：
所述步骤S2中，电流外环比例谐振控制器：
式中：Kp为比例增益系数，Kr为积分增益系数，ω0＝2πf0为基波角频率，ωc为带宽；
所述电网电压前馈控制策略的系统开环传递函数G3(s)为：
所述步骤S3中，引入电容电流反馈后系统开环传递函数G4(s)为：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明不仅保留了电网电压前馈控制消除畸变电压影响并网电流的能力，而且增强了并网逆变器在弱电网条件下的抗干扰性，改善了并网逆变器并网电流质量；
(2)本发明通过电容电流反馈的引入，对电容电流反馈系数的选取，消除了LLCL型逆变器本身固有的谐振尖峰，使并网逆变器对电网阻抗的变化具有一定的适应性，增强了系统的稳定性。
附图说明
图1附图为本发明提供的三相LLCL并网逆变器主电路图；
图2附图为LLCL滤波器数学模型框图；
图3附图为LLCL滤波器传递函数伯德图；
图4附图为电网阻抗变化对系统稳定性影响伯德图；
图5附图为LLCL型并网逆变器控制框图；
图6附图为LLCL逆变器开环传递函数伯德图；
图7附图为电网电压前馈控制下并网电流仿真波形及其FFT分析图，其中，图7(a)为并网电流仿真波形，图7(b)为并网电流FFT分析图；
图8附图为电网电压前馈控制下电网阻抗变化时并网电流仿真波形；
图9附图为加入电容电流反馈控制下并网电流仿真波形及其FFT分析图，其中，图9(a)为并网电流仿真波形，图9(b)为并网电流FFT分析图；
图10附图为加入电容电流反馈控制下电网阻抗变化时并网电流仿真波形及其FFT分析图，其中，图10(a)为并网电流仿真波形，图10(b)为并网电流FFT分析图；
图11附图为电网电压前馈控制下并网电流波形；
图12附图为加入电容电流反馈控制下并网电流波形。
附图及文中涉及的符号及标号说明：
Udc—并网逆变器直流侧电源；Cdc—直流滤波电容；idc—直流侧电流；T1、T2、T3、T4、T5、T6—功率开关管；i1—逆变侧输出电流；L1—逆变侧电感；ic—流经滤波器电容支路电流；C—滤波电容；Lf—电容支路附加电感；L2—网侧电感；i2—公共耦合点PCC处的并网电流；UPCC—公共耦合点PCC处的并网电压；Zg—电网阻抗；e—电网理想电源；GPR(s)—电流外环比例谐振控制器；KPWM—PWM调制环节；Gf(s)—电网电压前馈控制系数；α、β—逆变器输出电流i1和电网电流i2反馈系数；Kc—电容电流反馈比例控制器；K—电流内环比例系数。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本发明的技术方案：
实施例1
图2为LLCL滤波器数学模型，由图得逆变器输出电流i1和并网电流i2分别相对于逆变器输出电压Uinv的传递函数G1(s)和G2(s)为：
由传递函数G2(s)可得其频率特性伯德图，如图3所示。所述LLCL滤波器系统为三阶系统，在高频段具有很好的衰减能力，但在谐振频率处易发生谐振出现谐振尖峰情况，且增益在0dB值之上，影响输出电流和系统的正常工作。在一组电网阻抗Lg变化情况下，分析电网阻抗对系统稳定性的影响，仿真得到传递函数G2(s)频率特性伯德图如图4所示。从图4可以看出，随着电网阻抗Lg的增大，谐振频率将向低频段移动,幅值增益下降，系统带宽也进一步减小，系统会越来越不稳定。
本发明提出一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法，控制框图如图5所示。如图中虚线框所示，电网电压前馈控制策略是在加权电流控制策略的基础上增加一条电压前馈通道，采用电网电压前馈策略有效抑制电网电压的干扰，但同样也会对并网电流造成影响。为有效抑制谐振峰值，降低并网电流谐波含量，对电网电压前馈控制策略进行改进，在电网电压前馈控制策略的基础上引入电容电流反馈。
电流外环比例谐振控制器：
式中：Kp为比例增益系数，Kr为积分增益系数，ω0＝2πf0为基波角频率，ωc为带宽。
所述电网电压前馈控制策略的系统开环传递函数为：
引入电容电流反馈后系统开环传递函数为：
由式(7)和式(8)的传递函数得频率特性伯德图如图6所示。当Kc＝0，即采用电网电压前馈控制策略下开环传递函数伯德图，从图6看出，采用电网电压前馈控制策略系统仍发生谐振存在谐振峰，谐振峰值比较大。当引入电容电流反馈后,系统传递函数分母出现二次项，且随着反馈系数Kc的增大，谐振峰被有效抑制。
以下结合仿真和具体实验来验证本发明提供的控制方法的正确性。
为了验证所提控制方法的正确性，采用Matlab/Simulink仿真软件搭建3kW LLCL型并网逆变器并网仿真平台进行仿真，仿真参数如表1所示。
表1并网逆变器额定参数和控制参数
通过仿真分析并网电流总谐波畸变率(The Total Harmonic Distortion Rate，THD)，对比分析和验证所提控制策略的谐振抑制效果。图7所示为仅采用电网电压前馈控制策略下并网电流的输出波形及其频谱分析，从图中可以看出，仅采用电网电压前馈控制策略并网电流的THD为10.77％。仿真结果显示该策略仍需进一步改进以降低谐波含量。图8所示为当电网阻抗发生变化时并网电流的波形，可以看出，随着电网电感值的增大，逆变器并网电流波形发生畸变，谐波含量增大。本发明所提引入电容电流反馈后并网电流仿真波形及其频谱分析如图9所示，可以看出，考虑电网阻抗变化以及谐振峰所提出的加入电容电流反馈环节的电流控制策略较电网电压控制策略可以很大程度上减少了并网电流谐波含量，总谐波畸变THD为2.10％。图10为引入电容电流反馈后电网电感发生变化时仿真结果，引入电容电流反馈后，电网阻抗的变化对并网电流造成影响不大，总谐波含量为2.38％，并网逆变器的稳定性有所提高。
为了进一步验证上述所提改进控制策略的有效性，搭建了一套基于dsPACE1007控制器和3kW并网逆变器的半实物仿真实验平台，其中dsPACE采样频率为10kHz，仿真参数与实验参数一致。实验分别以加入电容电流反馈和仅采用电网电压前馈型方法进行分析对比。图11为仅电网电压前馈控制策略下入网电流的实验波形，从图中可以看出并网电流谐波含量高，波形产生畸变，THD为10.82％。图12为考虑谐振峰及电网阻抗变化，基于电网电压前馈，引入电容电流反馈控制策略下并网电流波形，THD为2.44％，与前者相比，很大程度上降低了并网电流的谐波含量，改善并网电流并网质量。
综上所述，本发明首先建立了LLCL并网逆变器的数学模型，分析其存在的谐振尖峰以及电网阻抗变化对系统稳定性的影响。在电网电压前馈控制方法的基础上引入电容电流反馈控制，通过对电容电流反馈系数的设置，可达到对谐振尖峰的有效抑制及增强了系统对电网阻抗变化的适应性。最后进行了试验和仿真验证，仿真和实验验证了相关理论分析和所提控制策略的正确性和有效性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法，其特征在于：主要包括三阶LLCL滤波器、电网电压前馈控制策略和电容电流反馈控制策略；
所述的三阶LLCL滤波器，由网侧电感、逆变器侧电感和附加电感与滤波电容串联支路组成，起到对串联谐振频率处的电流谐波进行衰减；
所述的电网电压前馈控制策略，基于加权电流控制策略，消除了电网电压产生畸变时对并网电流的影响，提高电网的抗干扰性能；
所述的电容电流反馈控制策略，结合电网电压前馈控制策略，根据三阶LLCL滤波器的数学模型得出其传递函数，由其幅频特性确定出电容电流反馈系数Kc，其主要包括如下步骤：
S1：根据三阶LLCL滤波器的数学模型得出输出电流和并网电流相对于逆变器输出电压的传递函数G1(s)和G2(s)；
S2：根据电网电压前馈控制策略得出电网电压前馈控制策略的系统开环传递函数为G3(s)；
S3：在电网电压前馈控制策略的基础上引入电容电流反馈控制策略，得出引入电容电流反馈后系统开环传递函数G4(s)；
S4：根据传递函数G2(s)、G3(s)、G4(s)分别得出各个环节的频率特性伯德图，并对所得结果进行分析对比，确定电容电流反馈控制策略的引入对LLCL并网逆变器稳定性的影响。
2.根据权利要求1所述的一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤S1中，根据三阶LLCL滤波器的数学模型，可得出所述逆变器输出电流i1和并网电流i2分别相对于逆变器输出电压Uinv的传递函数G1(s)和G2(s)为：
3.根据权利要求1所述的一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤S2中，电流外环比例谐振控制器：
式中：Kp为比例增益系数，Kr为积分增益系数，ω0＝2πf0为基波角频率，ωc为带宽；
所述电网电压前馈控制策略的系统开环传递函数G3(s)为：
4.根据权利要求1所述的一种适应电网阻抗变化的LLCL并网逆变器谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤S3中，引入电容电流反馈后系统开环传递函数G4(s)为：
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