CN112260569A - 并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法 - Google Patents

并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法，其特征是：首先忽略谐振控制器的作用，求取相位补偿谐振控制器的比例系数；再根据基波参考电流的稳态跟踪误差要求，以及各谐振控制器的响应速度，求取相位补偿谐振控制器的各次谐波系数；进而获得各谐振控制器的最大相位滞后角；最后综合并网逆变器系统和谐振控制器的相位滞后，求取相位补偿谐振控制器的相位超前角。本发明能够增强并网逆变器对电网阻抗变化的鲁棒性，保证并网逆变器安全稳定运行。

Description

并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法
技术领域
本发明属于逆变器控制领域，更具体地说是涉及并网逆变器的电流控制器设计方法。
背景技术
当前，经济社会的不断发展促使世界各国对于能源的需求日益增长，而能源短缺和环境污染的形势也愈发严峻。为应对环境污染问题及实现能源的可持续发展，近年来我国基于可再生能源的分布式发电系统已获得了巨大的发展，作为分布式发电系统和电网之间的接口装置，并网逆变器的功能是将前级可再生能源产生的直流电逆变为高质量的工频交流电，以送入电网。然而，随着电力电子化电力系统的不断发展，非线性负载的大量应用将导致电网电压中含有大量的背景谐波，电网电压背景谐波将对逆变器的并网电流产生严重谐波污染，降低逆变器的并网电能质量。为了有效衰减电网电压背景谐波，保证并网电流的电能质量，逆变器的电流控制器常采用多并联谐振控制器。然而，在实际的分布式发电系统中，当电网的运行方式发生改变时，电网阻抗可能在较大范围内变化。随着电网阻抗的不断增大，并网逆变器系统的稳定性将逐渐降低，甚至出现失稳现象，威胁着分布式发电系统的安全稳定运行。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法，以增强并网逆变器对电网阻抗变化的鲁棒性，保证并网逆变器安全稳定运行。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法的特点是：首先忽略谐振控制器的作用，求取相位补偿谐振控制器的比例系数；再根据基波参考电流的稳态跟踪误差要求，以及各谐振控制器的响应速度，求取相位补偿谐振控制器的各次谐波系数；进而获得各谐振控制器的最大相位滞后角；最后综合并网逆变器系统和谐振控制器的相位滞后，求取相位补偿谐振控制器的相位超前角。
本发明并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、忽略谐振控制器的作用，设定相位补偿谐振控制器比例系数Kp满足式(1)：
Figure BDA0002752562790000011
其中：
Ts为并网逆变器的采样周期；Kpwm为逆变桥增益；
L1为LCL滤波器的逆变侧电感，L2为电网侧电感；
γ0为忽略谐振控制器作用下系统相位裕度的最小设定值；
步骤2、根据基波参考电流稳态跟踪误差的要求，以及各谐振控制器的响应速度，设定相位补偿谐振控制器基波系数K1满足式(2)：
Figure BDA0002752562790000021
其中：
M1为系统开环传递函数在基波角频率下的幅值；
ω1为电网的基波角频率；η为逆变器基波参考电流的稳态跟踪误差最小设定值；
设置相位补偿谐振控制器的各次谐波系数K5、K7、K11和K13均与相位补偿谐振控制器基波系数K1相等，即：K5＝K7＝K11＝K13＝K1，使各谐振控制器具有相同带宽；
步骤3、按式(3)计算获得各谐振控制器的最大相位滞后角Ah，h＝1,5,7,11,13；
Figure BDA0002752562790000022
其中，Kh为包括相位补偿谐振控制器基波系数K1在内的相位补偿谐振控制器的各次谐波系数，h＝1,5,7,11,13；
步骤4、综合考虑并网逆变器系统和谐振控制器的相位滞后，按式(4)计算获得相位补偿谐振控制器的相位超前角θh，h＝1,5,7,11,13；
Figure BDA0002752562790000023
γ为考虑谐振控制器作用下系统的相位裕度的最小设定值；
步骤5、构建由式(5)所表征的相位补偿谐振控制器的传递函数Gc(s)，完成相位补偿谐振控制器的设计；
Figure BDA0002752562790000024
式(5)中：
Kp是由步骤1获得的相位补偿谐振控制器比例系数；
Kh是由步骤2获得的相位补偿谐振控制器的各次谐波系数；
θh是由步骤4获得的相位补偿谐振控制器的相位超前角；
s为拉普拉斯算子；ζ为阻尼因子。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明通过提高谐振控制器的相频特性，显著增大了并网逆变器系统的相位，当电网阻抗变化时，系统始终具有充足的稳定裕度。因此能够增强并网逆变器对电网阻抗变化的鲁棒性，保证并网逆变器安全稳定运行。
附图说明
图1为三相LCL型并网逆变器的主电路结构图；
图2为本发明方法流程图；
图3为相位补偿谐振控制器下逆变器系统的开环传递函数伯德图；
图4为电网阻抗增大情况下并网电流的仿真波形图；
图5为电网阻抗增大情况下并网电流的频谱分析图。
具体实施方式
图1为典型三相LCL型并网逆变器的主电路结构图，其中Vdc为逆变器的直流侧电压，Idc为逆变器的输入电流，C为直流侧电容，L1为LCL滤波器的逆变侧电感，C1为LCL滤波器的滤波电容，L2为LCL滤波器的电网侧电感，忽略电感L1和L2的等效串联电阻影响，ura、urb和urc为逆变桥输出电压，uca、ucb和ucc为电容电压，uga、ugb和ugc为电网电压，i1a、i1b和i1c为逆变侧电流，i2a、i2b和i2c为并网侧电流，ica、icb和icc为电容电流，各变量中的下标a、b、c一一对应a相、b相和c相下的物理量。并网逆变器采用同步采样方式，采样周期为Ts。逆变器的调制方式为正弦脉冲宽度调制SPWM，当SPWM的载波信号幅值为1时，逆变桥增益Kpwm为Vdc/2，即Kpwm＝Vdc/2。
本实施例中并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法是：首先忽略谐振控制器的作用，求取相位补偿谐振控制器的比例系数；再根据基波参考电流的稳态跟踪误差要求，以及各谐振控制器的响应速度，求取相位补偿谐振控制器的各次谐波系数；进而获得各谐振控制器的最大相位滞后角；最后综合并网逆变器系统和谐振控制器的相位滞后，求取相位补偿谐振控制器的相位超前角。
参见图2，本实施例中并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法按如下步骤进行：
步骤1、忽略谐振控制器的作用，系统开环传递函数的幅值
Figure BDA0002752562790000031
系统开环传递函数的相位
Figure BDA0002752562790000032
其中ω为角频率变量，根据系统相位裕度的要求，设定相位补偿谐振控制器比例系数Kp满足式(1)：
Figure BDA0002752562790000033
其中：
Ts为并网逆变器的采样周期；Kpwm为逆变桥增益；
L1为LCL滤波器的逆变侧电感，L2为电网侧电感；
γ0为忽略谐振控制器作用下系统相位裕度的最小设定值。
步骤2、根据基波参考电流稳态跟踪误差的要求，以及各谐振控制器的响应速度，设定相位补偿谐振控制器基波系数K1满足式(2)：
Figure BDA0002752562790000041
其中：
M1为系统开环传递函数在基波角频率下的幅值，ω1为电网的基波角频率；
η为逆变器基波参考电流的稳态跟踪误差最小设定值；
设置相位补偿谐振控制器的各次谐波系数K5、K7、K11和K13均与相位补偿谐振控制器基波系数K1相等，即：K5＝K7＝K11＝K13＝K1，使各谐振控制器具有相同带宽。
步骤3、按式(3)计算获得各谐振控制器的最大相位滞后角Ah，h＝1,5,7,11,13；
Figure BDA0002752562790000042
其中，Kh为包括相位补偿谐振控制器基波系数K1在内的相位补偿谐振控制器的各次谐波系数，h＝1,5,7,11,13；相位补偿谐振控制器的最高阶次为13次。
步骤4、综合考虑并网逆变器系统和谐振控制器的相位滞后，按式(4)计算获得相位补偿谐振控制器的相位超前角θh，h＝1,5,7,11,13；
Figure BDA0002752562790000043
γ为考虑谐振控制器作用下系统的相位裕度的最小设定值；
步骤5、在αβ静止坐标系下，电流参考信号为正弦交流量，为了准确跟踪电流参考信号和衰减电网电压背景谐波，并网逆变器的电流控制器采用相位补偿谐振控制器；将相位补偿谐振控制器的传递函数设置为如式(5)，获得传递函数Gc(s)即完成相位补偿谐振控制器的设计；
Figure BDA0002752562790000044
式(5)中：
Kp是由步骤1获得的相位补偿谐振控制器比例系数；
Kh是由步骤2获得的相位补偿谐振控制器的第h次谐振控制器系数；
θh是由步骤4获得的相位补偿谐振控制器的相位超前角，相位超前角θh用于提高谐振控制器在频率hω1处的相角；s为拉普拉斯算子；
ζ为阻尼因子，用于调节谐振控制器的带宽；ζ的值越大，谐振控制器的带宽越大；但较大的ζ值会恶化谐振控制器的相频特性；从电流跟踪的相位同步性角度考虑，ζ取值则越小越好，本实施例中将ζ的值取为较小值0.001。
结合具体参数的相位补偿谐振控制器的设计方法：
步骤1中：取采样周期Ts为0.05ms，逆变桥增益Kpwm为400；
LCL滤波器的逆变侧电感L1为3mH，电网侧电感L2为2mH；
忽略谐振控制器的作用，系统相位裕度的最小设定值γ0为60°，则相位补偿谐振控制器比例系数Kp需满足式(6)：
0＜Kp≤0.0873 (6)
通常在保证系统稳定性的条件下，应增大系统的响应速度，本实施例中取相位补偿谐振控制器的比例系数Kp等于0.07。
步骤2中，逆变器基波参考电流的稳态跟踪误差最小值η设定为1％，则相位补偿谐振控制器基波系数K1需满足式(7)：
K1≮0.33 (7)
本实施例中取K1等于1；为了保证各谐振控制器具有相同的带宽，各次谐波系数均与K1相等，即：K5＝K7＝K11＝K13＝1。
步骤3中，计算获得各谐振控制器的最大相位滞后角Ah，h＝1,5,7,11,13，为A1＝A5＝A7＝A11＝A13＝-61.3°。
步骤4中，综合考虑并网逆变器系统和谐振控制器的相位滞后，计算获得相位补偿谐振控制器的相位超前角θh，h＝1,5,7,11,13，分别为θ1＝17.6°、θ5＝23.0°、θ7＝25.8°、θ11＝31.2°、θ13＝33.8°。
步骤5中，将计算获得的Kp、Kh和θh带入由式(5)所表征的相位补偿谐振控制器的传递函数Gc(s)，完成相位补偿谐振控制器的设计。
当并网逆变器采用所设计的相位补偿谐振控制器时，系统的开环传递函数伯德图如图3所示，图中在基波以及5、7、11和13次谐波频率处，系统的开环传递函数具有很高的增益，表明并网逆变器能很好地跟踪电流参考信号和衰减电网电压背景谐波。当等效电网阻抗分别为0mH、3mH和6mH时，系统的开环截止频率分别为968Hz、688Hz和663Hz，对应的相位裕度分别为43.9°、39.0°和26.8°，即随着等效电网阻抗不断增大，系统始终具有较高的稳定性。因此，所设计的相位补偿谐振控制器能够提高并网逆变器对电网阻抗变化的鲁棒性。在MATLAB中搭建相应的并网逆变器仿真模型，模型中包含两台相同的并网逆变器，为模拟实际电网，在电网电压中注入5、7和11次背景谐波，谐波电压的幅值分别为10％、8％和5％，其相位分别为60°、30°和20°。将逆变器的电流控制器设置为相位补偿谐振控制器，仿真中增大电网阻抗的值，得到的并网电流仿真波形如图4，以及频谱分析如图5。图4和图5所示，随着电网阻抗的增大，并网电流始终是稳定的且波形良好，且当电网阻抗为0.028mH时，并网电流的总谐波畸变率仅为0.50％。显然，本发明方法所设计的相位补偿谐振控制器能够增强并网逆变器对电网阻抗变化的鲁棒性，保证并网逆变器安全稳定运行。

Claims (2)

1.一种并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法，其特征是：首先忽略谐振控制器的作用，求取相位补偿谐振控制器的比例系数；再根据基波参考电流的稳态跟踪误差要求，以及各谐振控制器的响应速度，求取相位补偿谐振控制器的各次谐波系数；进而获得各谐振控制器的最大相位滞后角；最后综合并网逆变器系统和谐振控制器的相位滞后，求取相位补偿谐振控制器的相位超前角。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器中相位补偿谐振控制器的设计方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、忽略谐振控制器的作用，设定相位补偿谐振控制器比例系数Kp满足式(1)：
Figure FDA0002752562780000011
其中：
Ts为并网逆变器的采样周期；Kpwm为逆变桥增益；
L1为LCL滤波器的逆变侧电感，L2为电网侧电感；
γ0为忽略谐振控制器作用下系统相位裕度的最小设定值；
步骤2、根据基波参考电流稳态跟踪误差的要求，以及各谐振控制器的响应速度，设定相位补偿谐振控制器基波系数K1满足式(2)：
Figure FDA0002752562780000012
其中：
M1为系统开环传递函数在基波角频率下的幅值；
ω1为电网的基波角频率；η为逆变器基波参考电流的稳态跟踪误差最小设定值；
设置相位补偿谐振控制器的各次谐波系数K5、K7、K11和K13均与相位补偿谐振控制器基波系数K1相等，即：K5＝K7＝K11＝K13＝K1，使各谐振控制器具有相同带宽；
步骤3、按式(3)计算获得各谐振控制器的最大相位滞后角Ah，h＝1,5,7,11,13；
Figure FDA0002752562780000013
其中，Kh为包括相位补偿谐振控制器基波系数K1在内的相位补偿谐振控制器的各次谐波系数，h＝1,5,7,11,13；
步骤4、综合考虑并网逆变器系统和谐振控制器的相位滞后，按式(4)计算获得相位补偿谐振控制器的相位超前角θh，h＝1,5,7,11,13；
Figure FDA0002752562780000021
γ为考虑谐振控制器作用下系统的相位裕度的最小设定值；
步骤5、构建由式(5)所表征的相位补偿谐振控制器的传递函数Gc(s)，完成相位补偿谐振控制器的设计；
Figure FDA0002752562780000022
式(5)中：
Kp是由步骤1获得的相位补偿谐振控制器比例系数；
Kh是由步骤2获得的相位补偿谐振控制器的各次谐波系数；
θh是由步骤4获得的相位补偿谐振控制器的相位超前角；
s为拉普拉斯算子；ζ为阻尼因子。
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