CN111786407B - 基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法 - Google Patents

基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法，当逆变器并网运行时，由于电网的频率突变使逆变器输出畸变使谐波失真继而出现电流震荡的情况，在此种情况下，系统的不稳定性会对用电设备、逆变器模块本身产生很大影响，为了满足市场需求，实现电网频率在更宽范围(45Hz‑55Hz)内突变，逆变器系统具有良好稳定性，本发明在考虑了电网频率突变的前提下，提出了宽范围频率自适应控制(Frequency Adaptive)策略，以实现系统稳定运行。

Description

基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法
技术领域
本发明属于电气控制领域，尤指一种基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法。
背景技术
随着传统化石能源的日益枯竭，光伏发电、风力发电等新能源发电系统异军突起，成为近年来研究的热点。新能源发电系统通常经逆变器接口实现并网运行，为提高逆变器入网电流的电流质量和系统稳定性，根据不同电网状态及电网频率突变情况，合理设计逆变系统控制方案具有重要的意义。
单相并网逆变器使用电流环控制方式，对于电网频率突变的情况，国内外学者有过深入研究，但是通常情况下，电网频率在49.5Hz-50.5Hz之间变化，保持45Hz-55Hz之间宽范围的电网频率变化，很少有人涉及。
大部分学者使用重复控制对电网频率自适应，如：2020年李伟峰等人在《电力系统保护与控制》上发表的：“新型频率自适应复合重复控制及并网逆变器应用”及2017年陈磊等发表的“LCL型并网逆变器新型频率自适应重复控制方法”均使用了重复控制，而这种方法通常会使控制系统性能下降，因为取值参数精度限制，使重复控制内模的谐振频率偏离电网基波和谐波频率的实际值，同时控制复杂且大大增大程序内存，需要内模滤波器提高鲁棒性，一般使用低通滤波器或低通滤波器和陷波滤波器的合成、抑或巴特沃斯滤波器抑制高频谐波，且用巴特沃斯滤波器一般使用2阶以上，由于使用了滤波器对相位的影响，需要额外设计相位超前补偿器来补偿低通滤波器引起的相位滞后等问题。
发明内容
综合考虑以上问题，本发明在考虑了更宽的电网频率(45Hz-55Hz)波动范围的前提下，使用了简单的二阶低通滤波器，巧妙的运用了二阶低通滤波器本身具有滤波功能及相位延时，避免使用二阶低通滤波器后的相位补偿环节，同时使形成的β坐标系具有不受外界电网谐波的影响，避免q轴锁相后将电网谐波影响到锁相后的相角，只是用了查表与曲线拟合相结合的方式，提高精度，将β坐标系准确拟合，有效解决了电网频率突变引发的输出电流震荡问题，真正意义上实现频率自适应。
1.1并网逆变器阻抗建模
根据图1中，通过对电网电压Vpcc采样后锁相处理,锁相环采用传统的PLL，使用拟合的β坐标系，进行dq变换后，以0为基准q轴值为采样进行闭环，得到电网角频率wt，而后使用获得的角频率wt对输出电流采样i2进行αβ--dq变换，将d轴电流采样i2d与电流基准i2 *作比较，将q轴电流采样i2q与电流基准0作比较，分别经过比例积分调节器(PI调节)后将PI调节后输出作为电容电流ic内环基准，对电容电流采样做dq变换后得到icd、icq，分别与电容电流内环基准作比较进行比例(P)调节，最后进行dq--αβ反变换后，与PWM比较后形成占空比驱动开关管，整个过程实现了输出电流外环电容电流内环的闭环处理，内环使用电容电流内环的有源阻尼方案目的是：增大逆变器阻尼。
将电网电流外环电容电流内环双闭环环路进行模型化处理，构建并网逆变器小信号模型，可以推导出开环传递函数T、闭环传递函数GCL及闭环输出导纳YCL如公式1、2、3所示：
Figure GDA0003354727410000021
Figure GDA0003354727410000031
Figure GDA0003354727410000032
其中
Figure GDA0003354727410000033
i2为输出电流，i2 *为输出电流基准，Vpcc为电网公共耦合点电压，逆变器电压为VM，使用PI调节器Gc(s)进行电流环控制，Gd(s)为逆变器增益，K是电容电流内环的有源阻尼，ZL1、ZCf、ZL2分别为LCL滤波器逆变器侧电感L1及其寄生电阻R1的电抗、电容Cf及其寄生电阻Rd的电抗、电网侧电感L2及其寄生电阻R2的电抗。
具体模型整体循环描述如下：过程与图1一致，电流基准i2 *与输出电流采样i2做比较，经过PI调节器Gc(s)得到逆变器电压VM，与电容电流i c经过比例(P)调节器(参数为K)后的数值求差后，经过逆变器增益后得到逆变器侧电感L1其寄生电阻R1的电压，与电网侧电感L2及其寄生电阻R2电压求差后，得到电容Cf及其寄生电阻Rd的电抗的电压值，此电压值与电网公共耦合点电压Vpcc求差后，得到电网侧电感L2及其寄生电阻R2电压，然后经过电网侧电感L2及其寄生电阻R2获得输出电流i2。
对并网系统进行稳定性分析，电流环开环T的频率响应如图3所示，电流环开环T稳定，则闭环系统在右半平面没有零极点。
上述可以看出，在理想情况下，系统稳定，然而，非理想情况下，若电网存在谐波，则VPCC会因为电网谐波的影响，引入谐波，导致锁相环引入谐波，从而引发新的谐波扰动，导致输出电流震荡问题、系统不稳定问题，因此传统的锁相环方式不能够满足需求，需要一种能够滤波且稳定性强的锁相方式，而研究锁相方式首要的任务是β坐标系拟合，因此β坐标系拟合成为研究的重点。
1.2单相逆变器β坐标系拟合
本发明以单相并网逆变器为例，在单相逆变器中，我们认为电网采样是α轴，此时需要拟合一个与α轴相差90°的β坐标系，通常这个β坐标系以全通滤波器来拟合，全通滤波器的传递函数如公式4所示，其中ω0为电网实际角频率。
Figure GDA0003354727410000041
使用全通滤波器后，β轴能够实现与α轴相差90°的效果，仿真图如图4所示。
若处于弱电网状态，谐波含量较大，使用全通滤波形成的β轴，就会因为α轴的谐波而产生相应的谐波，不能够有效的抑制电网产生的干扰，而β轴的谐波直接影响系统的角频率，从而导致系统震荡问题。
基于上述因素，需要对电网谐波进行处理，在β轴形成后进行滤波处理后又会引入新的相角延时，就会需要人为的加入相角补偿环节，增大了工作量，使程序编写复杂度高，内存占用量大。因此在β轴形成过程中加入合适的滤波环节，该滤波环节不仅能够实现滤波功能避免电网谐波的引入，也能够实现相移功能实现与α轴的相角差。其中二阶低通滤波器如公式5所示：
Figure GDA0003354727410000042
对所选的二阶低通滤波与全通滤波器进行Bode图比较，发现二阶低通滤波器的幅值特性在高频域内以40dB/dec衰减，这也是能够有效抑制高频谐振的原因,同时实现与β相移90°的结果，如图5所示。
在在电网质量良好情况下，使用二阶低通滤波器与使用全通滤波器后，形成β坐标系的仿真波形分别如图6所示。可以看出，在电网质量良好的情况下，无论是二阶低通滤波器还是全通滤波器，均能形成完美的β坐标系。
在电网质量恶劣的情况下，人为模拟给电网加入谐波，比较带通滤波器和二阶低通滤波器形成的β坐标轴的仿真图形，如图7所示。可以看出，二阶低通滤波器即使在电网谐波很大的情况下，依旧能够准确模拟出β坐标系，不受谐波干扰，而全通滤波器则不然，已经导致β坐标系的严重畸变。
上述可以看出，使用二阶低通滤波器拟合β坐标轴，明显优于全通滤波器，但是针对不同的电网频率二阶低通滤波器的系数不同，如何确定准确的系数成为研究的难点。
1.3β坐标系拟合方式选择
在45Hz-55Hz的宽频率的电网波动情况下，需要实现针对不同电网频率下的β轴拟合，而拟合后二阶低通滤波器的参数会相应的发生变化，对二阶低通滤波器进行离散化处理可得公式6。
Figure GDA0003354727410000051
其中k＝1.4,ξ＝0.7,f0＝50HZ时可得：
Figure GDA0003354727410000052
针对不同频率下的参数，以0.1Hz为步进值，可进行曲线拟合，其中f为当前频率，曲线拟合后如公式8所示。
Figure GDA0003354727410000061
根据图8可以看出，拟合曲线的大部分点都在曲线上，b0和b2稍微有一点偏差，但是事实上即使有一个点有稍微的偏差，拟合出来的β轴就会与α轴的相角差不是90°，变相的改变了输出频率，输出电流波形就相应受到影响。由于曲线拟合取值精度的影响，该曲线拟合后的结果，即使在电网质量良好的情况下，也会使个别频率下输出电流畸变。
为解决上述问题，将曲线拟合变为精度更高的查表与曲线拟合相结合的方式，为避免细微的电网变化，引发β轴频繁误动作，以0.1Hz为步进，对不同b0与a2参数进行查表与曲线拟合相结合的方式处理,其中为了减少DSP-TMS320F28033中CLA浮点型运算内存的占用率，在整型运算区域内设定b0和a2的表格，b0扩大1012,a2扩大108。b0与a2表格如下：
b0[]＝{44415476,44612313,44809581,45007281,45205412,45403975,45602970,48023970,46002255,46202544,46403265,46604418,46806002,47008018,47210465,47413343,47616653,47820394,48024567,48229170,48434206,48639672,48845570,49051899,49258659,49465850,49673472,49881526,50090011,50298927,50508274,50718051,50928260,51138900,51349971,51561473,51773406,51985770,52198565,52411790,52625447,52839534,53054052,53269000,53484380,53700190,53916431,54133103,54350205,54567738,54785701,55004096,55222920,55442176,55661861,55881978,56102524,56323501,56544909,56766747,56989015,57211714,57434843,57658403,57882393,58106812,58331663,58556943,58782654,59008795,59235366,59462367,59689798,59917659,60145951,60374672,60603824,60833405,61063416,61293858,61524729,61756030,61987761,62219922,62452513,62685533,62918984,63152864,63387174,63621913,63857083,64092682,64328710,64565168,64802056,65039374,65277121,65515297,65753903,65992939,66232404}；
a2[]＝{98429124,98425661,98422198,98418735,98415272,98411809,98408347,98404884,98401422,98397960,98394498,98391036,98387574,98384113,98380651,98377190,98373728,98370267,98366806,98363345,98359884,98356424,98352963,98349503,98346042,98342582,98339122,98335662,98332202,98328743,98325283,98321824,98318364,98314905,98311446,98307987,98304528,98301069,98297611,98294152,98290694,98287236,98283778,98280320,98276862,98273404,98269946,98266489,98263031,98259574,98256117,98252660,98249203,98245746,98242290,98238833,98235377,98231920,98228464,98225008,98221552,98218096,98214641,98211185,98207730,98204274,98200819,98197364,98193909,98190454,98187000,98183545,98180091,98176636,98173182,98169728,98166274,98162820,98159367,98155913,98152459,98149006,98145553,98142100,98138647,98135194,98131741,98128289,98124836,98121384,98117931,98114479,98111027,98107575,98104124,98100672,98097220,98093769,98090318,98086867,98083416}；
值得注意的是，回到CLA中运算时，需要将b0缩小10-12,a2缩小10-8而b1＝2*b0曲线能够完全拟合参数b1不进行查表，a1＝1.9841643-0.0000352*n,其中n＝(int32)(f*100-4495)*0.1),n为整型，,f为当前频率,具体n与f的取值关系如表1所示。
表1频率与n取值关系
Figure GDA0003354727410000081
Figure GDA0003354727410000091
根据表2所给参数进行仿真验证。
表2并网逆变器系统参数
Figure GDA0003354727410000092
可以看出，若电网质量很差时，使用全通滤波器进行β坐标轴拟合，输出电流的谐波含量明显增大，系统不稳定如图9所示；而使用二阶低通滤波器进行β坐标轴拟合，能够输出稳定的电流波形如图10所示；
本申请：
1.以电流型逆变器系统为研究对象，考虑了电网频率在更宽范围(45Hz-55Hz)内突变对输出电流及谐波的影响，提出了宽范围频率自适应控制方法。
2.比较传统的全通滤波器与二阶低通滤波器的差异，通过分析两者谐波抑制能力，确定选择二阶低通滤波器实现β坐标系的拟合。
3.由于电网频率宽范围变化，拟合的二阶低通滤波器参数也随之变化，将二阶低通滤波器各个参数进行曲线拟合，比较了曲线拟合方案和表格方案的优劣，确定了将二阶低通滤波器各个参数进行列表，通过查表与曲线拟合相结合的方式进行β坐标系的拟合，这样的拟合方式能够解决曲线拟合方案受到曲线本身的精度限制，不具有可靠性和普及性的缺点，同时具备了减少谐波、减少能耗、防止输出畸变的可能。
4.使用软件控制方法，解决了电网频率突变的问题，同时时刻对电网进行锁相，实现电流的稳定输出，有效地提高了系统的电能质量。
附图说明
图1LCL型并网逆变器模型；
图2并网逆变器小信号模型；
图3电流环开环增益的频率响应；
图4使用全通滤波器后形成的β轴；
图5电网质量良好，使用二阶低通滤波器与全通滤波器形成的β轴
图6电网加入谐波，使用二阶低通滤波器与全通滤波器形成的β轴
图7全通滤波器与二阶低通滤波器Bode图比较
图8参数b0、a1、a2曲线拟合
图9使用全通滤波器进行β坐标轴拟合的仿真波形
图10使用二阶低通滤波器进行β坐标轴拟合的仿真波形
图11电网加入谐波、50Hz，用全通滤波器输出波形
图12电网加入谐波、50Hz，将二阶低通滤波器参数为拟合曲线，输出波形
图13电网加入谐波、45Hz，将二阶低通滤波器参数为拟合曲线，输出波形
图14电网加入谐波、55Hz，将二阶低通滤波器参数为拟合曲线，输出波形
图15电网加入谐波、45Hz，查表与曲线拟合相结合的方式获得二阶低通滤波器参数，输出波形
图16电网加入谐波、50Hz，查表与曲线拟合相结合的方式获得二阶低通滤波器参数，输出波形
图17电网加入谐波、55Hz，查表与曲线拟合相结合的方式获得二阶低通滤波器参数，输出波形
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
实验中，系统采用额定电压幅值为220V，频率为45Hz-55Hz，电网引入谐波，该条件下，电网频率为50Hz的情况下，使用全通滤波器输出波形如图11所示，明显看出，使用全通滤波器对电网谐波的抑制效果一般。
在50Hz的情况下，将二阶低通滤波器参数由固定数值改为拟合曲线，输出电流波形，如图12所示，可以看出，由于曲线拟合精度限制，50Hz情况下拟合参数与实际参数并非完全一致，从而导致输出畸变。同样状态下，以45Hz、55Hz实验，实验波形如图13、14所示。
将拟合曲线方式改为查表与曲线拟合相结合的方式，分别在45Hz、50Hz、55Hz情况下，进行实验，实验波形如图15、16、17所示。
通过实验结果可以看出，采用二阶低通滤波器的对电网谐波抑制效果明显比全通滤波器对电网谐波抑制效果好，同时，为了实现电网频率在45Hz-55Hz情况下，均能够实现很好地频率跟随，使用二阶低通滤波器时参数取值相应发生改变，使用查表与曲线拟合相结合的方式实时获得参数比曲线拟合参数的方法更优，不会因为曲线拟合对参数精度的限制而引发输出电流畸变。
当然，本发明亦存在一些不足之处：1、电网质量更加恶劣时，二阶低通滤波器的拟合β轴方法依然不能有效完全的抑制谐波，需要查找更有效的方法。2、本发明没有考虑电网阻抗的影响，在弱电网状态下，电网阻抗也是会成为电网谐波的影响因素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法，其特征在于：通过对电网电压采样后锁相处理，锁相环采用传统的PLL，使用拟合的β坐标系，进行dq变换后，以0为基准q轴值为采样进行闭环，得到电网角频率wt，而后使用获得的角频率wt对输出电流采样i2进行αβ--dq变换，将d轴电流采样i2d与电流基准i2 *作比较，将q轴电流采样i2q与电流基准0作比较，分别经过比例积分调节器(PI调节)后将PI调节后输出作为电容电流ic内环基准，对电容电流采样做dq变换后得到icd、icq，分别与电容电流内环基准作比较进行比例(P)调节，最后进行dq--αβ反变换后，最后与PWM比较后形成占空比驱动开关管，整个过程实现了输出电流外环电容电流内环的闭环处理，内环使用电容电流内环的有源阻尼方案目的是：增大逆变器阻尼；
将电网电流外环电容电流内环双闭环环路进行模型化处理，构建并网逆变器小信号模型，具体为：电流基准i2 *与输出电流采样i2做比较，经过PI调节器Gc(s)得到逆变器电压VM，与电容电流ic经过比例(P)调节器，参数为K，后的数值求差后，经过逆变器增益后得到逆变器侧电感L1其寄生电阻R1的电压，与电网侧电感L2及其寄生电阻R2电压求差后，得到电容Cf及其寄生电阻Rd的电抗的电压值，此电压值与电网公共耦合点电压Vpcc求差后，得到电网侧电感L2及其寄生电阻R2电压，然后经过电网侧电感L2及其寄生电阻R2获得输出电流i2；
可以推导出开环传递函数T、闭环传递函数GCL及闭环输出导纳YCL如公式1、2、3所示：
Figure FDA0003354727400000011
Figure FDA0003354727400000021
Figure FDA0003354727400000022
其中
Figure FDA0003354727400000023
为输出电流，i2 *为输出电流基准，Vpcc为电网公共耦合点电压，使用PI调节器Gc(s)进行电流环控制，Gd(s)为逆变器增益，K是电容电流内环的有源阻尼，ZL1、ZCf、ZL2分别为LCL滤波器逆变器侧电感L1及其寄生电阻R1的电抗、电容Cf及其寄生电阻Rd的电抗、电网侧电感L2及其寄生电阻R2的电抗；
若处于弱电网状态，对电网谐波进行处理，在β轴形成过程中加入滤波环节，该滤波环节不仅能够实现滤波功能避免电网谐波的引入，也能够实现相移功能实现与α轴的相角差，二阶低通滤波器如公式5所示：
Figure FDA0003354727400000024
在45Hz-55Hz的宽频率的电网波动情况下，对二阶低通滤波器进行离散化处理可得公式6
Figure FDA0003354727400000025
其中k＝1.4，ξ＝0.7，f0＝50HZ时可得：
Figure FDA0003354727400000026
针对不同频率下的参数，以0.1Hz为步进值，进行曲线拟合，曲线拟合后如公式8所示：
Figure FDA0003354727400000031
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征为：还包括使用单相并网逆变器，在单相逆变器中，我们认为电网采样是α轴，拟合一个与α轴相差90°的β坐标系，这个β坐标系以全通滤波器来拟合，全通滤波器的传递函数如公式4所示，其中ω0为电网实际角频率
Figure FDA0003354727400000032
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征为：将曲线拟合变为精度更高的查表与曲线拟合相结合的方式，为避免细微的电网变化，引发β轴频繁误动作，以0.1Hz为步进，对不同b0与a2参数进行查表与曲线拟合相结合的方式处理，其中为了减少DSP-TMS320F28033中CLA浮点型运算内存的占用率，在整型运算区域内设定b0和a2的表格，b0扩大1012，a2扩大108，b0与a2表格如下：
b0[]＝{44415476，44612313，44809581，45007281，45205412，45403975，45602970，48023970，46002255，46202544，46403265，46604418，46806002，47008018，47210465，47413343，47616653，47820394，48024567，48229170，48434206，48639672，48845570，49051899，49258659，49465850，49673472，49881526，50090011，50298927，50508274，50718051，50928260，51138900，51349971，51561473，51773406，51985770，52198565，52411790，52625447，52839534，53054052，53269000，53484380，53700190，53916431，54133103，54350205，54567738，54785701，55004096，55222920，55442176，55661861，55881978，56102524，56323501，56544909，56766747，56989015，57211714，57434843，57658403，57882393，58106812，58331663，58556943，58782654，59008795，59235366，59462367，59689798，59917659，60145951，60374672，60603824，60833405，61063416，61293858，61524729，61756030，61987761，62219922，62452513，62685533，62918984，63152864，63387174，63621913，63857083，64092682，64328710，64565168，64802056，65039374，65277121，65515297，65753903，65992939，66232404}；
a2[]＝{98429124，98425661，98422198，98418735，98415272，98411809，98408347，98404884，98401422，98397960，98394498，98391036，98387574，98384113，98380651，98377190，98373728，98370267，98366806，98363345，98359884，98356424，98352963，98349503，98346042，98342582，98339122，98335662，98332202，98328743，98325283，98321824，98318364，98314905，98311446，98307987，98304528，98301069，98297611，98294152，98290694，98287236，98283778，98280320，98276862，98273404，98269946，98266489，98263031，98259574，98256117，98252660，98249203，98245746，98242290，98238833，98235377，98231920，98228464，98225008，98221552，98218096，98214641，98211185，98207730，98204274，98200819，98197364，98193909，98190454，98187000，98183545，98180091，98176636，98173182，98169728，98166274，98162820，98159367，98155913，98152459，98149006，98145553，98142100，98138647，98135194，98131741，98128289，98124836，98121384，98117931，98114479，98111027，98107575，98104124，98100672，98097220，98093769，98090318，98086867，98083416}。
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