CN107437818B - 抑制弱电网下三相lcl型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法 - Google Patents

抑制弱电网下三相lcl型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法。在并网变换器电流控制中增加以锁相环同步电压为输入的锁相环小信号扰动抑制信号，即，将q轴电容电压Ucq乘以电流扰动抑制器GPLLi获得电流扰动抑制信号IPLLs，增加至q轴并网电流反馈中；将q轴电容电压Ucq乘以电压扰动抑制器GPLLu获得电压扰动抑制信号UPLLs，增加至q轴控制电压中。从而提高了LCL型并网变换器在弱电网下对锁相环小信号扰动的抑制性能，使***在弱电网下保持较强的鲁棒性。

Description

抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动的控 制方法
技术领域
本发明属于新能源并网发电技术领域，具体涉及一种三相LCL型并网变换器***及抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法。
背景技术
随着新能源并网渗透率的提高，各国和地区都相继制定了严格的并网导则，对并网变换器的控制性能提出了更高的要求。由于新能源通常远离负载中心，电网呈现弱电网的特性，电网阻抗不可忽略。通常用短路比(电网短路容量与并网变换器额定容量之比)来表示电网的强弱，当短路比小于3且大于等于2时，电网为弱电网，当短路比小于2时，电网为极弱电网。
锁相环通常用于同步并网电流的相位和频率，使之跟踪电网电压。在弱电网下，公共耦合点(PCC)的电压波动会导致锁相环暂态响应，使***不能保持理想的控制性能，稳定裕度下降。并且，锁相环会影响并网变换器的输出阻抗，对并网电流控制产生不利影响。
一些文献研究了锁相环带宽改变时，锁相环对并网电流控制小信号扰动的影响。小信号扰动是指，扰动造成的影响足够小，可以对***的模型进行线性化而不至于影响分析的精度。高锁相环带宽可以加速并网变换器的动态响应，但是在弱电网下会导致并网变换器和电网之间的谐振，使***不稳定。降低锁相环带宽，弱电网下锁相环对并网电流的小信号扰动影响可以被抑制，但是会使得并网电流的动态响应变慢，不利于***的故障穿越。所以，通过调整锁相环带宽来抑制弱电网下锁相环对并网电流控制的小信号扰动影响是不切实际的。
因此，如何抑制弱电网下锁相环对并网电流控制的小信号扰动影响，是当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法，通过将锁相环的同步电压(交流侧滤波电容电压)乘以扰动补偿项，增加至并网变换器电流控制中；从而提高了并网变换器在弱电网下对锁相环扰动的抑制能力。
本发明提供的抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法，包括以下步骤：
(1)获得所述三相LCL型并网变换器三相电容电压Ucabc、三相并网电流I2abc和三相电容电流Icabc；
(2)对所述三相电容电压Ucabc进行锁相处理，获得所述三相电容电压Ucabc的相角θ和q轴电容电压Ucq；根据所述相角θ对所述三相并网电流I2abc进行abc/dq坐标变换后获得同步旋转坐标系下的d轴并网电流I2d、q轴并网电流I2q；
对所述三相电容电流Icabc进行abc/αβ坐标变换，获得两相静止坐标系下的α轴电容电流Icα、β轴电容电流Icβ；
(3)将所述q轴电容电压Ucq乘以电流扰动抑制器GPLLi获得电流扰动抑制信号IPLLs，将所述q轴电容电压Ucq乘以电压扰动抑制器GPLLu获得电压扰动抑制信号UPLLs；
(4)将所述q轴并网电流I2q与所述电流扰动抑制信号IPLLs相减获得扰动抑制后的q轴并网电流I′2q；
(5)将给定的q轴并网电流指令与所述扰动抑制后q轴并网电流I′2q相减获得q轴并网电流误差I2eq，并对所述q轴并网电流误差I2eq进行闭环处理，获得q轴控制电压Urq；
将所述d轴并网电流指令与所述d轴并网电流I2d相减获得d轴并网电流误差I2ed；并对所述d轴并网电流误差I2ed进行闭环处理，获得d轴控制电压Urd；
(6)将所述q轴控制电压Urq与所述电压扰动抑制信号UPLLs相加获得扰动抑制后的q轴控制电压U′rq；
(7)根据所述相角θ对所述d轴控制电压Urd和所述扰动抑制后的q轴控制电压U′rq进行dq/αβ坐标变换获得两相静止坐标系下的α轴控制电压U′rα、β轴控制电压U′rβ；
(8)根据所述α轴控制电压U′rα、β轴控制电压U′rβ、α轴电容电流Icα和β轴电容电流Icβ获得α轴调制电压Urα、β轴调制电压Urβ；
(9)对所述α轴调制电压Urα和β轴调制电压Urβ进行空间矢量脉宽调制，获得并网变换器的开关控制信号。
更进一步地，在步骤(3)中，电流扰动抑制器GPLLi的表达式为电压扰动抑制器GPLLu的表达式为
其中，s为复变量，GPLLi(s)为电流扰动抑制器GPLLi的拉氏变换，GPLLu(s)为电压扰动抑制器GPLLu的拉氏变换，为d轴满载并网电流，为d轴变换器输出电压，kppll为锁相环PI控制器比例系数，kipll为锁相环PI控制器积分系数。
更进一步地，在步骤(8)中，根据公式获得α轴调制电压Urα、β轴调制电压Urβ；
其中，Kcp为电容电流反馈比例系数。
本发明还提供了一种三相LCL型并网变换器***，包括：变换器和控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：锁相环、三相并网电流坐标变换、锁相环扰动抑制器、并网电流控制单元、有源阻尼控制单元和空间矢量脉宽调制器。所述锁相环的输入端连接至所述变换器的电容电压输出端，所述三相并网电流坐标变换的第一输入端连接至所述变换器的并网电流输出端，所述三相并网电流坐标变换的第二输入端连接至所述锁相环的第一输出端，所述锁相环扰动抑制器的第一输入端连接至所述锁相环的第二输出端，所述三相并网电流坐标变换的第一输出端连接至所述锁相环扰动抑制器的第二输入端，所述锁相环扰动抑制器的第一输出端连接至所述并网电流控制单元第一输入端，所述三相并网电流坐标变换的第二输出端连接至所述并网电流控制单元的第二输入端，所述并网电流控制单元的第一输出端连接至所述锁相环扰动抑制器的第三输入端，所述有源阻尼控制单元的第一输入端连接至所述变换器的电容电流输出端，所述有源阻尼控制单元的第二输入端连接至所述锁相环的第一输出端，锁相环扰动抑制器的第二输出端连接至所述有源阻尼控制单元的第三输入端，所述并网电流控制单元的第二输出端连接至所述有源阻尼控制单元的第四输入端，所述有源阻尼控制单元的第一输出端连接至所述空间矢量脉宽调制器的第一输入端，所述有源阻尼控制单元的第二输出端连接至所述空间矢量脉宽调制器的第二输入端，所述空间矢量脉宽调制器的输出端连接至所述变换器的反馈控制端并用于提供开关控制信号。
更进一步地，所述的三相LCL型并网变换器***，其特征在于，锁相环扰动抑制器包括：电流扰动抑制器，电压扰动抑制器，第一加法器和第二加法器；
所述电流扰动抑制器和电压扰动抑制器的输入端均为锁相环扰动抑制器的第一输入端；
所述第一加法器的第一输入端为所述锁相环扰动抑制器的第二输入端，所述第一加法器的第二输入端连接至电流扰动抑制器的输出端，所述第一加法器的输出端为所述锁相环扰动抑制器的第一输出端；
所述第二加法器的第一输入端为所述锁相环扰动抑制器的第三输入端，所述第二加法器的第二输入端连接至电压扰动抑制器的输出端，所述第二加法器的输出端为所述锁相环扰动抑制器的第二输出端。
总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明所提控制方法，通过将锁相环的同步电压乘以扰动补偿项，增加至并网变换器电流控制中，可以抵消弱电网下锁相环对电流环的小信号扰动影响，使***在弱电网下具有较好的稳定性；
(2)本发明所提控制方法所需的锁相环扰动抑制器中的参数，如：d轴满载并网电流，d轴变换器输出电压，锁相环PI控制器比例系数，锁相环PI控制器积分系数，均为***固有参数，没有额外的参数需要设计。
(3)本发明所提控制方法所需的锁相环扰动抑制器的输入电压为锁相环同步电压，无论采用PCC电压(小功率***)还是交流侧滤波电容电压(大功率***)作为锁相环的同步电压，本发明均能适用。
(4)由于锁相环小信号扰动的实质是锁相环输出相角与真实同步电压相角之间的偏差，所以本发明所提控制方法不局限于锁相环的种类，适用于任何种类的三相锁相环。
附图说明
图1为本发明提出的弱电网下三相LCL型并网变换器结构框图及锁相环小信号扰动抑制方法原理框图；
图2为q轴并网电流控制框图；
图3为弱电网下不同控制方案下并网变换器输出阻抗波特图，上图为幅值与频率之间的关系图，下图为相位与频率之间的关系图；
图4为当电网短路比为2时，不采用本发明提供的锁相环小信号扰动抑制方案，并网变换器仿真波形，上图为并网电流，下图为锁相环误差；
图5为当电网短路比为2时，采用本发明提供的锁相环小信号扰动抑制方案，并网变换器仿真波形，上图为并网电流，下图为锁相环误差。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明采取有效的控制方案来抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动。
本发明所提供的弱电网下三相LCL型并网变换器结构框图及锁相环小信号扰动抑制方法原理框图如图1所示：三相LCL型并网变换器***包括：变换器1，公共电网2和控制电路，其中控制电路包括：锁相环3，三相并网电流坐标变换4，锁相环扰动抑制器5，并网电流控制单元6，有源阻尼控制单元7，和空间矢量脉宽调制器8；
其中，并网变换器1中LCL滤波器是由变换器侧滤波电感L1，滤波电容Cf和变压器漏感LT组成；公共电网2是由电网电感Lg和电网电压源Ug组成；锁相环3可以是任何种类的三相锁相环；并网电流控制单元5一般采用比例积分控制器来实现闭环控制；有源阻尼控制单元7中一般采用电容电流反馈来抑制LCL滤波器的谐振峰。
本发明实施例提供的抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法包括下述步骤：
(1)获得所述三相LCL型并网变换器三相电容电压Ucabc、三相并网电流I2abc和三相电容电流Icabc；
(2)对所述三相电容电压Ucabc进行锁相处理，获得所述三相电容电压Ucabc的相角θ和q轴电容电压Ucq；根据所述相角θ对所述三相并网电流I2abc进行abc/dq坐标变换后获得同步旋转坐标系下的d轴并网电流I2d、q轴并网电流I2q；
对所述三相电容电流Icabc进行abc/αβ坐标变换，获得两相静止坐标系下的α轴电容电流Icα、β轴电容电流Icβ；
(3)将所述q轴电容电压Ucq乘以电流扰动抑制器GPLLi获得电流扰动抑制信号IPLLs，将所述q轴电容电压Ucq乘以电压扰动抑制器GPLLu获得电压扰动抑制信号UPLLs；
(4)将所述q轴并网电流I2q与所述电流扰动抑制信号IPLLs相减获得扰动抑制后的q轴并网电流I′2q；
(5)将给定的q轴并网电流指令与所述扰动抑制后q轴并网电流I′2q相减获得q轴并网电流误差I2eq，并对所述q轴并网电流误差I2eq进行闭环处理，获得q轴控制电压Urq；
将所述d轴并网电流指令与所述d轴并网电流I2d相减获得d轴并网电流误差I2ed；并对所述d轴并网电流误差I2ed进行闭环处理，获得d轴控制电压Urd；
(6)将所述q轴控制电压Urq与所述电压扰动抑制信号UPLLs相加获得扰动抑制后的q轴控制电压U′rq；
(7)根据所述相角θ对所述d轴控制电压Urd和所述扰动抑制后的q轴控制电压U′rq进行dq/αβ坐标变换获得两相静止坐标系下的α轴控制电压U′rα、β轴控制电压U′rβ；
(8)根据所述α轴控制电压U′rα、β轴控制电压U′rβ、α轴电容电流Icα和β轴电容电流Icβ获得α轴调制电压Urα、β轴调制电压Urβ；
(9)对所述α轴调制电压Urα和β轴调制电压Urβ进行空间矢量脉宽调制，获得并网变换器的开关控制信号。
在本发明实施例中，在步骤(3)中，电流扰动抑制器GPLLi的表达式为电压扰动抑制器GPLLu的表达式为其中，s为复变量，GPLLi(s)为电流扰动抑制器GPLLi的拉氏变换，GPLLu(s)为电压扰动抑制器GPLLu的拉氏变换，为d轴满载并网电流，为d轴变换器输出电压，取经变压器折算后的电网相电压峰值，kppll为锁相环PI控制器比例系数，kipll为锁相环PI控制器积分系数。
在本发明实施例中，在步骤(8)中，根据公式获得α轴调制电压Urα、β轴调制电压Urβ；其中，Kcp为电容电流反馈比例系数。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法，现以一个具体实施例详述如下：
本发明实施例中以10kW LCL型并网变换器为例，***参数如表1所示：
表1并网变换器***参数
参数 取值 参数 取值
电网线电压U<sub>gl</sub> 380V 变换器侧滤波电感L<sub>1</sub> 3.2mH
电网频率f<sub>g</sub> 50Hz 滤波电容C<sub>f</sub> 15μF
变压器变比N 380/340 变压器漏感L<sub>T</sub> 0.85mH
开关频率f<sub>sw</sub> 4.8kHz 电容电流反馈系数K<sub>cp</sub> 18
采样频率f<sub>s</sub> 9.6kHz 锁相环PI控制器比例系数k<sub>ppll</sub> 0.481
直流电压U<sub>dc</sub> 650V 锁相环PI控制器积分系数k<sub>ipll</sub> 31.479
本发明所提供的并网电流环q轴控制框图如图2所示：其中为并网电流q轴指令，Gi(s)为并网电流环比例积分控制器，其计算公式为：Gde(s)为控制延时传递函数，其计算公式为其中Ts为采样周期，Kcp为电容电流反馈比例系数，L1为变换器侧滤波电感，Cf为滤波电容，LT为变压器漏感，Ucq(s)为q轴电容电压，U′pccq(s)为经变压器折算后的q轴PCC电压，I2q(s)为q轴并网电流，GPLLi(s)为电流扰动抑制器，其表达式为GPLLu(s)为电压扰动抑制器，其表达式为其中，为d轴满载并网电流，为d轴变换器输出电压，取经变压器折算后的电网相电压峰值，kppll为锁相环PI控制器比例系数，kipll为锁相环PI控制器积分系数。
根据图2可得到电网短路比为2时不同控制方案下并网变换器输出阻抗波特图，如图3所示：Zg(s)为经变压器折算后的电网阻抗，Zqq(s)为并网变换器q轴输出阻抗。如图3所示，弱网下，不采用本发明所提供的锁相环扰动抑制方案时，变换器输出阻抗低频段幅值和相位均大幅减小，呈现负阻抗的特性，Zg(s)与Zqq(s)的幅值交截频率处的相位差大于180°，***不稳定。采用本发明所提供的锁相环扰动抑制方案时，变换器输出阻抗低频段幅值和相位均提高，Zg(s)与Zqq(s)的幅值交截频率处的相位差小于180°，***稳定。所以，本发明所提供的方案在弱电网下具有更好的稳定性。
如图4和图5所示为当电网短路比为2时，不采用和采用本发明所提供的锁相环扰动抑制方案时，并网变换器并网电流和锁相环误差仿真结果。弱网下，不采用本发明所提供的锁相环扰动抑制方案时，并网电流波形存在大量谐波，严重畸变，锁相环误差较大。而采用本发明所提供的锁相环扰动抑制方案时，并网电流具有良好的波形质量，锁相环误差较小。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抑制弱电网下三相LCL型并网变换器锁相环小信号扰动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获得三相LCL型并网变换器三相电容电压Ucabc、三相并网电流I2abc和三相电容电流Icabc；
(2)对所述三相电容电压Ucabc进行锁相处理，获得所述三相电容电压Ucabc的相角θ和q轴电容电压Ucq；根据所述相角θ对所述三相并网电流I2abc进行abc/dq坐标变换后获得同步旋转坐标系下的d轴并网电流I2d、q轴并网电流I2q；
对所述三相电容电流Icabc进行abc/αβ坐标变换，获得两相静止坐标系下的α轴电容电流Icα、β轴电容电流Icβ；
(3)将所述q轴电容电压Ucq乘以电流扰动抑制器GPLLi获得电流扰动抑制信号IPLLs，将所述q轴电容电压Ucq乘以电压扰动抑制器GPLLu获得电压扰动抑制信号UPLLs；
(4)将所述q轴并网电流I2q与所述电流扰动抑制信号IPLLs相减获得扰动抑制后的q轴并网电流I′2q；
(5)将给定的q轴并网电流指令与所述扰动抑制后q轴并网电流I′2q相减获得q轴并网电流误差I2eq，并对所述q轴并网电流误差I2eq进行闭环处理，获得q轴控制电压Urq；
将所述d轴并网电流指令与所述d轴并网电流I2d相减获得d轴并网电流误差I2ed；并对所述d轴并网电流误差I2ed进行闭环处理，获得d轴控制电压Urd；
(6)将所述q轴控制电压Urq与所述电压扰动抑制信号UPLLs相加获得扰动抑制后的q轴控制电压U′rq；
(7)根据所述相角θ对所述d轴控制电压Urd和所述扰动抑制后的q轴控制电压U′rq进行dq/αβ坐标变换获得两相静止坐标系下的α轴控制电压U′rα、β轴控制电压U′rβ；
(8)根据所述α轴控制电压U′rα、β轴控制电压U′rβ、α轴电容电流Icα和β轴电容电流Icβ获得α轴调制电压Urα、β轴调制电压Urβ；
(9)对所述α轴调制电压Urα和β轴调制电压Urβ进行空间矢量脉宽调制，获得并网变换器的开关控制信号。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，电流扰动抑制器GPLLi的表达式为电压扰动抑制器GPLLu的表达式为
其中，s为复变量，GPLLi(s)为电流扰动抑制器GPLLi的拉氏变换，GPLLu(s)为电压扰动抑制器GPLLu的拉氏变换，为d轴满载并网电流，为d轴变换器输出电压，kppll为锁相环PI控制器比例系数，kipll为锁相环PI控制器积分系数。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤(8)中，根据公式获得α轴调制电压Urα、β轴调制电压Urβ；
其中，Kcp为电容电流反馈比例系数。
4.一种三相LCL型并网变换器***，包括：变换器(1)和控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：锁相环(3)、三相并网电流坐标变换(4)、锁相环扰动抑制器(5)、并网电流控制单元(6)、有源阻尼控制单元(7)和空间矢量脉宽调制器(8)；
所述锁相环(3)的输入端连接至所述变换器(1)的电容电压输出端，所述三相并网电流坐标变换(4)的第一输入端连接至所述变换器(1)的并网电流输出端，所述三相并网电流坐标变换(4)的第二输入端连接至所述锁相环(3)的第一输出端，所述锁相环扰动抑制器(5)的第一输入端连接至所述锁相环(3)的第二输出端，所述三相并网电流坐标变换(4)的第一输出端连接至所述锁相环扰动抑制器(5)的第二输入端，所述锁相环扰动抑制器(5)的第一输出端连接至所述并网电流控制单元(6)第一输入端，所述三相并网电流坐标变换(4)的第二输出端连接至所述并网电流控制单元(6)的第二输入端，所述并网电流控制单元(6)的第一输出端连接至所述锁相环扰动抑制器(5)的第三输入端，所述有源阻尼控制单元(7)的第一输入端连接至所述变换器(1)的电容电流输出端，所述有源阻尼控制单元(7)的第二输入端连接至所述锁相环(3)的第一输出端，锁相环扰动抑制器(5)的第二输出端连接至所述有源阻尼控制单元(7)的第三输入端，所述并网电流控制单元(6)的第二输出端连接至所述有源阻尼控制单元(7)的第四输入端，所述有源阻尼控制单元(7)的第一输出端连接至所述空间矢量脉宽调制器(8)的第一输入端，所述有源阻尼控制单元(7)的第二输出端连接至所述空间矢量脉宽调制器(8)的第二输入端，所述空间矢量脉宽调制器(4)的输出端连接至所述变换器(1)的反馈控制端并用于提供开关控制信号；
锁相环扰动抑制器(5)包括：电流扰动抑制器，电压扰动抑制器，第一加法器和第二加法器；
所述电流扰动抑制器和电压扰动抑制器的输入端均为锁相环扰动抑制器(5)的第一输入端；
所述第一加法器的第一输入端为所述锁相环扰动抑制器(5)的第二输入端，所述第一加法器的第二输入端连接至电流扰动抑制器的输出端，所述第一加法器的输出端为所述锁相环扰动抑制器(5)的第一输出端；
所述第二加法器的第一输入端为所述锁相环扰动抑制器(5)的第三输入端，所述第二加法器的第二输入端连接至电压扰动抑制器的输出端，所述第二加法器的输出端为所述锁相环扰动抑制器(5)的第二输出端。
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