CN112134306A - 提高三相电压支撑型并网逆变器高频稳定性的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高三相电压支撑型并网逆变器高频稳定性的控制方法，方法步骤包括：检测电感电流iLx和电网电流igx，进行坐标变换，并经过电感电流反馈函数Gi和电网电流前馈函数Gf得到反馈信号iLmf和前馈信号igmf；检测电容电压vox并进行坐标变换得到电压信号vom；功率同步控制器根据有功功率P、无功功率Q及其指令，计算得到输出电压控制器指令vom_ref；根据vom和vom_ref，计算得到误差信号e1m；控制器对e1m进行闭环处理，得到电感电流反馈信号iLmf的指令iLmf_ref；误差信号e2m＝iLmf_ref－iLmf－igmf；利用e2m，生成逆变桥开关管的PWM控制信号。本发明可以将并网逆变器输出阻抗的正阻特性频段扩展至整个控制频率范围，从而保证并网逆变器在各种电网工况下均能可靠、稳定运行。

Description

提高三相电压支撑型并网逆变器高频稳定性的控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器控制领域，更具体地，涉及一种提高三相电压支撑型并网逆变器高频稳定性的控制方法。
背景技术
在分布式并网发电系统中，并网逆变器作为可再生能源发电单元与电网之间的能量变换接口，起着将直流电能转化为高质量的交流电能并馈入电网的作用。并网逆变器的稳定、安全和经济运行对整个分布式发电系统具有重要的意义。并网逆变器稳定运行的基本前提是具有稳定的电网提供电压参考。但随着可再生能源渗透率的不断提高，电力系统的电力电子化特征日趋明显，“稳定的电网”这一前提可能不再满足。为了确保可靠的电能供应，并网逆变器需要对电网的电压和频率具有一定的支撑能力，该支撑作用的实现则需要将并网逆变器控制为电压源。这类并网逆变器也被称为电压支撑型并网逆变器。电压支撑型并网逆变器的控制策略分为单环控制和双环控制两种。其中，前者通过直接控制滤波电容电压来达到控制要求，而后者则在单环控制的基础上增加滤波电感电流内环来实现控制目标。对于双环控制，电感电流比例内环可以等效为一个与滤波电感串联的虚拟电阻，从而有效阻尼LC滤波器的谐振峰，因此，在实际应用中更受人们的青睐。然而，当采用数字控制时，由于控制延时的影响，电感电流内环不再等效为纯虚拟电阻，而是一个随频率变化的虚拟阻抗。该等效虚拟阻抗中的虚拟电阻在高频段为负阻，进而导致并网逆变器的输出阻抗在高频也呈现负阻特性。在电压支撑型并网逆变器接入电网时，该负阻特性容易引发高频振荡，甚至导致系统不稳定。针对该问题，已有学者提出改进方法，但也仅能保证并网逆变器在电网阻抗小范围变化时稳定运行。随着分布式电源并网功率等级的增加以及接入位置的广泛分布，并网逆变器与电网交界处的电网阻抗变得越来越复杂。如果不采取有效的措施确保并网逆变器在各种电网条件下的稳定运行，势必会限制分布式发电系统的进一步发展和应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种提高三相电压支撑型并网逆变器高频稳定性的控制方法，旨在解决电压支撑型并网逆变器在复杂电网条件下难以可靠、稳定运行的技术问题。
本发明提供的一种提高三相电压支撑型并网逆变器高频稳定性的控制方法，包括以下步骤：
(1)检测滤波电感电流iLx和电网电流igx，采集并进行坐标变换得到αβ坐标系下的滤波电感电流iLm和电网电流igm，滤波电感电流iLm和电网电流igm分别经过滤波电感电流反馈函数Gi和电网电流前馈函数Gf得到滤波电感电流反馈信号iLmf和电网电流前馈信号igmf；检测滤波电容电压vox，采集并进行坐标变换得到αβ坐标系下的滤波电容电压vom。其中，下标x表示a、b、c，m表示α、β。
(2)根据αβ坐标系下的滤波电容电压vom和电网电流igm，利用瞬时功率计算公式(式I和式II)计算出并网逆变器输出的有功功率P和无功功率Q。
P＝voαigα+voβigβ (式I)
Q＝voβigα－voαigβ (式II)
(3)根据有功功率P、无功功率Q以及控制器指令(包括有功功率指令P0、无功功率指令Q0、输出电压角频率指令ω0和输出电压幅值指令V0)，得到输出电压控制器指令的幅值V和相角θ。
(4)根据幅值V和相角θ，利用电压参考计算公式(式III和式IV)得到输出电压控制器指令值voα_ref和voβ_ref。
voα_ref＝Vcosθ (式III)
voβ_ref＝Vsinθ (式IV)
(5)根据αβ坐标系下的滤波电容电压vom及其指令值vom_ref，利用式V计算得到滤波电容电压的误差信号e1m。
e1m＝vom_ref－vom (式V)
(6)输出电压控制器对误差信号e1m进行闭环处理，得到滤波电感电流反馈信号iLmf的指令iLmf_ref，并利用式VI计算滤波电感电流的误差信号e2m。
e2m＝iLmf_ref－iLmf－igmf (式VI)
(7)误差信号e2m经PWM调制，生成三相逆变桥开关管S1～S6的PWM控制信号
本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有一个或者多个程序，可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述的方法的步骤。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明所提供的上述控制方法通过将包含电网电流信息的物理量按一定的补偿函数关系前馈至控制器中，可以将并网逆变器输出阻抗的正阻特性频段扩展至整个控制频率范围，使得电压支撑型并网逆变器在各种电网工况下(如感性电网、容性电网和多个逆变器同时并入交流母线等)均能够可靠、稳定运行，从而实现并网逆变器在电网中的即插即用。
附图说明
图1是现有三相电压支撑型并网逆变器的结构实现示意图；
图2是本发明提供的控制方法的一种具体实施方式流程图；
图3是采用图2所示控制方法的三相电压支撑型并网逆变器的结构实现示意图；
图4是图3所示的三相电压支撑型并网逆变器中输出电压控制器的方框图；
图5是三相电压支撑型并网逆变器分别采用常规控制方法和本发明提供的控制方法的输出电压vo仿真波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为三相电压支撑型并网逆变器的结构图。电压支撑型并网逆变器包括直流电源1、三相逆变桥2、LC滤波器3、公共电网4和控制器5。其中，三相逆变桥2由开关管S1～S6及其续流二极管组成；LC滤波器3由滤波电感Lf和滤波电容Cf组成；公共电网4由三相电压源vg和等效电网阻抗Zg组成；控制器5由功率同步控制器6和输出电压控制器7组成。
在图1的结构中，常规控制方法是向控制器5输入指令(包括有功功率指令P0、无功功率指令Q0、逆变器输出电压角频率指令ω0及其幅值指令V0)以及流过滤波电感Lf的电感电流iL、流过公共电网的电网电流ig和滤波电容Cf上的输出电压vo。控制器5首先将采样得到的三相电流和电压进行坐标变换(由abc坐标系变换到αβ坐标系)，并根据瞬时功率理论得到并网逆变器输出的有功功率P和无功功率Q，然后通过功率同步控制器6得到输出电压控制器7指令值，最后再经过输出电压控制器7实现对该指令值的跟踪，从而起到电压支撑的作用。
上述控制器5仅能保证并网逆变器在电网阻抗小范围变化时稳定运行。
如图2所示，本发明所提供的控制方法包括以下步骤：
(1)检测滤波电感电流iLx和电网电流igx，采集并进行坐标变换得到αβ坐标系下的滤波电感电流iLm和电网电流igm，滤波电感电流iLm和电网电流igm分别经过滤波电感电流反馈函数Gi和电网电流前馈函数Gf得到滤波电感电流反馈信号iLmf和电网电流前馈信号igmf；检测滤波电容电压vox，采集并进行坐标变换得到αβ坐标系下的滤波电容电压vom。其中，下标x表示a、b、c，m表示α、β。
(2)根据αβ坐标系下的滤波电容电压vom和电网电流igm，利用瞬时功率计算公式(式I和式II)计算出并网逆变器输出的有功功率P和无功功率Q。
P＝voαigα+voβigβ (式I)
Q＝voβigα－voαigβ (式II)
(3)功率同步控制器根据有功功率P、无功功率Q以及控制器指令(包括有功功率指令P0、无功功率指令Q0、输出电压角频率指令ω0和输出电压幅值指令V0)，得到输出电压控制器指令的幅值V和相角θ。
(4)根据幅值V和相角θ，利用电压参考计算公式(式III和式IV)得到输出电压控制器指令值voα_ref和voβ_ref。
voα_ref＝Vcosθ (式III)
voβ_ref＝Vsinθ (式IV)
(5)根据αβ坐标系下的滤波电容电压vom及其指令值vom_ref，利用式V计算得到滤波电容电压的误差信号e1m。
e1m＝vom_ref－vom (式V)
(6)输出电压控制器对误差信号e1m进行闭环处理，得到滤波电感电流反馈信号iLmf的指令iLmf_ref，并利用式VI计算滤波电感电流的误差信号e2m。
e2m＝iLmf_ref－iLmf－igmf (式VI)
(7)误差信号e2m经PWM调制，生成三相逆变桥开关管S1～S6的PWM控制信号。如图3所示，上述控制方法将常规输出电压控制器7中滤波电感电流反馈系数Hi改为比例-微分控制器Gi，同时在输出电压控制器7中增加了电网电流前馈控制器Gf。
图4是图3所示的三相电压支撑型并网逆变器输出电压控制部分方框图。其中，Gv为误差调节器，采用比例-谐振控制器；Gi为滤波电感电流反馈控制器，采用比例-微分控制器(控制器参数为正)；Gf为电网电流前馈控制器，采用比例-微分控制器(控制器参数为负)；z-1和零阶保持器ZOH分别代表采用数字控制时带来的1拍计算延时和0.5拍调制延时；KPWM为三相逆变桥2的增益。
下面，结合图3和图4对本发明的实施方案进行说明。
(1)将利用滤波电容电压vom和电网电流igm计算出的并网逆变器输出有功功率P和无功功率Q以及所需功率同步控制器指令送入功率同步控制器6并结合电压参考计算公式得到输出电压控制器的电压指令值vom_ref。
(2)检测得到的滤波电容电压vom与其指令值vom_ref相减后送入调节器Gv，其输出信号作为滤波电感电流的指令值。该指令值与滤波电感电流经过滤波电感电流反馈控制器Gi后的反馈信号iLmf相减，相减后所得信号与电网电流经过电网电流前馈控制器Gf后的前馈信号igmf相加，得到决定占空比的调制信号。
(3)将调制信号送入PWM调制器中，生成各开关管的PWM控制信号。
最后，通过MATLAB/Simulink仿真三相电压支撑型并网逆变器的运行，在某种电网工况(电网阻抗呈纯感性，电感量为2mH)下，分别采用常规控制方法和本发明所提出的稳定性控制方法以验证本发明所提出控制方法的有效性。t<5ms时，采用现有的常规控制方法；当t≥5ms时，采用本发明所提出的高频稳定性控制方法，得到如图5所示的结果对比图。从图中可以看出，在该电网工况下，采用常规控制方法无法保证并网逆变器稳定，而当t＝5ms由常规控制方法切换至本发明提出的控制方法后，并网逆变器输出电压vo由不稳定逐渐趋于稳定。显然，本发明提供的稳定性控制方法能够使得电压支撑型并网逆变器在各种电网工况下可靠、稳定运行，从而实现并网逆变器在电网中即插即用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高三相电压支撑型并网逆变器高频稳定性的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)检测滤波电感电流iLx和电网电流igx，采集并进行坐标变换得到αβ坐标系下的滤波电感电流iLm和电网电流igm，滤波电感电流iLm和电网电流igm分别经过滤波电感电流反馈函数Gi和电网电流前馈函数Gf得到滤波电感电流反馈信号iLmf和电网电流前馈信号igmf；检测滤波电容电压vox，采集并进行坐标变换得到αβ坐标系下的滤波电容电压vom；其中，下标x表示a、b、c，m表示α、β；
(2)根据αβ坐标系下的滤波电容电压vom和电网电流igm，计算并网逆变器输出的有功功率P和无功功率Q；
(3)根据有功功率P、无功功率Q以及控制器指令，得到输出电压控制器指令的幅值V和相角θ；
(4)根据幅值V和相角θ，得到输出电压控制器指令值vom_ref；
(5)根据αβ坐标系下的滤波电容电压vom及其指令值vom_ref，计算得到滤波电容电压的误差信号e1m；
(6)输出电压控制器对误差信号e1m进行闭环处理，得到滤波电感电流反馈信号iLmf的指令iLmf_ref，并计算滤波电感电流的误差信号e2m；
(7)误差信号e2m经PWM调制，生成三相逆变桥开关管S1～S6的PWM控制信号。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(2)中有功功率P和无功功率Q的计算公式为：
P＝voαigα+voβigβ
Q＝voβigα－voαigβ
其中，vom为αβ坐标系下的滤波电容电压，igm为αβ坐标系下的电网电流，m表示α、β。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)中所述控制器指令包括有功功率指令P0、无功功率指令Q0、输出电压角频率指令ω0和输出电压幅值指令V0。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(4)中电压指令值voα_ref和voβ_ref的计算公式为：
voα_ref＝Vcosθ
voβ_ref＝Vsinθ
其中，V为幅值，θ为相角。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(5)中误差信号e1m的计算公式为：
e1m＝vom_ref－vom
其中，vom为滤波电容电压，vom_ref为滤波电容电压的指令值。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(6)中误差信号e2m的计算公式为：
e2m＝iLmf_ref－iLmf－igmf
其中，igmf为电网电流前馈信号，iLmf为滤波电感电流反馈信号，iLmf_ref为滤波电感电流反馈信号的指令。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1至6任一项所述的方法的步骤。
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