张旸;陈新;王昀;龚春英
【摘 要】由于大功率分布式发电装置散落分布,电网表现出弱电网特性,电网阻抗会影响并网逆变器的稳定性,使并网电流发生谐波振荡,甚至系统失稳.首先建立了LCL型单相并网逆变器的输出阻抗数学模型,通过阻抗分析方法研究了弱电网工作条件下并网逆变器的稳定性;然后基于系统相角裕度动态补偿控制思路,提出了一种并网逆变器的阻抗相角补偿控制策略,给出该阻抗相角动态控制策略的具体实现方法与参数设计过程,并定量分析了锁相环、数字控制延迟与阻抗相角补偿控制对逆变器输出阻抗数学模型的影响,以及阻抗相角补偿控制策略对逆变器并网电流基频相位的影响;最后结合脉冲响应法在线测量电网阻抗,设计阻抗相角动态控制方案,通过实验对该方案的有效性进行验证.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2017(032)001
【总页数】10页(P97-106)
【关键词】弱电网;并网逆变器;稳定性;阻抗相角补偿;阻抗相角动态控制
【作 者】张旸;陈新;王昀;龚春英
DASIC
【作者单位】江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学) 南京210016;江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学) 南京210016;江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学) 南京210016;江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学) 南京210016
【正文语种】中 文
【中图分类】TM615
分布式发电系统呈散落分布状，其需要大量变压器及较长的输电线连接入公共电网，使得公共电网存在一个不可忽略且随电网运行方式发生变化的等效电网阻抗，表现出弱电网特性[1]。同时，在公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)的电压可能存在较为严重的谐波[2]。作为分布式发电系统与电网间接口的并网逆变器，工作在弱电网下时，其系统的稳定性将会受到影响。因此弱电网下并网逆变器的稳定性问题成为研究的热点。
文献[3]研究了弱电网对并网逆变器电流控制器与锁相环(Phase Locked Loop，PLL)的影响，通过时域响应分析方法，研究了比例积分(PI)控制器、比例谐振(PR)控制器及滞环控制器在弱电网下的动态性能变化以及系统稳定性问题。文献[4]分别评估了应用有源阻尼控制、谐波振荡控制、重复控制及电网电压前馈控制四种控制方法的单相并网逆变器在弱电网下工作的稳定性问题。文献[5]分析了电网阻抗对并网逆变器控制系统的影响，并给出一种改进的电网电压前馈控制策略用于提高弱电网下并网逆变器的稳定性。文献[6]研究了在大型光伏电站多逆变器并联工作情况下电网阻抗对逆变器电流控制的影响，通过建立三相LCL并网逆变器并联系统等效模型分析在弱电网工作条件下系统稳定性以及谐波放大原因。爬山猴
通常研究弱电网下并网逆变器的稳定性采用控制系统数学建模的方法[3-6]，即通过分析不同电网条件下开环控制函数的特性研究并网逆变器的稳定性。但该方法将控制参数模型和电网阻抗参数耦合在一起，使得分析和设计过程变得复杂。因此，一种基于阻抗的稳定性分析方法被提出[7]，该方法将并网逆变器与电网视为两个独立的子系统，通过独立控制逆变器的阻抗实现增强系统稳定性的目的。
超市
目前，阻抗控制的方法可以分为三类：①通过改变并网逆变器电流控制器结构及锁相环的参数实现阻抗控制[8-10]；②通过虚拟无源器件改变并网逆变器滤波器的等效结构与参数实现阻抗控制[11，12]；③通过定义阻抗控制环节直接作用于并网逆变器输出阻抗实现阻抗控制[13-17]。三类阻抗控制的方法各有其局限性，可能存在控制范围有限、针对性不强的问题。同时大部分阻抗控制的研究都未考虑锁相环对逆变器输出阻抗的影响。
本文以提高弱电网下并网逆变器稳定性为目标，提出一种并网逆变器阻抗相角补偿控制方案，实现不同电网阻抗下逆变器阻抗相角的动态补偿，有效提高并网逆变器的稳定性。首先建立考虑锁相环及采样与数字控制延迟的LCL型单相并网逆变器输出阻抗数学模型，并基于阻抗的分析方法分析并网逆变器的稳定性；然后提出一种并网逆变器阻抗相角补偿控制策略，给出实现方法与参数设计过程，并分析阻抗相角补偿控制策略对并网逆变器输出阻抗的影响；最后基于提出的控制策略，设计阻抗相角动态控制方案，通过实验对该方案进行验证。
图1为弱电网下基于LCL滤波器的单相全桥并网逆变器结构。图1中，Vin为直流输入电压，Q1～Q4为功率开关管，uinv为逆变器桥臂输出电压，L1为逆变器侧滤波电感，Cf为滤波
汪天云
电容，R为串联于滤波电容的阻尼电阻，L2为电网侧滤波电感，ig为逆变器并网电流，uo为PCC点电压，Zgrd为电网阻抗，ug为公共电网。
并网逆变器需要锁相环实现并网电流对PCC点电压相位的跟踪，早期单相并网逆变器使用硬件锁相方法，但该方法存在相位滞后和过零畸变的问题，因此逐渐被软件锁相方法所取代。同步旋转坐标系锁相环(Synchronous Reference Frame Phase Locked Loop, SRF-PLL)是目前比较常用的软件锁相方法，也是本文所采用的锁相方法，其控制框图如图2所示。
通过列写SRF-PLL时域方程、小信号扰动、模型线性化、拉氏变换之后可以得到SRF-PLL的数学模型为
并网逆变器在采用数字控制时将会引入采样与数字控制延迟。根据数字控制的特点，采样开关的数学模型可以表示为1/Ts，其中Ts为采样周期。而数字控制器PWM模块对数据的处理可以等效为零阶保持器GZ(s),即
数字控制器执行程序或进行计算所需的时间可以等效为一拍滞后Gv(s)，即
为了简化控制框图，定义采样与数字控制延迟形成的传递函数为Gd(s) [18]为
将系统其余部分进行线性化后得到控制框图如图3所示。图3中，Gi(s)为电流调节器，KPWM为并网逆变器的桥臂增益。因此可以推导出单相并网逆变器输出阻抗Zinv(s)，定义GC(s)=Cfs (CfRs+1)简化表达式为
定义不考虑锁相环时逆变器输出阻抗Zo(s)为
定义锁相环等效阻抗ZPLL(s)为
那么式(5)可以改写为锁相环等效阻抗ZPLL(s)与不考虑锁相环时逆变器输出阻抗Zo(s)并联的形式，即
将并网逆变器等效为理想电流源is(s)与逆变器输出阻抗Zo(s)并联电路，弱电网等效为理想电压源ug(s)与电网阻抗Zgrd(s)串联电路，以诺顿等效电路的形式表示弱电网下并网逆变器的小信号模型，如图4a所示。然而在考虑锁相环时，受控电流源-uo(s)/ZPLL(s)将取代理想电流源is(s)，此时弱电网下并网逆变器诺顿模型如图4b所示。关于加快推进生态文明建设的意见
根据图4b列写并网电流ig(s)的表达式为
假设没有并网逆变器时，电网电压稳定；没有电网阻抗时，并网逆变器工作稳定。因此由式(9)可知并网电流ig(s)的稳定性取决于Zgrd(s)/Zinv(s)，即当阻抗比Zgrd(s)/Zinv(s)满足奈奎斯特稳定判据时并网逆变器可以稳定工作[19]。
当电网表现为弱电网特性时，阻抗比Zgrd(s)/Zinv(s)的奈奎斯特曲线与单位圆可能存在交截，而αPM则表示交截频率处的相角裕度。在图5中，阻抗比对(-1,0)包围次数为0，表明该情况下系统是稳定的，但值得注意的是：阻抗比奈奎斯特稳定判据是并网逆变器与电网交互稳定的必要条件。在某些应用场合，即使阻抗比满足奈奎斯特稳定判据，但如果阻抗比与单位圆交截频率处的相角裕度不足，仍然可能造成在该交截频率处的谐波放大。为了保证闭环系统有较好的阻尼特性与动态性能，相角裕度至少为30°，因此本文选取αPM >30°作为保证并网逆变器稳定的条件。
ca1170由第1节可知，如果阻抗比的相角裕度不足时，弱电网下并网逆变器很有可能出现特定谐波放大，从而影响电能质量，甚至会导致谐波振荡。定义阻抗比Zgrd(s)/Zinv(s)与单位圆的交截频率为fi(在该频率处，电网阻抗Zgrd(s)与并网逆变器输出阻抗Zinv(s)幅值相等)，那么阻抗比在fi处的相角裕度可写为
式(10)表明通过减小arg(Zgrd(fi))或增大
定义Ga(s)为并网逆变器输出阻抗相角补偿函数，其表达式为
Ga(s)的频率特性表明其可以在设计的频率范围内呈现出较大的相角。若将Ga(s)与并网逆变器输出阻抗进行串联校正即可实现特定频率范围内补偿并网逆变器输出阻抗相角的目的。经过相角补偿后的单相并网逆变器输出阻抗模型为
通过分析图3与式(12)发现前馈PCC点电压uo(s)可以实现并网逆变器输出阻抗相角补偿，定义阻抗相角补偿环节为Gp(s)，得到单相并网逆变器输出阻抗相角补偿后的控制框图如图6所示。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议