CN112803416A - 一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构及控制方法 - Google Patents

一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及逆变器控制领域，具体的是一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构及控制方法，拓扑结构包括直流侧电压源、三相逆变器、LCL滤波器、电网阻抗和电网，直流侧电压源并接在三相逆变器的直流侧，三相逆变器的输出侧与LCL滤波器串联之后通过电网阻抗接入电网。控制方法以电容电压为前馈量，通过全前馈函数引到准比例谐振控制器的输出端，得到的信号与控制器的输出求和后作为PWM的调制信号，控制逆变桥开关管的通断。本发明中全前馈函数抵消了电容电流比例反馈的有源阻尼，节省了采集电容电流的传感器，设计简单而且提高了电网背景谐波的抑制能力。

Description

一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构及控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器控制领域，具体的是一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构及控制方法。
背景技术
并网逆变器因具有灵活的运行模式以及良好的可控性，成为分布式发电系统与电网之间功率转换的重要接口，然而随着新能源发电装机容量及其在电网中渗透率的逐渐增加，电网的特性越来越像弱电网，这对并网逆变器的动态特性产生重大影响。电网阻抗的大范围变化可能引起系统的不稳定，电网电压背景谐波也会导致注入电网电流的畸变。
LCL型并网逆变器对高次谐波有显著的抑制能力，但是对电网背景谐波的抑制能力有限，且LCL滤波器存在固有的谐振峰。目前谐振峰的阻尼方法分为无源阻尼和有源阻尼两种，无源阻尼即在滤波电容支路串联电阻，该方法简单但是会造成额外的功率损耗；有源阻尼主要有分裂电容法、电容电流反馈、零极点配置补偿等方法，其中电容电流比例反馈简单有效而被广泛采用。
在注入电网电流畸变抑制方面主要有两种方法，一种是增加谐振频率处的电流环路增益，可以通过多谐振调节器或比例积分控制器来实现。但是如果被抑制的电流谐波频率接近或者超过电流环路增益的穿越频率，则会引起系统的相位裕度不足，甚至导致系统的不稳定。另一种是重塑逆变器的输出阻抗，可以通过电网电压前馈控制来实现，电网电压比例前馈控制能够有效抑制低频谐波，但会放大高频谐波。在不考虑控制延迟的情况下，电网电压全前馈控制使逆变器的输出阻抗等效为无穷大，从而能够完全消除并网电流中电网电压扰动的影响。但是考虑控制延迟时，逆变器的输出阻抗不可能为无穷大，而且延迟环节会带来负的相移，从而降低系统的稳定裕度，通过在前馈通道中引入多谐振元件，可以实现并网电流对电网电压谐波有足够抑制能力的同时保证了系统的稳定裕度。
然而在弱电网中电网阻抗会发生大范围变化，且现实应用中逆变器会通过升压变压器接入电网，变压器的漏电感作为LCL滤波器的电网侧电感，电网电压难以直接测量。综上所述，目前抑制电网背景谐波的控制策略都有一定的限制，非常有必要研究适应性更广泛的抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构及控制方法。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构及控制方法，本发明以电容电压作为前馈量，通过全前馈函数引到准比例谐振控制器的输出端，得到的信号与控制器的输出求和后作为PWM的调制信号，控制逆变桥开关管的通断，全前馈函数抵消了电容电流比例反馈的有源阻尼，节省了采集电容电流的传感器，设计简单而且提高了电网背景谐波的抑制能力。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构，所述拓扑结构包括直流侧电压源、三相并网逆变器、LCL滤波器、电网阻抗和电网，所述直流侧电压源并接在三相逆变器的直流侧，三相逆变器的输出侧与LCL滤波器串联之后通过电网阻抗接入电网。
进一步地，所述LCL滤波器包括逆变器侧电感L1、电网侧电感L2和滤波电容Cf。
一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
一、采样电压侧相电压Uga、Ugb、Ugc并经过三相电网电压坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Ugα、Ugβ；
采样滤波电容电压Uca、Ucb、Ucc并经过滤波电容电压坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Ucα、Ucβ；
采样滤波电容电流Ica、Icb、Icc并经过滤波电容电流坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Icα、Icβ；
采样三相并网电流Iga、Igb、Igc并经过三相并网电流坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Igα、Igβ；
二、获取实际的并网电流Igα、Igβ并将该值与对应的并网参考电流I*α、I*β做差，并将误差信号输入准比例谐振控制器；
三、获取滤波电容电压Ucα、Ucβ通过全前馈函数Gff引到准比例控制器的输出端，全前馈函数中的一阶微分项sCfKCGd与电容电流有源阻尼项正负抵消；
四、根据步骤三抵消之后的全前馈输出信号与步骤二得到的准比例谐振控制器输出信号求和后作为PWM的调制信号，控制逆变桥开关的通断。
进一步地，所述步骤一中的三相电网电压坐标变换方程表达式为：
Figure BDA0002995225950000031
Figure BDA0002995225950000032
滤波电容电压坐标变换方程表达式为：
Figure BDA0002995225950000041
Figure BDA0002995225950000042
滤波电容电流坐标变换方程表达式为：
Figure BDA0002995225950000043
Figure BDA0002995225950000044
三相并网电流坐标变换方程的表达式为：
Figure BDA0002995225950000045
Figure BDA0002995225950000046
进一步地，所述步骤三中的全前馈函数表达式为：
Figure BDA0002995225950000047
其中，KPWM为逆变桥增益，前馈函数中sCfKCGd项与电容电流有源阻尼项相互抵消，省去采集电容电流的传感器。
本发明的有益效果：
1、本发明以滤波电容电压作为前馈量，通过全前馈函数引入到准比例谐振控制器的输出端，控制策略设计简单，适应范围更广泛且能够保证对电网背景谐波很强的抑制能力；
2、本发明通过等效变换，全前馈函数的sCfKCGd项恰好与滤波电容电流有源阻尼项相互抵消，省去了采集电容电流的传感器，从而避免了电容电流采集引起的误差，有利于提高系统的稳定性；
3、本发明可以直接在现有的电网电压全前馈控制策略上进行改进，无需额外增加电力电子设备，降低功耗适用范围也更广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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为本发明逆变器主电路拓扑结构图；
图2为本发明逆变器的等效控制框图；
图3为本发明逆变器简化后的控制框图；
图4为本发明实施例对电网背景谐波不采取抑制措施的电网侧电压和并网电流波形图；
图5为本发明实施例电网电压存在背景谐波时电网电压的谐波畸变率示意图；
图6为本发明实施例对电网背景谐波不采取抑制措施的并网电流谐波畸变率示意图；
图7为本发明实施例采用传统比例前馈的电网侧电压和并网电流波形图；
图8为本发明实施例采用传统比例前馈的并网电流谐波畸变率；
图9为本发明实施例采用本发明控制方法的电网侧电压和并网电流波形图；
图10为本发明实施例采用本发明控制方法的并网电流波形谐波畸变率示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构，拓扑结构包括直流侧电压源Udc、三相逆变器、LCL滤波器、电网阻抗和电网，所述直流侧电压源并接在三相逆变器的直流侧，三相逆变器的输出侧与LCL滤波器串联之后通过电网阻抗接入电网。LCL滤波器包括逆变器侧电感L1、电网侧电感L2和滤波电容Cf。
由于电网阻抗的电阻部分有利于系统稳定性，以纯感性Lg表示最恶劣的电网状况，Ug为电网电压。
本发明逆变器拓扑结构的实施例的具体参数如下：
直流测电压Udc＝750V，电网侧电压Ug＝220V，50Hz；逆变器侧电感L1＝2mH，滤波电容Cf＝10μF，电网侧电感L2＝0.3mH，采样频率为20kHz，逆变器的额定功率为6kW。
图2、图3是本发明逆变器的控制框图简化过程，全前馈函数的一阶微分项sCfKCGd与电容电流有源阻尼项相互抵消，省去采集电容电流的传感器，有利于系统稳定性的提高。
一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构的控制方法，如图2和3所示，包括如下步骤：
一、采样电压侧相电压Uga、Ugb、Ugc并经过三相电网电压坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Ugα、Ugβ；三相电网电压坐标变换方程表达式为：
Figure BDA0002995225950000061
Figure BDA0002995225950000062
采样滤波电容电压Uca、Ucb、Ucc并经过滤波电容电压坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Ucα、Ucβ；滤波电容电压坐标变换方程表达式为：
Figure BDA0002995225950000071
Figure BDA0002995225950000072
采样滤波电容电流Ica、Icb、Icc并经过滤波电容电流坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Icα、Icβ；滤波电容电流坐标变换方程表达式为：
Figure BDA0002995225950000073
Figure BDA0002995225950000074
采样三相并网电流Iga、Igb、Igc并经过三相并网电流坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Igα、Igβ；三相并网电流坐标变换方程的表达式为：
Figure BDA0002995225950000075
Figure BDA0002995225950000076
全前馈函数表达式为：
Figure BDA0002995225950000077
其中，KPWM为逆变桥增益，前馈函数中sCfKCGd项与电容电流有源阻尼项相互抵消，省去采集电容电流的传感器；
二、获取实际的并网电流Igα、Igβ并将该值与对应的并网参考电流I*α、I*β做差，并将误差信号输入准比例谐振控制器；
三、获取滤波电容电压Ucα、Ucβ通过全前馈函数Gff引到准比例控制器的输出端，全前馈函数中的一阶微分项sCfKCGd与电容电流有源阻尼项正负抵消；
四、根据步骤三抵消之后的全前馈输出信号与步骤二得到的准比例谐振控制器输出信号求和后作为PWM的调制信号，控制逆变桥开关的通断。
在电网电压中加入各次谐波如表1所示，图4，图5，图6，图7，图8，图9和图10分别展示了不采取抑制措施、采用传统的比例前馈控制策略与采用本发明控制方法的仿真结果对比。
表1：电网电压中加入各次谐波幅值及相位
Figure BDA0002995225950000081
图4、图5、图6为对电网背景谐波不采取抑制措施的电网电压与并网电流波形图、电网电压谐波畸变率以及并网电流谐波畸变率。可以发现，电网电压的谐波畸变率为9.32％，并网电流谐波畸变率为12.93％；
图7和图8为采取传统比例前馈控制策略的电网电压与并网电流波形图以及并网电流谐波畸变率。可以发现，采用传统比例前馈控制策略并网电流波形畸变率为12.36％，并网电流的波形质量稍微有一点改善；
图9和图10为采用本发明控制方法的电网电压与并网电流波形图以及并网电流谐波畸变率。可以发现，并网电流波形畸变率为4.95％，谐波抑制率达到了61.7％，抑制效果明显强于传统的控制策略，其实对高次谐波的抑制能力效果更佳。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括直流侧电压源、三相并网逆变器、LCL滤波器、电网阻抗和电网，所述直流侧电压源并接在三相逆变器的直流侧，三相逆变器的输出侧与LCL滤波器串联之后通过电网阻抗接入电网。
2.根据权利要求1所述的一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构，其特征在于，所述LCL滤波器包括逆变器侧电感L1、电网侧电感L2和滤波电容Cf。
3.一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构的控制方法，包括如权利要求1或2所述的抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
一、采样电压侧相电压Uga、Ugb、Ugc并经过三相电网电压坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Ugα、Ugβ；
采样滤波电容电压Uca、Ucb、Ucc并经过滤波电容电压坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Ucα、Ucβ；
采样滤波电容电流Ica、Icb、Icc并经过滤波电容电流坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Icα、Icβ；
采样三相并网电流Iga、Igb、Igc并经过三相并网电流坐标变换方程得到两相静止坐标系下αβ轴分量Igα、Igβ；
二、获取实际的并网电流Igα、Igβ并将该值与对应的并网参考电流I*α、I*β做差，并将误差信号输入准比例谐振控制器；
三、获取滤波电容电压Ucα、Ucβ通过全前馈函数Gff引到准比例控制器的输出端，全前馈函数中的一阶微分项sCfKCGd与电容电流有源阻尼项正负抵消；
四、根据步骤三抵消之后的全前馈输出信号与步骤二得到的准比例谐振控制器输出信号求和后作为PWM的调制信号，控制逆变桥开关的通断。
4.根据权利要求3所述的一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述步骤一中的三相电网电压坐标变换方程表达式为：
Figure FDA0002995225940000021
Figure FDA0002995225940000022
滤波电容电压坐标变换方程表达式为：
Figure FDA0002995225940000023
Figure FDA0002995225940000024
滤波电容电流坐标变换方程表达式为：
Figure FDA0002995225940000025
Figure FDA0002995225940000026
三相并网电流坐标变换方程的表达式为：
Figure FDA0002995225940000027
Figure FDA0002995225940000028
5.根据权利要求3所述的一种抑制电网背景谐波的并网逆变器拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述步骤三中的全前馈函数表达式为：
Figure FDA0002995225940000029
其中，KPWM为逆变桥增益，前馈函数中sCfKCGd项与电容电流有源阻尼项相互抵消，省去采集电容电流的传感器。
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