CN116231648A - 一种基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法 - Google Patents

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CN116231648A CN202211726517.XA CN202211726517A CN116231648A CN 116231648 A CN116231648 A CN 116231648A CN 202211726517 A CN202211726517 A CN 202211726517A CN 116231648 A CN116231648 A CN 116231648A
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汪洋
陈彦斌
葛愿
陈乐然
崔椿洪
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Wuhu Power Supply Co of State Grid Anhui Electric Power Co Ltd
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Wuhu Power Supply Co of State Grid Anhui Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及光伏逆变器技术领域，尤其涉及一种基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，针对具有系统延时下的LCL型单相并网逆变器接入弱电网后电网电压背景谐波的影响以及滤波器谐振带来的影响，建立单相LCL型并网逆变器的数学模型，构建基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制策略。通过减少传感器的使用数量来减少系统成本，且因该系统外环采用的是直接电流控制，保留了电网电流跟踪性能良好、并网功率因数高的优点。引入完全电压前馈控制后，逆变器对电网电压中的谐波具有很好的抑制作用，提升了抗干扰能力，在电网电压中含有谐波的场合，具有前馈控制的方案要更优于无前馈控制的方案。

Description

一种基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法
技术领域
本发明涉及光伏逆变器技术领域，尤其涉及一种基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法。
背景技术
分布式发电的不断发展离不开逆变器并网技术的不断提升，为了能够使得逆变器并网电流的谐波含量符合并网标准，其需要与相应的滤波器配套使用。目前与逆变器配套使用的滤波器主要是L型、L型和LC型这三种比较多，L型和LC型结构相对比较简单，一般用于并网功率比较小的场合和离网的工作模式下。而LCL型与其他类型的滤波器相比，它的综合滤波能力相对更好，因此，它在输出功率较大的场合中使用的更为普遍，但是其自身固有的谐振频率会导致逆变器系统存在谐振的风险，LCL型并网逆变器的谐振问题从产生的原因上主要可以分为逆变器自身固有谐振、弱电网阻抗引起的谐振，导致LCL型并网逆变器的抗干扰能力较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，以解决LCL型逆变器存在谐振风险，导致抗干扰能力较差的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立并网逆变器的数学模型，并建立LCL型单相并网逆变器仿真模型；
S2、选取并网电流i2作为被控对象，得到LCL型单相并网逆变器采用虚拟阻抗作为有源阻尼的系统传递函数；
S3、增加延时补偿器抵消系统延时的影响；
S4、在系统延时得到补偿后，将串联补偿器的延时环节看作一个增益为1的比例环节，并将从并网电流i2引出的有源阻尼的反馈节点后移，得到简化后的并网逆变器传递函数模型；
S5、从简化后的并网逆变器传递函数模型推导出引入有源阻尼后从逆变器输出电压Uinv到并网电流i2的等效传递函数Gieq；
S6、在LCL滤波器的电容两侧并联虚拟阻抗Rv得到更新后的等效传递函数Gieq，联立更新前后的等效传递函数Gieq，得到有源阻尼控制器Gad的传递函数；
S7、基于得到有源阻尼控制器Gad的传递函数对简化后的并网逆变器传递函数模型进行解耦；
S8、增加一条前馈回路对电网电压进行补偿来消除可能携带电网扰动的Vpcc对逆变器输出电流的负面作用，通过串联二阶低通滤波器在低频段实现对二次微分项的等效替代；
S9、由增加了前馈回路的系统控制模型得出前馈控制器Gfd的表达式；
S10、采用准谐振控制器对并网电流进行控制，实现对电网工频信号的无静差跟踪；
S11、将准谐振控制器的传递函数带入步骤S3得到的简化后的并网逆变器传递函数模型，得到逆变器系统的整体开环传递函数。
优选地，逆变器采用虚拟阻抗作为有源阻尼的系统传递函数中，LCL滤波器模块Gi的传递函数为：
Figure BDA0004026666950000021
其中，Gi为LCL滤波器模块，uinv表示进入LCL部分之前的逆变器输出电压，L1表示逆变器侧滤波电感、C表示LCL滤波器中的滤波电容、L2表示电网侧滤波电感，s是频域表示，ωr为LCL滤波器的谐振频率，其表达式为
Figure BDA0004026666950000031
优选地，增加延时补偿器抵消系统延时的影响包括：
采用基于等面积法的延时补偿器抵消系统延时的影响，其传递函数为
Figure BDA0004026666950000032
优选地，引入有源阻尼后从逆变器输出电压Uinv到并网电流i2的等效传递函数Gieq的表达式为
Figure BDA0004026666950000033
其中Gad为有源阻尼控制器。
优选地，步骤S6中，更新后的等效传递函数Gieq的表达式为
Figure BDA0004026666950000034
其中，Rv为并联在滤波电容两端的虚拟阻抗的阻值；
有源阻尼控制器Gad的传递函数为
Figure BDA0004026666950000035
其中，kPWM为全桥逆变电路的等效模型。
优选地，对简化后的并网逆变器传递函数模型进行解耦的过程包括：
S71、对简化后的并网逆变器传递函数模型中LCL滤波器系统的两个反馈回路进行等效变换，分别使它们的反馈信号引出点和信号反馈点前移，得到LCL滤波器系统反馈回路前移变换后的控制模型；
S72、将控制模型的内环作为前向通路G为
Figure BDA0004026666950000036
反馈通路H为/>
Figure BDA0004026666950000037
的负反馈回路，用公式/>
Figure BDA0004026666950000038
对其进行化简，同时将从i2引出的反馈信号相加并后移其反馈点得到等效变换模型；
S73、对Vpcc两侧分别化简，将Vpcc输入侧化简为Gx1，输出侧化简为Gx2，其中
Figure BDA0004026666950000042
优选地，步骤S8中，串联二阶低通滤波器的二次微分环节的传递函数为
Figure BDA0004026666950000043
其中，ωs为转折频率，ξ为阻尼系数；
步骤S9中，前馈控制器Gfd的表达式为
Figure BDA0004026666950000044
优选地，准谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0004026666950000045
其中ω0为谐振角频率，ωc为谐振带宽，kp表示准谐振控制器的比例系数，kr表示基波谐振项的积分增益。
优选地，逆变器系统的整体开环传递函数为
Figure BDA0004026666950000046
优选地，LCL型单相并网逆变器仿真模型中，各参数取值为：
L1＝3.3mH，C＝15μF，L2＝1mH。
本发明的有益效果：本发明针对具有系统延时下的LCL型单相并网逆变器接入弱电网后电网电压背景谐波的影响以及滤波器谐振带来的影响，建立单相LCL型并网逆变器的数学模型，构建基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制策略。通过减少传感器的使用数量来减少系统成本，且因该系统外环采用的是直接电流控制，保留了电网电流跟踪性能良好、并网功率因数高的优点。引入完全电压前馈控制后，逆变器对电网电压中的谐波具有很好的抑制作用，提升了抗干扰能力，在电网电压中含有谐波的场合，具有前馈控制的方案要更优于无前馈控制的方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明，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是本发明实施例中基于虚拟阻抗的电网电压全前馈控制结构图；
图2是本发明实施例中基于虚拟阻抗的并网逆变器传递函数框图；
图3是本发明实施例中简化后的并网逆变器传递函数框图；
图4是本发明实施例中第一步系统等效变换图；
图5是本发明实施例中第二步系统等效变换图；
图6是本发明实施例中第三步系统等效变换图；
图7是本发明实施例中带电压前馈的系统控制图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
本说明书实施例提供一种基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，包括以下步骤：
S1、建立并网逆变器的数学模型，并应用Simulink建立LCL型单相并网逆变器仿真模型，如图1所示；
图中，Udc是直流侧电源电压，开关管VT1-VT4组成了全桥逆变电路，i1是逆变器侧电感电流，ic是电容电流，i2为并网电流。L1表示逆变器侧滤波电感、C表示LCL滤波器中的滤波电容、L2表示电网侧滤波电感。综合考虑了滤波器在开关频率处的衰减为-20dB和谐振频率
Figure BDA0004026666950000061
应满足大于电网频率的10倍、小于开关频率1/2的条件，并在尽量节约电感磁芯材料的前提下，得到各元件具体参数为L1＝3.3mH，C＝15μF，L2＝1mH；
S2、选取并网电流i2作为被控对象，得到LCL型单相并网逆变器采用虚拟阻抗作为有源阻尼的系统传递函数如图2所示；
图中Vpcc为公共耦合点电压，Gc为电流控制器，kPWM为全桥逆变电路的等效模型，在这里，将kPWM近似认为
Figure BDA0004026666950000062
其中Utri为三角载波的幅值。Gad为有源阻尼控制器，Gi为LCL滤波器模块；
S3、增加延时补偿器抵消系统延时的影响；
S4、在系统延时得到补偿后，将串联补偿器的延时环节看作一个增益为1的比例环节，并将从并网电流i2引出的有源阻尼的反馈节点后移，得到简化后的并网逆变器传递函数模型，如图3所示；
S5、从简化后的并网逆变器传递函数模型推导出引入有源阻尼后从逆变器输出电压Uinv到并网电流i2的等效传递函数Gieq；
S6、在LCL滤波器的电容两侧并联虚拟阻抗Rv得到更新后的等效传递函数Gieq，联立更新前后的等效传递函数Gieq，得到有源阻尼控制器Gad的传递函数；
S7、基于得到有源阻尼控制器Gad的传递函数对简化后的并网逆变器传递函数模型进行解耦；
S8、增加一条前馈回路对电网电压进行补偿来消除可能携带电网扰动的Vpcc对逆变器输出电流的负面作用，通过串联二阶低通滤波器在低频段实现对二次微分项的等效替代；
S9、由增加了前馈回路的系统控制模型得出前馈控制器Gfd的表达式；
S10、采用准谐振控制器对并网电流进行控制，实现对电网工频信号的无静差跟踪；
S11、将准谐振控制器的传递函数带入步骤S3得到的简化后的并网逆变器传递函数模型，得到逆变器系统的整体开环传递函数。
作为一种实施方式LCL滤波器模块Gi的传递函数为
Figure BDA0004026666950000071
其中，Gi为LCL滤波器模块，uinv表示进入LCL部分之前的逆变器输出电压，L1表示逆变器侧滤波电感、C表示LCL滤波器中的滤波电容、L2表示电网侧滤波电感，s是频域表示，ωr为LCL滤波器的谐振频率，其表达式为
Figure BDA0004026666950000072
作为一种实施方式，系统延时的存在会改变系统的相频特性，从而影响系统的稳定性，严重限制了控制带宽，特别当谐振频率出现在高于采样频率的1/6的区域时，在单位圆外存在一对极点，使系统无法保持稳定。Gd表示系统的总延时，可以看作一个采样周期的计算延时和相当于半个采样周期的零阶保持器延时的叠加，因此可以表示为：
Figure BDA0004026666950000073
增加延时补偿器抵消系统延时的影响包括：
采用基于等面积法的延时补偿器抵消系统延时的影响，其传递函数为
Figure BDA0004026666950000074
作为一种实施方式，引入有源阻尼后从逆变器输出电压Uinv到并网电流i2的等效传递函数Gieq的表达式为
Figure BDA0004026666950000081
其中Gad为有源阻尼控制器。
步骤S6中，在LCL滤波器的电容两侧并联虚拟阻抗Rv得到的此时由逆变器输出电压Uinv到并网电流i2的等效传递函数式为
Figure BDA0004026666950000082
其中，Rv为并联在滤波电容两端的虚拟阻抗的阻值；
联立更新前后的等效传递函数Gieq，得到有源阻尼控制器Gad的传递函数为
Figure BDA0004026666950000083
作为一种实施方式，对简化后的并网逆变器传递函数模型进行解耦的过程包括：
S71、对简化后的并网逆变器传递函数模型中LCL滤波器系统的两个反馈回路进行等效变换，分别使它们的反馈信号引出点和信号反馈点前移，得到LCL滤波器系统反馈回路前移变换后的控制模型，即对图4中虚线部分进行等效变换，得到的结果如图4的实线部分；
S72、将控制模型的内环看成前向通路G为
Figure BDA0004026666950000084
反馈通路H为/>
Figure BDA0004026666950000085
的负反馈回路，用公式/>
Figure BDA0004026666950000086
对其进行化简，同时将从i2引出的反馈信号相加并后移其反馈点得到等效变换模型，如图5所示；
S73、对Vpcc两侧分别化简，将Vpcc左侧化简为Gx1，右侧化简为Gx2，其中
Figure BDA0004026666950000087
作为一种实施方式，步骤S8中，串联二阶低通滤波器的二次微分环节的传递函数为
Figure BDA0004026666950000091
其中，ωs为转折频率，ξ为阻尼系数，一般情况下，ωs取40000rad/s，ξ取0.707。
步骤S9中，前馈控制器Gfd的表达式为
Figure BDA0004026666950000092
作为一种实施方式，准谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0004026666950000093
其中ω0为谐振角频率，因参考信号为50Hz的工频信号，故取ω0＝314rad/s，ωc为谐振带宽，本实施例中取ωc＝6rad/s，kp表示准谐振控制器的比例系数，kr表示基波谐振项的积分增益。
作为一种实施方式，逆变器系统的整体开环传递函数为
Figure BDA0004026666950000094
其中iref表示参考电流。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立并网逆变器的数学模型，并建立LCL型单相并网逆变器仿真模型；
S2、选取并网电流i2作为被控对象，得到LCL型单相并网逆变器采用虚拟阻抗作为有源阻尼的系统传递函数；
S3、增加延时补偿器抵消系统延时的影响；
S4、在系统延时得到补偿后，将串联补偿器的延时环节看作一个增益为1的比例环节，并将从并网电流i2引出的有源阻尼的反馈节点后移，得到简化后的并网逆变器传递函数模型；
S5、从简化后的并网逆变器传递函数模型推导出引入有源阻尼后从逆变器输出电压Uinv到并网电流i2的等效传递函数Gieq；
S6、在LCL滤波器的电容两侧并联虚拟阻抗Rv得到更新后的等效传递函数Gieq，联立更新前后的等效传递函数Gieq，得到有源阻尼控制器Gad的传递函数；
S7、基于得到有源阻尼控制器Gad的传递函数对简化后的并网逆变器传递函数模型进行解耦；
S8、增加一条前馈回路对电网电压进行补偿来消除可能携带电网扰动的Vpcc对逆变器输出电流的负面作用，通过串联二阶低通滤波器在低频段实现对二次微分项的等效替代；
S9、由增加了前馈回路的系统控制模型得出前馈控制器Gfd的表达式；
S10、采用准谐振控制器对并网电流进行控制，实现对电网工频信号的无静差跟踪；
S11、将准谐振控制器的传递函数带入步骤S3得到的简化后的并网逆变器传递函数模型，得到逆变器系统的整体开环传递函数。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，逆变器采用虚拟阻抗作为有源阻尼的系统传递函数中，LCL滤波器模块Gi的传递函数为：
Figure FDA0004026666940000021
其中，Gi为LCL滤波器模块，uinv表示进入LCL部分之前的逆变器输出电压，L1表示逆变器侧滤波电感、C表示LCL滤波器中的滤波电容、L2表示电网侧滤波电感，s是频域表示，ωr为LCL滤波器的谐振频率，其表达式为
Figure FDA0004026666940000022
3.根据权利要求2所述的基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，增加延时补偿器抵消系统延时的影响包括：
采用基于等面积法的延时补偿器抵消系统延时的影响，其传递函数为
Figure FDA0004026666940000023
4.根据权利要求3所述的基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，引入有源阻尼后从逆变器输出电压Uinv到并网电流i2的等效传递函数Gieq的表达式为
Figure FDA0004026666940000024
/>
其中Gad为有源阻尼控制器。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，步骤S6中，更新后的等效传递函数Gieq的表达式为
Figure FDA0004026666940000025
其中，Rv为并联在滤波电容两端的虚拟阻抗的阻值；
有源阻尼控制器Gad的传递函数为
Figure FDA0004026666940000031
其中，kPWM为全桥逆变电路的等效模型。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，对简化后的并网逆变器传递函数模型进行解耦的过程包括：
S71、对简化后的并网逆变器传递函数模型中LCL滤波器系统的两个反馈回路进行等效变换，分别使它们的反馈信号引出点和信号反馈点前移，得到LCL滤波器系统反馈回路前移变换后的控制模型；
S72、将控制模型的内环作为前向通路G为
Figure FDA0004026666940000032
反馈通路H为/>
Figure FDA0004026666940000033
的负反馈回路，用公式
Figure FDA0004026666940000034
对其进行化简，同时将从i2引出的反馈信号相加并后移其反馈点得到等效变换模型；
S73、对Vpcc两侧分别化简，将Vpcc输入侧化简为Gx1，输出侧化简为Gx2，其中
Figure FDA0004026666940000035
7.根据权利要求6所述的基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，步骤S8中，串联二阶低通滤波器的二次微分环节的传递函数为
Figure FDA0004026666940000036
其中，ωs为转折频率，ξ为阻尼系数；
步骤S9中，前馈控制器Gfd的表达式为
Figure FDA0004026666940000037
8.根据权利要求7所述的基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，准谐振控制器的传递函数为：
Figure FDA0004026666940000041
其中ω0为谐振角频率，ωc为谐振带宽，kp表示准谐振控制器的比例系数，kr表示基波谐振项的积分增益。
9.根据权利要求8所述的基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，逆变器系统的整体开环传递函数为
Figure FDA0004026666940000042
10.根据权利要求1所述基于虚拟阻抗的单相并网逆变器前馈控制方法，其特征在于，LCL型单相并网逆变器仿真模型中，各参数取值为：
L1＝3.3mH，C＝15μF，L2＝1mH。
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