CN112260311B - 应用于lcl逆变器的弱电网优化控制方法、计算机设备 - Google Patents

应用于lcl逆变器的弱电网优化控制方法、计算机设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种LCL逆变器的弱电网优化控制方法、计算机设备以及存储介质。其中，LCL逆变器的弱电网优化控制方法，包括：获取LCL逆变器的电容电流；获取LCL逆变器的并网电流；获取电网的电网电压，电网电压存在谐波干扰；根据电容电流、并网电流以及电网电压，进行准比例谐振运算，获取反馈信号；根据电网电压，获取前馈信号；根据反馈信号以及前馈信号，获取LCL逆变器的驱动电压。本申请在相同的弱电网环境下，并网系统可有效降低电网谐波干扰。

Description

应用于LCL逆变器的弱电网优化控制方法、计算机设备
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及应用于LCL逆变器的弱电网优化控制方法、计算机设备以及存储介质。
背景技术
随着电力电子设备的迅速发展和装机量增大，公用电网的谐波污染日趋严重。在工业区常造成局部弱电网现象(工业区由于电网容量不足，感性设备和电力电子设备增多，电网表现出频率偏移、感性阻抗和高谐波含量的弱特性)，由谐波引起的各种事故也不断发生。以磁性元件为例，谐波敏感性强，磁滞及涡流损耗造成温升，变压器振动产生啸叫噪声，从而加速元器件绝缘老化。
因此，能馈并网系统需要输出高功率因数、低谐波的电流，能抵抗弱电网畸变干扰，维护能馈并网系统的稳定性和鲁棒性，保护电力系统及用电负载。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够有效降低电网谐波干扰的应用于LCL逆变器的弱电网优化控制方法、计算机设备以及存储介质。
一种应用于LCL逆变器的弱电网优化控制方法，包括：
获取所述LCL逆变器的电容电流；
获取所述LCL逆变器的并网电流；
获取所述电网的电网电压，所述电网电压存在谐波干扰；
根据所述电容电流、所述并网电流以及所述电网电压，进行准比例谐振运算，获取反馈信号；
根据所述电网电压，获取所述前馈信号；
根据所述反馈信号以及所述前馈信号，获取所述LCL逆变器的驱动电压。
在其中一个实施例中，所述LCL逆变器的电容形成无源阻尼电路。
在其中一个实施例中，所述获取所述LCL逆变器的电容电流，包括：
通过复域计算方式，获取所述电容电流。
在其中一个实施例中，所述获取所述LCL逆变器的并网电流，包括：
通过电流传感器采样，获取所述并网电流。
在其中一个实施例中，所述根据所述电容电流、所述并网电流以及所述电网电压，获取反馈信号，包括：
获取与所述电网电压同频同相的参考电流；
获取所述并网电流与所述电容电流的差值电流；
将所述参考电流与所述差值电流相互运算，且将运算结果经过准比例谐振运算，获取所述反馈信号。
在其中一个实施例中，所述根据所述反馈信号以及所述前馈信号，获取驱动电压，包括：
将所述反馈信号与所述前馈信号相互运算，获取准驱动信号；
将所述准驱动信号进行转化运算；
根据所述转化运算结果，获取驱动电压。
在其中一个实施例中，所述转化运算包括逆变全桥比例延时运算以及极性倍频运算。
在其中一个实施例中，所述逆变全桥比例延时运算的延时环节为1.5个周期。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
上述LCL逆变器的弱电网优化控制方法、计算机设备以及存储介质，通过将反馈信号与前馈信号结合，构建了环路前馈-反馈信号流。据此，可以获取驱动LCL逆变器的驱动电压。本申请实现了前馈-反馈复合控制，进而有利于实现电网电压全前馈方案。因此，在相同的弱电网环境下，并网系统可有效降低电网谐波干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中LCL逆变器的弱电网优化控制方法流程示意图；
图2为一个实施例中前馈-反馈复合控制信号图；
图3为一个实施例中电容并联电阻的无源阻尼伯德图；
图4为一个实施例中LCL型滤波器无源阻尼弱电网伯德图；
图5为一个实施例中获取反馈信号方法流程示意图；
图6为一个实施例中前馈-反馈复合控制框图；
图7为一个实施例中无比例前馈弱电网并网波形图；
图8为一个实施例中无比例前馈弱电网并网电流谐波分析图；
图9为一个实施例中比例微分前馈弱电网并网波形图；
图10为一个实施例中比例微分前馈弱电网并网电流谐波分析图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
在一个实施例中，请参阅图1以及图2，提供了一种LCL逆变器的弱电网优化控制方法，包括：
步骤S1，获取LCL逆变器的电容电流ic；
步骤S2，获取LCL逆变器的并网电流ig；
步骤S3，获取电网的电网电压ug，电网存在谐波干扰；
步骤S4，根据电容电流ic、并网电流ig以及电网电压ug，进行准比例谐振(QPR)运算，获取反馈信号；
步骤S5，根据电网电压ug，获取前馈信号；
步骤S6，根据反馈信号以及前馈信号，获取LCL逆变器的驱动电压。
请参阅图2，LCL逆变器包括逆变器以及连接逆变器的LCL滤波器。LCL滤波器包括电感Lf、电感L2以及电容Cf。LCL逆变器的输出电流流入电网，进而实现能馈并网。
在步骤S1中的电容电流ic为流过电容Cf的电流。
在步骤S2中的并网电流ig为由流过电感L2的电流。
在步骤S3中的电网电压ug为电网两端的电压。由于电力电子设备的迅速发展和装机量增大等原因，电网电压中存在谐波干扰。
在步骤S4中，准比例谐振运算具有增益高、响应快以及稳态精度等优点。通过准比例谐振运算获取的反馈信号为数字信号。
在步骤S5中，根据电网电压获取的前馈信号也为数字信号。
前馈控制是将干扰引入闭环反馈，对谐波干扰及时动作，属于开环控制，不存在稳定性问题，理论上可实现无差。即通过前馈补偿可使干扰对输出的影响控制为零。扰动完全不引起输出量变化的反馈方案，称为全前馈。
在步骤S6中，通过将反馈信号与前馈信号结合，构建了环路前馈-反馈信号流。据此，可以获取驱动LCL逆变器的驱动电压。
本实施例实现了前馈-反馈复合控制，进而有利于实现电网电压全前馈方案。因此，在相同的弱电网环境下，并网系统可有效降低电网谐波干扰。
在一个实施例中，LCL逆变器的电容Cf形成无源阻尼电路。无源阻尼电路可以对谐振峰起到良好的抑制作用，进而更好地降低电网谐波干扰。
作为示例，可以通过将电容Cf与电阻串联或者并联等方式，将电容Cf形成无源阻尼电路。
具体地，例如，请参阅图2，电容Cf与电阻R并联，形成无源阻尼电路。
根据并联原理，经复域阻抗计算，得出输出电流对输入电压的传递函数见式(1)。
Figure BDA0002718274280000061
令R＝0.1Ω、1Ω、10Ω、20Ω、50Ω、∞代入计算，作出伯德图，如图3所示，观察电容Cf并联不同电阻R的谐振峰抑制效果。通过对并联不同R阻值对应的曲线对比分析可知：
(1)电阻越小，阻尼作用越明显，谐振抑制效果越好，50Ω时谐振频率增益低于0dB，已存在抑制现象。但过小的电阻使得电容趋近短路，幅值曲线趋近L型滤波器。
(2)采用电容并联电阻，谐振频率相位不直接发生-180°负穿越，电阻越小，相位曲线越平滑，但电阻小于1Ω时相位裕度越来越小，系统稳定性降低。
(3)阻尼对高低频段影响不大。中频段50Hz～130kHz，电阻越小负增益越大，低次工频谐波抑制效果好，但开关频率高次谐波抑制效果不超过理想LCL拓扑。
(4)电阻应在20Ω～50Ω，兼顾谐振抑制效果、高低频滤波特性、响应速度和损耗。
进一步地，可以将电容Cf与电阻R串联方案与电容Cf与电阻R并联方案进行仿真对比。对比发现，串并联电阻均抑制谐振，但串联方案电阻取值较难，考虑到成本和目前的工艺水平，电阻精度难以保证，误差不可控。
为减小设计和实现难度，可以折中采用电容并联电阻方案。此时，作为示例可以采用阻值为30Ω的电阻R与电容Cf并联。
阻性阻抗在滤波器传递函数中引入常数项，相当于网侧电感串联电阻形成无源阻尼，原理简单，不作分析。叠加感抗后弱电网无源阻尼LCL型滤波器传递函数见式(2)。
Figure BDA0002718274280000071
阻尼项为二次项。电网阻抗仅影响分母三次项和一次项，不影响系统阻尼。假设电网SCR＝10，Lg＝5.14mH，分别令Lg＝0mH、3mH、5mH、7mH代入式(2)，作出伯德图，如图4所示。
由此可看出，低频特性无明显差异；由于电感总量增加高频特性加强；谐振频率处感抗越大谐振频率越小，当其低于500Hz时，会对控制产生干扰。因此，可通过降低感抗性谐振偏移或构造可靠的无源阻尼弱化谐振效应以保护控制系统。Lg虽影响二次阻尼项，但谐振频率特征点基本不变，且谐振峰被良好抑制，说明原无源阻尼R＝30Ω的方案适用于感抗电网。
在一个实施例中，请继续参阅图2，步骤S1包括：通过复域计算方式，获取电容电流ic。
电容电流ic引入并网电流反馈回路，其无法直接测量，因此可以采用ugCs的复域计算方式获取电容电流ic。其中，ugCs为复域计算公式。ug为电网电压。C为电容值，s为计算常量。
在一个实施例中，请继续参阅图2，步骤S2包括：通过电流传感器CT采样，获取并网电流ig。通过电流传感器CT，可以准确有效地获取并网电流ig。
在一个实施例中，请参阅图5以及图2，步骤S4包括：
步骤S41，获取与电网电压同频同相的参考电流iref；
步骤S42，获取并网电流ig与电容电流ic的差值电流，获取差值电流ig’；
步骤S43，将参考电流iref与差值电流ig’相互运算，且将运算结果经过准比例谐振(QPR)运算，获取反馈信号。
在步骤S41中，可以将电网电压ug依次经过锁相环(PLL)、正弦向量表运算后，再与电网母线电压经过常数比例控制(PT)运算的获取的电流IM相互运算，获取参考电流iref。
在一个实施例中，步骤S6包括：
步骤S61，将反馈信号与前馈信号相互运算，获取准驱动信号；
步骤S62，将准驱动信号进行转化运算；
步骤S63，根据转化运算结果，获取驱动电压。
作为示例，步骤S62的转化运算可以包括逆变全桥比例延时运算以及极性倍频运算。
逆变全桥比例延时运算中，KPWM为调制比。延时环节可以为1.5个周期。其中0.5个由零阶保持器引起，1个由PWM计算和电流控制周期引起。
本申请实施例中的前馈-反馈复合控制框图可以参阅图6。此时，为了简化计算，采用梅逊公式计算全前馈电流闭环传递函数。复合系统并网电流表达式为：
Figure BDA0002718274280000081
计算A(s)/C(s)时，相关表达式如下：
前向通路增益：GQPRGFB
Figure BDA0002718274280000082
闭环回路增益：
Figure BDA0002718274280000083
GQPRGFB
Figure BDA0002718274280000084
系统特征式：
Figure BDA0002718274280000085
Δ1＝1；
根据梅逊公式，并网电流io对输入电流参考量io的闭环传递函数为：
Figure BDA0002718274280000086
计算B(s)/D(s)时，相关表达式如下：
前向通道增益：
Figure BDA0002718274280000087
GfGFB
Figure BDA0002718274280000088
GCGQPRGFB
Figure BDA0002718274280000089
闭环回路增益：
Figure BDA00027182742800000810
GQPRGFB
Figure BDA00027182742800000811
系统特征式：
Figure BDA0002718274280000091
Δ1＝1；Δ2＝1；Δ3＝1；
根据梅逊公式，输出电流io对输入电网电压扰动量ug的传递函数为：
Figure BDA0002718274280000092
为使电网扰动量对输出电流无影响，实现全前馈，应使式(5)分子为0，计算得到全前馈补偿函数见式(6)：
Figure BDA0002718274280000093
通过式(6)可以发现，全前馈补偿函数与系统控制延时、滤波器参数和SPWM调制比有关，精度要求较高；全前馈补偿函数引入了多阶微分环节，微分环节的幅频特性呈正斜率直线，因此系统具有高频放大特性，对高频谐波无法良好抗扰动。仅引入一阶微分环节，并且保留无源阻尼阻值R，采用简化后的电网电压比例微分前馈优化控制，其补偿函数见式(7)。
Figure BDA0002718274280000094
据此，可以获取前馈补偿函数Gf，从而根据电网电压ug与前馈补偿函数Gf，获取前馈信号。
为验证电网电压比例前馈控制对提高电流内环电网背景谐波扰动鲁棒性的作用，在QPR控制器和LCL型滤波器无源阻尼仿真模型的基础上建立电网电压比例前馈回路。
从图7与图8可以看出，电网存在9.26％电压谐波时波形呈现畸变，对并网系统造成扰动使并网电流畸变，并网电流为17.73A，电流谐波为9.59％，其中谐波频率与电网谐波源基本一致，说明无前馈系统对低频谐波不具备合格的抗干扰性。
引入前馈后的电流波形图及谐波分析图如图9与图10所示，在相同的弱电网环境下，改进前馈后的并网系统可降低电网谐波干扰，并网电流为17.88A，电流谐波为4.00％，除三次谐波外过滤了大部分频率的谐波，符合设计要求。引入的前馈控制对电压谐波较大的弱电网并网系统具有一定的降谐作用，利用并网电路参数作为比例值计算参考，具有针对性，放大了干扰因素的前馈作用，一定程度上强化了比例补偿的可靠性。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：步骤S1，获取LCL逆变器的电容电流ic；步骤S2，获取LCL逆变器的并网电流ig；步骤S3，获取电网的电网电压ug，电网存在谐波干扰；步骤S4，根据电容电流ic、并网电流ig以及电网电压ug，进行准比例谐振(QPR)运算，获取反馈信号；步骤S5，根据电网电压ug，获取前馈信号；步骤S6，根据反馈信号以及前馈信号，获取LCL逆变器的驱动电压。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：步骤S1，获取LCL逆变器的电容电流ic；步骤S2，获取LCL逆变器的并网电流ig；步骤S3，获取电网的电网电压ug，电网存在谐波干扰；步骤S4，根据电容电流ic、并网电流ig以及电网电压ug，进行准比例谐振(QPR)运算，获取反馈信号；步骤S5，根据电网电压ug，获取前馈信号；步骤S6，根据反馈信号以及前馈信号，获取LCL逆变器的驱动电压。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种应用于LCL逆变器的弱电网优化控制方法，其特征在于，包括：
获取所述LCL逆变器的电容电流；
获取所述LCL逆变器的并网电流；
获取所述电网的电网电压，所述电网电压存在谐波干扰；
根据所述电容电流、所述并网电流以及所述电网电压，进行准比例谐振运算，获取反馈信号；
根据所述电网电压，获取前馈信号；
根据所述反馈信号以及所述前馈信号，获取所述LCL逆变器的驱动电压；
其中，所述LCL逆变器的电容形成无源阻尼电路；
所述根据所述电网电压，获取前馈信号包括：
根据所述电网电压和前馈补偿函数获取所述前馈信号，所述前馈补偿函数中引入了一阶微分环节，并且保留无源阻尼阻值。
2.根据权利要求1所述的LCL逆变器的弱电网优化控制方法，其特征在于，所述获取所述LCL逆变器的电容电流，包括：
通过复域计算方式，获取所述电容电流。
3.根据权利要求1所述的LCL逆变器的弱电网优化控制方法，其特征在于，所述获取所述LCL逆变器的并网电流，包括：
通过电流传感器采样，获取所述并网电流。
4.根据权利要求1所述的LCL逆变器的弱电网优化控制方法，其特征在于，所述根据所述电容电流、所述并网电流以及所述电网电压，获取反馈信号，包括：
获取与所述电网电压同频同相的参考电流；
获取所述并网电流与所述电容电流的差值电流；
将所述参考电流与所述差值电流相互运算，且将运算结果经过准比例谐振运算，获取所述反馈信号。
5.根据权利要求1所述的LCL逆变器的弱电网优化控制方法，其特征在于，所述根据所述反馈信号以及所述前馈信号，获取驱动电压，包括：
将所述反馈信号与所述前馈信号相互运算，获取准驱动信号；
将所述准驱动信号进行转化运算；
根据所述转化运算结果，获取驱动电压。
6.根据权利要求5所述的LCL逆变器的弱电网优化控制方法，其特征在于，所述转化运算包括逆变全桥比例延时运算以及极性倍频运算。
7.根据权利要求6所述的LCL逆变器的弱电网优化控制方法，其特征在于，所述逆变全桥比例延时运算的延时环节为1.5个周期。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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CN104716668A (zh) * 2015-03-06 2015-06-17 南京航空航天大学 提高lcl型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法

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基于LCL滤波器的光储发电三相并网逆变器控制策略研究;张哲伟;《工程科技Ⅱ辑》;20150915(第9期);第C042-43页 *

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