一种提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法

摘要

本发明公开了一种提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法，其特征是：在含有源阻尼的LCL型并网逆变器中，加入基于并网电流的相位补偿器，构建串联的虚拟阻抗，用于校正逆变器输出阻抗的阻抗角，通过提高弱电网下并网逆变器的相角裕度，改善逆变器并网电流波形质量，提高弱电网下并网逆变器系统稳定性。

权利要求

1.一种提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法，其特征是：在含有源阻尼的LCL型并网逆变器中，加入基于并网电流的相位补偿器，构建串联的虚拟阻抗，用于校正逆变器输出阻抗的阻抗角，通过提高弱电网下并网逆变器的相角裕度，改善逆变器并网电流波形质量，提高弱电网下并网逆变器系统稳定性；所述方法是按如下步骤进行：步骤1：将并网点电压采样信号upcc_s、并网电流采样信号ig_s和电容电流采样信号ic_s通过电流控制器，得到输出信号ui1＝(iref-ig_s)(Kp+Ki/s)-ic_s；

所述电容电流采样信号ic_s是指构成LCL滤波器中的滤波电容C的电流采样信号；iref是并网电流的指令信号，其中iref的幅值为设定值，iref的相位由并网点电压采样信号upcc_s通过锁相环获得；Kp为并网电流调节器Gi(s)的比例系数，Ki为并网电流调节器Gi(s)的积分系数，s为复频域变量；

步骤2：将并网电流采样信号ig_s通过相位补偿器Gfc(s)，得到输出信号为ui2；

所述相位补偿器Gfc(s)的表达为：

式(1)中，K为相位补偿器Gfc(s)的增益，p为极点角频率，z为零点角频率；所述增益K、极点角频率p和零点角频率z的参数值由下述条件决定：(1)、增益K的取值由高频抗扰性能决定，如式(2)所表达：|Gfc(s)|max＝K≤Kmax  (2)式(2)中，|Gfc(s)|max为相位补偿器Gfc(s)的最大模值，Kmax为K的最大取值，为了提高Gfc(s)的高频抗扰性能，取Kmax为1；

(2)、极点角频率p不小于其最小值pmin，pmin如式(3)所表达：pmin＝max{pcmin,pomin}  (3)式(3)中，pcmin是由电流跟踪截止频率确定的最小p值，pomin是由逆变器本体稳定性确定的最小p值；

pcmin由式(4)获得：

式(4)中：

由LCL并网逆变器系统设定的各参数分别是：LCL滤波器中逆变器侧电感L1和网侧电感L2，由开关管构成的逆变桥的逆变桥增益Ginv，并网电流采样系数Ki2，并网电流调节器Gi(s) 的比例系数Kp，以及并网电流调节器Gi(s)的积分系数Ki；

ωc为期望的逆变器电流跟踪的截止角频率；

pomin由式(5)获得：

式(5)中：

LCL滤波器中的电容C，以及滤波电容的电流采样系数Ki1为LCL并网逆变器的系统设定参数；

PMos为期望的Zos/Zo的相角裕度；

ωos为虚拟的串联阻抗Zos和逆变器输出阻抗Zo的交点角频率,ωos由式(6)获得：式(6)中，j为虚数单位；

在Gfc(s)中用jωos替换s算子得到Gfc(jωos)；

在Gi(s)中用jωos替换s算子得到Gi(jωos)；

(3)、零点角频率z不大于其最大值zmax，zmax由式(7)获得：式(7)中，ω0为电流基波角频率；GM为期望电流基波增益；

(4)、零点角频率z不小于其最小值zmin，zmin由式(8)获得：式(8)中：

Zg根据并网标准设定；

PM为期望的阻抗比Zg/Zo的相角裕度；

ωg为逆变器输出阻抗Zo和电网阻抗Zg的交点角频率，ωg由式(9)获得：式(9)中，j为虚数单位，Gi(jωg)是在Gi(s)中用jωg替换s算子获得；

(5)、极点角频率p不大于其最大值pmax，pmax由式(10)获得：步骤3:调制信号Vm为：Vm＝ui1-ui2，将所述调制信号Vm输入到SPWM生成器，产生PWM信号控制逆变器的开关管。

说明书

一种提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法

技术领域

[0001] 本发明属于并网逆变器控制技术领域，更具体地说是涉及一种提高并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法，用于改善逆变器并网电流波形质量，提高弱电网下并网逆变器系统稳定性。

背景技术

[0002] 基于可再生能源，如风能、太阳能等的分布式发电技术是人类应对能源危机和环境污染的重要途径之一。并网逆变器作为分布式发电系统与电网之间的关键接口设备，其性能好坏直接决定着并网电流质量。

[0003] 随着分布式电源并网功率的增加和接入电网位置的广泛分布，考虑到较长的输配电线路、较多的隔离变压器、大量的分布式发电设备挂接于并网点PCC点等因素，电网越来越表现出弱电网的特性，电网阻抗已不可忽略。在弱电网条件下，电网阻抗和逆变器输出阻抗会产生交互作用，导致强电网下稳定运行的并网逆变器产生振荡、失稳。因此，并网逆变器的设计，需要减弱消除电网阻抗对逆变器性能的影响，保证并网逆变器在各类电网阻抗条件下的稳定运行。弱电网条件下，并网逆变器的稳定性由两部分决定：一是强电网下，并网逆变器的稳定性(以下统称为逆变器本体稳定性)；二是弱电网下，电网阻抗和逆变器输出阻抗的交互作用引起的稳定性(以下统称为弱电网下并网逆变器稳定性)。当逆变器本体稳定时，通过改变逆变器的输出阻抗可改善弱电网下并网逆变器稳定性。然而，目前并网逆变器阻抗校正方法中，一是需要准确测量电网阻抗，测量误差导致补偿不准确；二是需要引入高阶微分环节，工程实现困难。

发明内容

[0004] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法。通过引入基于并网电流的相位补偿器，校正逆变器输出阻抗的阻抗角，提高弱电网下并网逆变器的相角裕度，改善逆变器并网电流波形质量，提高弱电网下并网逆变器稳定性。

[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0006] 本发明提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法的特点是：在含有源阻尼的LCL型并网逆变器中，加入基于并网电流的相位补偿器，构建串联的虚拟阻抗，用于校正逆变器输出阻抗的阻抗角，通过提高弱电网下并网逆变器的相角裕度，改善逆变器并网电流波形质量，提高弱电网下并网逆变器系统稳定性。

[0007] 本发明提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法的特点也在于：所述方法是按如下步骤进行：

[0008] 步骤1：将并网点电压采样信号upcc_s、并网电流采样信号ig_s和电容电流采样信号ic_s通过电流控制器，得到输出信号ui1＝(iref-ig_s)(Kp+Ki/s)-ic_s；

[0009] 所述电容电流采样信号ic_s是指构成LCL滤波器中的滤波电容C的电流采样信号；iref是并网电流的指令信号，其中iref的幅值为设定值，iref的相位由并网点电压采样信号upcc_s通过锁相环获得；Kp为并网电流调节器Gi(s)的比例系数，Ki为并网电流调节器Gi(s)的积分系数，s为复频域变量。

[0010] 步骤2：将并网电流采样信号ig_s通过相位补偿器Gfc(s)，得到输出信号为ui2；

[0011] 步骤3:调制信号Vm为：Vm＝ui1-ui2，将所述调制信号Vm输入到SPWM生成器，产生PWM信号控制逆变器的开关管。

[0012] 本发明LCL并网逆变器输出阻抗的阻抗角校正方法的特点也在于：

[0013] 所述相位补偿器Gfc(s)的表达为：

[0014]

[0015] 式(1)中，K为相位补偿器Gfc(s)的增益，p为极点角频率，z为零点角频率；所述增益K、极点角频率p和零点角频率z的参数值由下述条件决定：

[0016] (1)、增益K的取值由高频抗扰性能决定，如式(2)所表达：

[0017] |Gfc(s)|max＝K≤Kmax  (2)

[0018] 式(2)中，|Gfc(s)|max为相位补偿器Gfc(s)的最大模值，Kmax为K的最大取值，为了提高Gfc(s)的高频抗扰性能，取Kmax为1；

[0019] (2)、极点角频率p不小于其最小值pmin，pmin如式(3)所表达：

[0020] pmin＝max{pcmin,pomin}  (3)

[0021] 式(3)中，pcmin是由电流跟踪截止频率确定的最小p值，pomin是由逆变器本体稳定性确定的最小p值；

[0022] pcmin由式(4)获得：

[0023]

[0024] 式(4)中：

[0025] 由LCL并网逆变器系统设定的各参数分别是：LCL滤波器中逆变器侧电感L1和网侧电感L2，由开关管构成的逆变桥的逆变桥增益Ginv，并网电流采样系数Ki2，并网电流调节器Gi(s)的比例系数Kp，以及并网电流调节器Gi(s)的积分系数Ki；

[0026] ωc为期望的逆变器电流跟踪的截止角频率；

[0027] pomin由式(5)获得：

[0028]

[0029] 式(5)中：

[0030] LCL滤波器中的电容C，以及滤波电容的电流采样系数Ki1为LCL并网逆变器的系统设定参数；

[0031] PMos为期望的Zos/Zo的相角裕度；

[0032] ωos为虚拟的串联阻抗Zos和逆变器输出阻抗Zo的交点角频率,ωos由式(6)获得：

[0033]

[0034] 式(6)中，j为虚数单位；

[0035] 在Gfc(s)中用jωos替换s算子得到Gfc(jωos)；

[0036] 在Gi(s)中用jωos替换s算子得到Gi(jωos)；

[0037] (3)、零点角频率z不大于其最大值zmax，zmax由式(7)获得：

[0038]

[0039] 式(7)中，ω0为电流基波角频率；GM为期望电流基波增益；

[0040] (4)、零点角频率z不小于其最小值zmin，zmin由式(8)获得：

[0041]

[0042] 式(8)中：

[0043] Zg根据并网标准设定；

[0044] PM为期望的阻抗比Zg/Zo的相角裕度；

[0045] ωg为逆变器输出阻抗Zo和电网阻抗Zg的交点角频率，ωg由式(9)获得：

[0046]

[0047] 式(9)中，j为虚数单位，Gi(jωg)是在Gi(s)中用jωg替换s算子获得；

[0048] (5)、极点角频率p不大于其最大值pmax，pmax由式(10)获得：

[0049]

[0050] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0051] 本发明加入基于并网电流的相位补偿器，通过重塑逆变器输出阻抗的阻抗角，有效提高了弱电网下并网逆变器的相角裕度；本发明方法不需要更改原有控制器参数，也不需要实时测量电网阻抗值，在电网阻抗大范围变动的情况下，均能保证并网逆变器的稳定工作，且并网电流的THD数值大幅下降。

附图说明

[0052] 图1为本发明中LCL并网逆变器系统结构框图。

[0053] 图2为本发明中LCL并网逆变器控制框图。

[0054] 图3为加入相位补偿器前后逆变器输出阻抗的波特图。

[0055] 图4为弱电网下不加相位补偿器时并网电流仿真波形。

[0056] 图5为弱电网下加入相位补偿器时并网电流仿真波形。

[0057] 图中标号：1直流源，2逆变桥，3为LCL滤波器，4公共电网，由理想电压源Ug和电网阻抗Zg组成；5电流控制器；6相位补偿器；7为SPWM生成器。

具体实施方式

[0058] 参见图1，本实施例中弱电网下单相LCL并网逆变器系统包括：直流源1，由四个带续流二极管的开关管组成的逆变桥2，由滤波电感L1、L2和滤波电容C组成的LCL滤波器，由理想电压源Ug和电网阻抗Zg组成的公共电网4，电流控制器5，相位补偿器6和SPWM生成器7。

[0059] 如图1和图2所示，本实施例中提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法是：在含有源阻尼的LCL型并网逆变器中，加入基于并网电流的相位补偿器，构建串联的虚拟阻抗，用于校正逆变器输出阻抗的阻抗角，通过提高弱电网下并网逆变器的相角裕度，改善逆变器并网电流波形质量，提高弱电网下并网逆变器稳定性。

[0060] 本实施例中提高LCL型并网逆变器稳定性的输出阻抗校正方法按如下步骤进行：

[0061] 步骤1：将并网点电压采样信号upcc_s、并网电流采样信号ig_s和电容电流采样信号ic_s通过电流控制器，得到输出信号ui1＝(iref-ig_s)(Kp+Ki/s)-ic_s；

[0062] 所述电容电流采样信号ic_s是指构成LCL滤波器中的滤波电容C的电流采样信号；iref是并网电流的指令信号，由并网点电压采样信号upcc_s通过锁相环获得；Kp为并网电流调节器Gi(s)的比例系数，Ki为并网电流调节器Gi(s)的积分系数，s为复频域变量。

[0063] 步骤2：将并网电流采样信号ig_s通过相位补偿器Gfc(s)，得到输出信号为ui2；

[0064] 步骤3:调制信号Vm为：Vm＝ui1-ui2，将所述调制信号Vm输入到SPWM生成器，产生PWM信号控制逆变器的开关管。

[0065] 本实施例中所提出的相位补偿器Gfc(s)，其表达式为式(1)：

[0066]

[0067] 式(1)中，K为相位补偿器Gfc(s)的增益，p为极点角频率，z为零点角频率；增益K、极点角频率p和零点角频率z的参数值由下述条件决定：

[0068] (1)、增益K的取值由高频抗扰性能决定，如式(2)所表达：

[0069] |Gfc(s)|max＝K≤Kmax  (2)

[0070] 式(2)中，|Gfc(s)|max为相位补偿器Gfc(s)的最大模值，Kmax为K的最大取值，为了提高Gfc(s)的高频抗扰性能，取Kmax为1。

[0071] (2)、极点角频率p不小于其最小值pmin，pmin如式(3)所表达：

[0072] pmin＝max{pcmin,pomin}  (3)

[0073] 式(3)中，pcmin是由电流跟踪截止频率确定的最小p值，pomin是由逆变器本体稳定性确定的最小p值。

[0074] pcmin由电流跟踪截止频率决定，p越大截止频率越大。由于z几乎不影响截止频率，令z＝0，假设ωc为期望的逆变器电流跟踪的截止角频率，pcmin由式(4)获得：

[0075]

[0076] 式(4)中：

[0077] 由LCL并网逆变器系统设定的各参数分别是：LCL滤波器中逆变器侧电感L1和网侧电感L2，由开关管构成的逆变桥的逆变桥增益Ginv，并网电流采样系数Ki2，并网电流调节器Gi(s)的比例系数Kp，以及并网电流调节器Gi(s)的积分系数Ki。

[0078] pomin由逆变器本体稳定性确定。加入相位补偿器后的逆变器本体稳定性可由Zos/Zo判断，且p越大其稳定性越好。由于z几乎不影响逆变器本体稳定性，令z＝0,假设PMos为期望的Zos/Zo的相角裕度，pomin由式(5)获得：

[0079]

[0080] 式(5)中：

[0081] LCL滤波器中的电容C，以及滤波电容的电流采样系数Ki1为LCL并网逆变器的系统设定参数；ωos为虚拟的串联阻抗Zos和逆变器输出阻抗Zo的交点角频率,ωos由式(6)获得：

[0082]

[0083] 式(6)中，j为虚数单位；

[0084] 在Gfc(s)中，用jωos替换s算子得到Gfc(jωos)；

[0085] 在Gi(s)中，用jωos替换s算子得到Gi(jωos)；

[0086] (3)、相位补偿控制会影响系统基波增益，为保证较好的基波跟踪性能，基波增益应满足设计要求；假设GM为期望的电流基波增益，零点角频率z不大于其最大值zmax，zmax由式(7)获得：

[0087]

[0088] 式(7)中，ω0为电流基波角频率；

[0089] (4)、弱电网下并网逆变器稳定性由Zg/Zo判断，假设PM为期望的阻抗比Zg/Zo的相角裕度，零点角频率z不小于其最小值zmin，zmin由式(8)获得：

[0090]

[0091] 式(8)中：

[0092] Zg根据并网标准设定；

[0093] ωg为逆变器输出阻抗Zo和电网阻抗Zg的交点角频率，ωg由式(9)获得：

[0094]

[0095] 式(9)中，j为虚数单位，Gi(jωg)是在Gi(s)中用jωg替换s算子获得；

[0096] (5)、极点角频率p不大于其最大值pmax，pmax由式(10)获得：

[0097]

[0098] 根据以上式(1)～(10)获得参数K、p、z的取值范围。

[0099] 为验证本发明提出的阻抗角校正方法的有效性，在Matlab/simulink中搭建额定容量为6kw单相并网逆变器模型。图3为加入相位补偿器前后逆变器输出阻抗的波特图，其中Zo为不加入相位补偿器的逆变器输出阻抗，Z'os为加入相位补偿器的逆变器输出阻抗，Zg为电网阻抗。从图3中可以看出，当电网阻抗为2.6mH时，逆变器输出阻抗和电网阻抗交点A处的相角裕度由原来的-0.6°提高到31.3°，系统的稳定性大幅提高。图4为弱电网下不加入相位补偿器时并网电流波形，此时电网阻抗为2.6mH，可以看出并网电流发生了振荡。图5为弱电网下加入相位补偿器时的并网电流波形，由于此时逆变器的输出阻抗的阻抗角得到很好的补偿，系统的稳定性得到提高，并网电流波形质量也达到极大改善。本发明所提出的基于阻抗角校正的并网逆变器稳定性改善方法，能很好地改善弱电网下系统的稳定性。