CN113489049A - 一种并网逆变器网侧电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了并网逆变器网侧电流控制方法，根据LCL型逆变器的等效拓扑图，在滤波电感L1支路和滤波电容Cf支路串入受控源(αvpcc‑igZv)，其中igZv模拟阻尼Zv可抑制逆变器自身的谐振尖峰，受控电压源αvpcc可抵抗电网谐波电压对并网电流的影响。串联在电感L1支路的受控源可整合到逆变器控制当中，而串联在电容Cf支路上的受控源则需要通过外加有源补偿装置来实现。根据逆变器整体控制框图可推导得出逆变器输出阻抗传递函数，基于无源理论进行参数设计。从而拓宽逆变器无源范围，增强逆变器输出阻抗强度，以提高逆变器***稳定性以及对电网扰动的抑制能力。

Description

一种并网逆变器网侧电流控制方法
技术领域
本发明属于光伏并网逆变器控制技术领域，涉及一种并网逆变器网侧电流控制方法。
背景技术
近年来，随着化石能源的短缺以及日益严重的环境污染问题，可再生能源技术得到大力发展与普及，逆变器作为新能源并网发电的关键部件，其作用至关重要。为衰减功率器件通断产生的高频开关谐波，并网逆变器的输出会经由LC或LCL滤波器与电网相连接，但LCL的谐振尖峰可能会引起并网电流振荡，甚至导致并网逆变器不稳定。特别是在弱电网条件下，由于逆变器输出阻抗与电网阻抗的交互作用，逆变器与电网之间会产生耦合谐振。
此外，由于上级电网谐波电压的渗透以及本级电网各种非线性负载的接入，弱电网条件下公共接入点(PCC)的电压中包含了丰富的背景谐波。该背景谐波可能引起并网逆变器的入网电流发生畸变，增大了并网电流总谐波畸变率(THD)。
因此，需要采取一定的措施来抑制LCL滤波器与电网的交互谐振以及电网电压谐波对并网电流的影响。目前谐振抑制问题可通过引入无源阻尼或有源阻尼来解决，无源阻尼实现简单、可靠性高，对谐振有很好的抑制效果，但是会增加***的损耗。传统有源阻尼方案对滤波器参数和电网阻抗变化较为敏感，通常需要额外增加传感器，增加了***成本，降低了***运行可靠性。而电压谐波抑制问题可通过重复控制器、谐波补偿器或者电网电压前馈技术来解决。其中电网电压前馈控制算法简单，谐波抑制范围宽，同时可以防止启动过程中的冲击电流，减小稳态跟踪误差，提高***动态性能，受到广泛应用。但是，弱电网条件下，由于逆变器与电网阻抗的交互作用，电网电压前馈会引入网侧电流的附加正反馈，对***的稳定性造成负面的影响。为解决上述问题，本发明针对弱电网条件下的LCL型并网逆变器提出了一种基于无源理论的网侧电流控制方法。
发明内容
为解决上述问题，提出一种弱电网下基于无源理论的LCL型并网逆变器网侧电流控制方法，通过在LCL滤波器的电容支路串联低成本有源补偿装置，实现逆变器输出阻抗充分无源性以及高阻抗强度，提高逆变器在弱电网下的稳定性以及对电网背景谐波的抑制能力。本发明的技术方案为一种并网逆变器网侧电流控制方法，包括以下步骤：
S1，并入受控源：根据LCL型逆变器等效拓扑图，在滤波电感支路和滤波电容支路分别串联入受控源αvpcc-igZv，其中，α为电压前馈系数，ig为并网电流，vpcc为并网电压，igZv模拟阻尼Zv抑制逆变器自身的谐振尖峰，受控电压源αvpcc抵抗电网谐波电压对并网电流的影响；将串联在滤波电感支路的受控源整合到逆变器的控制回路中，通过电网电压和网侧电流反馈控制；串联在滤波电容支路上的受控源进行外加有源补偿装置；
S2，外加有源补偿装置及控制：将补偿器串联接在滤波电容支路，补偿器包括两个低压MOSFET开关管、直流侧电容、稳压管和电阻，两个低压MOSFET开关管和直流侧电容连接，直流侧电容与串联的稳压管和电阻并联，稳压管和电阻串联的支路限制电路启动过程中母线电压的幅值。
优选地，所述外加有源补偿装置及控制包括以下步骤：
S21，电网谐波电压前馈用来增强逆变器谐波频率处的输出阻抗，将并网点电压vpcc经过中心频率为50Hz的陷波器滤波后的电压提供给PWM调制器；
S22，并网电流ig的负反馈作为有源阻尼对滤波器的谐振进行抑制，将主逆变器的电流误差信号作为控制量；
S23，补偿器母线电压的前馈用来保证补偿电路的正常工作。
优选地，还包括主逆变器控制：主逆变器采取准PR控制器，参考电流由SOGI-PLL输出的电网电压相位取余弦与电流幅值相乘得到。
优选地，还包括令逆变器输出阻抗传递函数Zo(s)，保证逆变器输出阻抗无源性，即输出阻抗相位满足
Figure BDA0003104096090000031
优选地，还包括定义相位裕度为PM，根据约束条件
Figure BDA0003104096090000032
Figure BDA0003104096090000033
设计控制参数。
本发明的有益效果如下：本发明提出了一种弱电网下基于无源理论的LCL型并网逆变器网侧电流控制方法，以增加闭环控制自由度为思路，并以低成本有源补偿装置为手段，拓宽了逆变器输出阻抗的无源区域，使得逆变器***能够在弱电网条件下电网阻抗大范围变化时仍具有较强的鲁棒性。同时增大了逆变器输出阻抗幅值，能够有效抑制电网背景谐波的影响，提高入网电流质量。此外，本发明采用的有源补偿装置不需要无源元件，体积较小，所需半导体开关器件耐压低，电路成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例中LCL型滤波器逆变器的等效拓扑图；
图2为本发明实施例中有源补偿装置结构及控制示意图；
图3为本发明实施例中并网逆变器的整体控制框图；
图4为现有技术中网侧电流控制的逆变器输出阻抗Bode图；
图5为本发明实施例中网侧电流控制的逆变器输出阻抗Bode图；
图6为现有技术的电网阻抗10m条件下网侧电流控制的并网电流及PCC电压波形；
图7为本发明实施例的电网阻抗10mh条件下网侧电流控制的并网电流及PCC电压波形；
图8为本发明实施例的电网阻抗15mh且PCC点加入非线性负载条件下网侧电流控制的并网电流及PCC电压波形。
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。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1为LCL型滤波器逆变器的等效拓扑图。其中i1表示逆变器侧电流，ic表示滤波电容电流，ig表示并网电流，v1表示逆变器桥臂输出电压，vpcc表示公共端(PCC)电网电压，即并网点电压；
图2为有源补偿装置结构及控制示意图。其中S1、S2为低压MOSFET开关管，Cdc表示直流侧电容，vdc表示直流侧电容电压，vpn表示注入滤波电容支路的电压；S1的漏端与的S2源端连接，S1的源端与直流测电容Cdc的正极连接，S2的漏端与直流测电容Cdc的负极连接。
图3为逆变器***整体控制框图。其中Im表示参考电流幅值，α表示电压前馈系数，Gpll(s)表示锁相环环路增益，GPR(s)表示准PR控制器，Gd(s)表示数字控制器引入的延时，GBPF(s)表示带通滤波器，GBSF(s)表示带阻滤波器，Zg(s)表示电网阻抗；
为本发明实施例的并网逆变器网侧电流控制方法，包括以下步骤：
S1，并入受控源：根据LCL型逆变器等效拓扑图，在滤波电感支路和滤波电容支路分别串联入受控源αvpcc-igZv，其中，α为电压前馈系数，ig为并网电流，vpcc为并网电压，igZv模拟阻尼Zv，抑制逆变器自身的谐振尖峰，受控电压源αvpcc抵抗电网谐波电压对并网电流的影响；将串联在滤波电感支路的受控源整合到逆变器的控制回路中，通过电网电压和网侧电流反馈控制；串联在滤波电容支路上的受控源进行外加有源补偿装置；
S2，外加有源补偿装置及控制：将补偿器串联接在滤波电容支路，补偿器包括两个低压MOSFET开关管、直流侧电容、稳压管和电阻，两个低压MOSFET开关管和直流侧电容连接，直流侧电容与串联的稳压管和电阻并联，稳压管和电阻串联的支路限制电路启动过程中母线电压的幅值。
外加有源补偿装置及控制包括以下步骤：
S21，电网谐波电压前馈用来增强逆变器谐波频率处的输出阻抗，将并网点电压vpcc经过中心频率为50Hz的陷波器滤波后的电压提供给PWM调制器；
S22，并网电流ig的负反馈作为有源阻尼对滤波器的谐振进行抑制，将主逆变器的电流误差信号作为控制量；
S23，补偿器母线电压的前馈用来保证补偿电路的正常工作。
还包括主逆变器控制：主逆变器采取准PR控制器，参考电流由SOGI-PLL输出的电网电压相位取余弦与电流幅值相乘得到。
还包括令逆变器输出阻抗传递函数Zo(s)，保证逆变器输出阻抗无源性，即输出阻抗相位满足
Figure BDA0003104096090000051
还包括定义相位裕度为PM，根据约束条件
Figure BDA0003104096090000052
Figure BDA0003104096090000053
设计控制参数。
具体实施例中，为了抑制LCL滤波器的谐振和提高逆变器抵抗电网扰动的能力，根据图1，在滤波电感L1支路和滤波电容Cf支路串入受控源(αvpcc-igZv)，其中igZv模拟阻尼Zv可抑制逆变器自身的谐振尖峰，受控电压源αvpcc可抵抗电网谐波电压对并网电流的影响。串联在L1支路的受控源(αvpcc-igZv)可整合到逆变器的控制回路中，通过电网电压和网侧电流反馈控制来实现。而串联在电容Cf支路上的受控源(αvpcc-igZv)则需要通过外加有源补偿装置来实现。
具体应用实例中，有源补偿装置结构及控制如下：有源补偿装置示意图如图2所示，左半部分为有源补偿装置的电路示意图，补偿器串接在滤波电容Cf支路。其中，S1、S2代表两个低压MOSFET开关管，Cdc为直流侧电容，稳压管和电阻串联的支路用来限制电路启动过程中母线电压的幅值。由于该补偿装置只需处理谐波阻抗，开关管S1、S2可以选用低压MOSFET。同时，由于该电路串联于电容支路，需要处理的容量非常小，对逆变器的效率影响几乎可以忽略。
右半部分为有源补偿装置控制示意图，具体包括三个控制环节：1)电网谐波电压前馈用来增强逆变器谐波频率处的输出阻抗。具体做法是，将并网点电压vpcc经过中心频率为50Hz的陷波器滤波后的电压提供给PWM调制器；2)并网电流ig的负反馈作为有源阻尼对滤波器的谐振进行抑制。具体做法是，将主逆变器的电流误差信号作为控制量；3)补偿器母线电压的前馈用来保证补偿电路的正常工作。
具体应用实例中，主逆变器控制如下：由于电流参考信号为正弦量，为降低稳态误差，主逆变器采取准PR控制器，参考电流由SOGI-PLL输出的电网电压相位取余弦与电流幅值Im相乘得到。
具体应用实例中，控制参数设计如下：结合上述可得***总体控制框图，如图3所示，进一步地，可推导得采取所提出控制方法的逆变器输出阻抗传递函数Zo(s)。
进一步地，逆变器输出阻抗需保证无源性，即输出阻抗相位满足
Figure BDA0003104096090000061
Figure BDA0003104096090000062
则不论电网阻抗如何变化，***均可保持稳定。为保证逆变器输出阻抗的充分无源性，需留有一定的相位裕量，若定义相位裕度为PM，则根据约束条件
Figure BDA0003104096090000063
即可合理设计控制参数。
将已知***参数带入逆变器输出阻抗传递函数，例如取相位裕度PM＝90°，根据上述原则进行参数设计，得比例系数Kp＝50，前馈系数α＝0.5，绘制其Bode图，如图5所示。图4为传统网侧电流控制的逆变器输出阻抗Bode图。对比可知，与传统网侧电流控制方法相比，本文所提出的方法保证了逆变器输出阻抗在超宽频率范围的充分无源性，且大幅提高了逆变器输出阻抗幅值，既实现了逆变器在不同电网条件下的稳定性，也提高了逆变器抵抗电网扰动的能力。图6、图7分别为弱电网情况下采用传统网侧电流控制和采用所提出网侧电流控制的并网电流及PCC电压波形图。由图可见，弱电网下采用传统网侧电流控制的逆变器并网电流和PCC电压均发生了严重振荡，并网电流THD高达15.52％，远超GB/T 37408-2019所规定的5％上限。该振荡是由于电网阻抗与逆变器输出阻抗的交截频率处的相位差趋近于180度，无源性不够所导致。同样弱网条件下，采用所提出网侧电流控制方法的并网电流正弦度良好，THD仅为0.93％。进一步，如图8所示，电网阻抗加大到15mh且在PCC点加入150W的整流负载后，电网电压畸变加剧，但并网电流的正弦度依然很高，THD值仅为2.43％。说明所提出网侧电流控制方法可提高弱电网下逆变器的稳定性及对电网扰动的抑制能力。
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 (5)

1.一种并网逆变器网侧电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，并入受控源：根据LCL型逆变器等效拓扑图，在滤波电感支路和滤波电容支路分别串联入受控源αvpcc-igZv，其中，α为电压前馈系数，ig为并网电流，vpcc为并网电压，igZv模拟阻尼Zv抑制逆变器自身的谐振尖峰，受控电压源αvpcc抵抗电网谐波电压对并网电流的影响；将串联在滤波电感支路的受控源整合到逆变器的控制回路中，通过电网电压和网侧电流反馈控制；串联在滤波电容支路上的受控源进行外加有源补偿装置；
S2，外加有源补偿装置及控制：将补偿器串联接在滤波电容支路，补偿器包括两个低压MOSFET开关管、直流侧电容、稳压管和电阻，两个低压MOSFET开关管和直流侧电容连接，直流侧电容与串联的稳压管和电阻并联，稳压管和电阻串联的支路限制电路启动过程中母线电压的幅值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外加有源补偿装置及控制包括以下步骤：
S21，电网谐波电压前馈用来增强逆变器谐波频率处的输出阻抗，将并网点电压vpcc经过中心频率为50Hz的陷波器滤波后的电压提供给PWM调制器；
S22，并网电流ig的负反馈作为有源阻尼对滤波器的谐振进行抑制，将主逆变器的电流误差信号作为控制量；
S23，补偿器母线电压的前馈用来保证补偿电路的正常工作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括主逆变器控制，主逆变器采取准PR控制器，参考电流由SOGI-PLL输出的电网电压相位取余弦与电流幅值相乘得到。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括令逆变器输出阻抗传递函数Zo(s)，保证逆变器输出阻抗无源性，即输出阻抗相位满足
Figure FDA0003104096080000011
Figure FDA0003104096080000012
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括定义相位裕度为PM，根据约束条件
Figure FDA0003104096080000013
设计控制参数。
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