CN114498643A - 一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，包括：采集并网逆变器系统公共耦合点(PCC点)电压和所述PCC点电压的相位，并将所述PCC点电压相位前馈至电流控制回路中；对传统的同步旋转坐标系锁相环结构进行改进；获取并网变压器系统的数学模型及输出阻抗模型；利用电网电流前馈控制产生的调制信号控制VSC各桥臂中IGBT的通断，提高并网逆变器系统的稳定性。本发明设计了一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，交流滤波器采用L型滤波器，从而避免了LCL逆变器固有的谐振，保证了逆变器拓扑水平上的系统稳定性；利用基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，通过改进锁相环结构来提高系统的相角裕度，简单有效。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法。
背景技术
电力与国家经济和人民生活息息相关，供电安全更是国家安全战略和国民经济社会发展的重要方面。在生态环境不断恶化、民众环保意识日渐提高、新能源技术不断发展等的大趋势下，构建环保、可靠、高效的现代化电力能源网络是十分必要的。可再生能源发电系统具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活、系统经济性好等特点，发展潜力巨大，一直是国内外关注的热点。但是，这些可再生能源系统同时也具有容量小，分布广，交直流兼有，且电压或频率波动性大等弊端。如何稳定、可靠地将这些可再生能源系统并网，融入到电力系统中是我们目前所面临的一项关键问题，并网逆变器作为分散式可再生能源接入配电网的重要接口，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用，随着分布式可再生能源渗透率的不断提高，并网逆变器在传统配电网中的地位越发突出，因此成为了人们关注的热点技术之一。
作为连接分布式新能源发电系统与大电网之间的桥梁，并网逆变器的运行状态与控制性能对微电网稳定运行与并网电能质量起至关重要的作用。逆变器的控制性能主要由逆变器主电路拓扑结构、控制结构及控制策略决定，只有选用合适的拓扑结构并配合相应的控制技术，才能高效地把新能源电源产生的直流电量电能转化为符合微电网内用户用电设备需求，同时又符合电力系统并网电能质量要求的交流电能，实现满足本地负载用电需求的同时，将多产生的电能送入大电网的目标。并网逆变器的拓扑结构对新能源并网系统的建造、维护成本、电能转换效率与控制性能等指标具有重大意义，是新能源并网系统的核心环节。
现今，无论是PQ型并网逆变器还是DCVQ型并网逆变器都仍然需要追踪电网的频率和相位来与大电网保持同步，从而保证良好的并网电能质量。目前广泛使用锁相环(phase-locked loop,PLL)作为与电网的同步单元，因此并网逆变器系统的控制性能主要取决于PLL对电网频率和相位的准确追踪。在电网阻抗小到可以忽略的强电网情况下，PLL能稳定的工作并且能够准确提供电网电压信息供控制回路使用。
但是我国的风光清洁能源主要位于西北等地区，由于远离重负荷区，目前分布式发电系统广泛使用较为经济的集中发电，远距离输电模式。这种远距离输电模式会给电网引入较大的线路阻抗，使大电网对于分布式发电系统来说呈现弱电网特性。而PWM控制会在并网逆变器与大电网的公共耦合点(point of common coupling，PCC)产生谐波电压，这种情况下弱电网的高电网阻抗特性会使PCC点电压出现谐波共振和波形畸变。如果不加以控制，畸变的PCC电压又会使并网逆变器的同步单元PLL出现偏差甚至失效，进一步恶化并网电能质量，导致出现系统失稳的现象。同时随着PLL带宽的增加这种不稳定现象逐渐加剧。而现有的针对PLL的一系列改进措施在不同的电网环境下需要对同步单元进行调整，增加了控制系统的复杂程度。并且在不同的电网环境下需要对控制系统的结构进行调整，不具有普适性。
针对弱电网下PLL给并网逆变器稳定性带来的负面影响以及一系列改进措施的复杂程度，如果能去除PLL环节就能够从根本上解决该问题。而现有的去除PLL但是却引入例如锁频环等其他的同步单元的做法会带来和PLL一样的问题。因此考虑将研究的重点改为利用并网逆变器的控制策略来实现自同步，这具有现实的意义。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：弱电网的高电网阻抗特性会使PCC点电压出现谐波共振和波形畸变，导致出现系统失稳的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，采集并网逆变器系统公共耦合点(PCC点)电压和所述PCC点电压的相位，并将所述PCC点电压相位前馈至电流控制回路中；对传统的同步旋转坐标系锁相环结构进行改进；获取并网变压器系统的数学模型及输出阻抗模型；利用电网电流前馈控制产生的调制信号控制VSC各桥臂中IGBT的通断，提高并网逆变器系统的稳定性。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：采用电压传感器测量并网逆变器系统公共耦合点(PCC点)电压，利用锁相环采集所述PCC点电压的相位。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：对传统的同步旋转坐标系锁相环结构进行改进包括，在所述锁相环结构环路滤波通道中设计一种低通滤波器。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述滤波器H(s)包括，
其中，π表示圆周率，kf表示增益系数，Pf＝RC，R表示电阻，C表示电容。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：改进后的锁相环结构的传递函数GPLL(s)包括，
其中，π表示圆周率，kf表示增益系数，Pf＝RC，R表示电阻，C表示电容，Um表示PCC点电压幅值。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：根据并网逆变器系统的控制结构图得到控制系统的数学模型，由所述控制系统的数学模型得到系统的输出阻抗模型。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述输出阻抗系统模型包括，
利用所述并网逆变器控制系统的数学模型获取并网电流ig；
基于所述PCC点电压、并网电流参考电流幅值Iref和改进后的锁相环结构的传递函数GPLL(s)获取并网电流控制的基准电流iref。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述并网电流ig包括，
其中，Lf表示滤波电感，KPWM表示脉冲调制增益系数，Gi(s)表示并网电流控制器，Gde(s)表示数字控制延时的传递函数，UPCC表示PCC点电压，iref表示并网电流控制的基准电流。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述基准电流iref包括，
iref＝IrefUPCCGPLL(s)
其中，，Iref表示并网电流参考电流幅值，UPCC表示PCC点电压，GPLL(s)表示改进后的锁相环结构的传递函数。
作为本发明所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：基于所述并网电流ig和所述基准电流iref，获取锁相环时逆变器等效输出阻抗Zout_PLL，
其中，Lf表示滤波电感，KPWM表示脉冲调制增益系数，Gi(s)表示并网电流控制器，Gde(s)表示数字控制延时的传递函数，Iref表示并网电流参考电流幅值，GPLL(s)表示改进后的锁相环结构的传递函数。
本发明的有益效果：本发明设计了一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，不仅能减小锁相环对并网逆变器的负面影响，提高并网逆变器系统的稳定性，还可以一直并网电流谐波。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的基本流程示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的并网逆变器系统的控制结构图；
图3为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的并网逆变器控制系统的数学模型；
图4为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的同步旋转坐标系的锁相环的结构图；
图5为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的改进后的锁相环结构图；
图6为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的采用传统锁相环的控制策略的THD柱形图；
图7为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的采用本文所提改进后的锁相环的THD柱形图；
图8为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的采用不同锁相环结构时逆变器输出阻抗伯德图；
图9为本发明一个实施例提供的一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的采用不同锁相环时并网电流io的仿真波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1至图5，为本发明的一个实施例，提供了一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，包括：
S1：采集并网逆变器系统公共耦合点(PCC点)电压和PCC点电压的相位，并将PCC点电压相位前馈至电流控制回路中。需要说明的是：
采用电压传感器测量并网逆变器系统公共耦合点(PCC点)电压，利用锁相环采集PCC点电压的相位。
S2：对传统的同步旋转坐标系锁相环结构进行改进。需要说明的是：
对传统的同步旋转坐标系锁相环结构进行改进包括，在锁相环结构环路滤波通道中设计一种低通滤波器对并网逆变器系统是阻抗特性进行重塑，同步旋转坐标系的锁相环的结构图如图4所示，改进后的锁相环结构图如图5所示。
滤波器H(s)包括，
其中，π表示圆周率，kf表示增益系数，Pf＝RC，R表示电阻，C表示电容。
改进后的锁相环结构的传递函数GPLL(s)包括，
其中，π表示圆周率，kf表示增益系数，Pf＝RC，R表示电阻，C表示电容，Um表示PCC点电压幅值。
S3：获取并网变压器系统的数学模型及输出阻抗模型。需要说明的是：
根据并网逆变器系统的控制结构图(如图2所示)得到控制系统的数学模型(如图3所示)，由控制系统的数学模型得到系统的输出阻抗模型。
输出阻抗系统模型包括，
利用并网逆变器控制系统的数学模型获取并网电流ig；
当考虑锁相环的影响时，iref不再是一个独立的量，可以用UPCC表示，基于PCC点电压、并网电流参考电流幅值Iref和改进后的锁相环结构的传递函数GPLL(s)获取并网电流控制的基准电流iref。
并网电流ig包括，
其中，Lf表示滤波电感，KPWM表示脉冲调制增益系数，Gi(s)表示并网电流控制器，Gde(s)表示数字控制延时的传递函数，UPCC表示PCC点电压，iref表示并网电流控制的基准电流。
基准电流iref包括，
iref＝IrefUPCCGPLL(s)
其中，，Iref表示并网电流参考电流幅值，UPCC表示PCC点电压，GPLL(s)表示改进后的锁相环结构的传递函数。
基于并网电流ig和基准电流iref，获取锁相环时逆变器等效输出阻抗Zout_PLL，
其中，Lf表示滤波电感，KPWM表示脉冲调制增益系数，Gi(s)表示并网电流控制器，Gde(s)表示数字控制延时的传递函数，Iref表示并网电流参考电流幅值，GPLL(s)表示改进后的锁相环结构的传递函数。
S4：利用电网电流前馈控制产生的调制信号控制VSC各桥臂中IGBT的通断，提高并网逆变器系统的稳定性。需要说明的是：
主电路拓扑结构由电压源型换流器运行的电路构成，其结构包括整流器(VSC)、直流线路、以及交流滤波器组成，电压源换流器采用的是三相两电平VSC(电压源换流器)，每一相都包括上下两个桥臂，共六个桥臂，每个桥臂由绝缘栅双极性晶体管(IGBT)和二极管并联构成，控制电路主要是由电网电流反馈构成的电流控制回路，交流滤波器采用L型滤波器。
本发明设计了一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，交流滤波器采用L型滤波器，从而避免了LCL逆变器固有的谐振，保证了逆变器拓扑水平上的系统稳定性；利用基于阻抗重塑的新能源发电系统并网逆变器控制方法，通过改进锁相环结构来提高系统的相角裕度，简单有效。
实施例2
参照图6至图9为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
远距离输电、多电压等级的变换，致使光伏发电单元与大电网之间联系变弱，使电网呈现弱电网特性。而弱电网条件下，传统锁相环会影响并网逆变器的稳定性。为验证本方法相对传统锁相环不仅能够增强弱电网下系统的稳定性，还具有良好的动态特性。
本实施例中将采用传统锁相环和本方法分别对三相并网逆变器的仿真模型进行实时测量对比。
测试环境：将三相并网系统在仿真平台模拟光伏发电并网的情景，采用评价电网电流质量的主要指标——入网电流总谐波失真(total harmonic distortion，THD)，分别利用传统方法和本文所提方法测试并获得测试结果数据。采用本方法，则开启自动化测试设备并运用MATLB实现本方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据。
结果如图6和图7所示，当Lg＝25mH时，采用传统锁相环的控制策略的THD为31.19％，远远不满足THD要求，图7采用了本文所提改进后的锁相环，从图可以看出THD值为3.46％。入网电流总谐波含量较少，满足THD要求。由上对比分析可以看出，基于锁相环结构改进的并网电流谐波抑制的方法能够适应电网阻抗的变化，相对于传统锁相环控制有较好的控制性能。
图8为采用不同锁相环结构时逆变器输出阻抗伯德图，可以看出，当采用传统锁相环时，逆变器输出阻抗的相位裕度为-1.8°，而采用改进型锁相环后，逆变器输出阻抗的相位裕度提高至21.7°，而且逆变器输出阻抗相频曲线在-90°以上的频率范围变大，因此相较于传统锁相环，改进型锁相环能够适应更宽的电网阻抗范围，从而验证了PLL结构改进方法的合理性。
图9为采用不同锁相环时并网电流io的仿真波形，其工况设置为0.05s之前采用传统的锁相环，在0.05s时切换为改进型的锁相环。从图9可以看出，采用传统的锁相环时，输出电流波形有明显的振荡现象，系统处于不稳定的状态。当切换到改进型的锁相环之后，输出电流波形比较平滑，无明显的振荡现象。因此改进型锁相环相对于传统型锁相环不仅能保持较高的相位裕度，电能质量和稳定性也有了大幅度提高，而且还具有良好的动态性能。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于，包括：
采集并网逆变器系统公共耦合点(PCC点)电压和所述PCC点电压的相位，并将所述PCC点电压相位前馈至电流控制回路中；
对传统的同步旋转坐标系锁相环结构进行改进；
获取并网变压器系统的数学模型及输出阻抗模型；
利用电网电流前馈控制产生的调制信号控制VSC各桥臂中IGBT的通断，提高并网逆变器系统的稳定性。
2.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：
采用电压传感器测量并网逆变器系统公共耦合点(PCC点)电压，利用锁相环采集所述PCC点电压的相位。
3.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：对传统的同步旋转坐标系锁相环结构进行改进包括，在所述锁相环结构环路滤波通道中设计一种低通滤波器。
4.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述滤波器H(s)包括，
其中，π表示圆周率，kf表示增益系数，Pf＝RC，R表示电阻，C表示电容。
5.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：改进后的锁相环结构的传递函数GPLL(s)包括，
其中，π表示圆周率，kf表示增益系数，Pf＝RC，R表示电阻，C表示电容，Um表示PCC点电压幅值。
6.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：根据并网逆变器系统的控制结构图得到控制系统的数学模型，由所述控制系统的数学模型得到系统的输出阻抗模型。
7.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述输出阻抗系统模型包括，
利用所述并网逆变器控制系统的数学模型获取并网电流ig；
基于所述PCC点电压、并网电流参考电流幅值Iref和改进后的锁相环结构的传递函数GPLL(s)获取并网电流控制的基准电流iref。
8.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述并网电流ig包括，
其中，Lf表示滤波电感，KPWM表示脉冲调制增益系数，Gi(s)表示并网电流控制器，Gde(s)表示数字控制延时的传递函数，UPCC表示PCC点电压，iref表示并网电流控制的基准电流。
9.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述基准电流iref包括，
iref＝IrefUPCCGPLL(s)
其中，，Iref表示并网电流参考电流幅值，UPCC表示PCC点电压，GPLL(s)表示改进后的锁相环结构的传递函数。
10.如权利要求1所述的基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：基于所述并网电流ig和所述基准电流iref，获取锁相环时逆变器等效输出阻抗Zout_PLL，
其中，Lf表示滤波电感，KPWM表示脉冲调制增益系数，Gi(s)表示并网电流控制器，Gde(s)表示数字控制延时的传递函数，Iref表示并网电流参考电流幅值，GPLL(s)表示改进后的锁相环结构的传递函数。
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