提高併網逆變器弱電網暫態運行下系統動態響應的控制方法與流程
2023-06-04 08:29:11 1
本發明涉及一種提高併網逆變器弱電網暫態運行下系統動態響應的控制方法，屬於光伏併網逆變器控制技術領域。
背景技術：
基於可再生能源的分布式發電技術是人類應對能源危機和環境汙染的重要手段之一，近年來越來越受到重視。而併網逆變器作為可再生能源發電單元與電網的接口，起著將可再生能源發出的電能轉變為交流形式向電網輸送的重要作用。為了控制併網逆變器向電網饋送的功率，通常利用鎖相環來檢測電網電壓的相位，並利用其生成併網電流基準。同時，通過併網電流閉環來保證併網電流反饋信號能夠很好地跟蹤併網電網電流的參考信號。對於併網逆變器而言，鎖相環路的設計非常重要。
目前鎖相環的設計已經成為分布式發電系統中的熱點問題。如中國發明專利說明書CN105743109A於2016年7月6日公開的《一種適用於電網電壓不平衡和畸變狀態的鎖相環》，該發明公開的鎖相環主要用於電網電壓不平衡和畸變時電壓相位檢測，具有動態響應快，檢測精度高的優點。但該發明並未提及關於弱電網下鎖相環的設計要求。針對弱電網情況，吳恆，阮新波，楊東升等人在標題為《弱電網條件下鎖相環對LCL型併網逆變器穩定性的影響研究及鎖相環參數設計》(2014年10月《中國電機工程學報》第34卷第30期)的文章中以單相LCL型併網逆變器為例，建立了鎖相環小信號分析模型，給出了一種基於相角裕度要求的鎖相環參數設計方法，並得出了弱電網情況下，鎖相環帶寬越小系統越穩定的結論。因此弱電網情況下，一般按照選取較小的鎖相環帶寬設計鎖相環參數，但是，該文獻中提出的鎖相環參數設計方法只考慮了穩態運行情況下系統運行的穩定性問題，並未考慮當系統處於暫態運行情況時，存在逆變器控制調節的動態性能較低的問題。
有鑑於此，本發明提供一種提高併網逆變器弱電網暫態運行下系統動態響應的控制方法，以滿足實際應用需要。
技術實現要素：
本發明的目的是：針對併網逆變器在弱電網暫態運行時鎖相環帶寬較小，逆變器控制動態性能不佳的缺點，本發明提出一種提高併網逆變器弱電網暫態運行下系統動態響應的控制方法。
為了實現上述目的，本發明所採取的技術方案是：
一種提高併網逆變器弱電網暫態運行下系統動態響應的控制方法，其特徵在於，包括下述兩種模式：
模式一：穩態工作模式，此狀態下將鎖相環的控制參數的比例係數Kp和積分係數Ki分別設置為穩態工作模式的參數即比例係數Kp1和積分係數Ki1，從而保證了弱電網情況下，逆變器系統的穩定性；
模式二：暫態工作模式，此狀態下將鎖相環的控制參數的比例係數Kp和積分係數Ki分別設置為暫態工作模式的參數即比例係數Kp2和積分係數Ki2，從而提高逆變器系統的動態特性。
如上所述的提高併網逆變器弱電網暫態運行下系統動態響應的控制方法，其特徵在於：所述模式一中的控制策略按照以下步驟執行：
(1)設置鎖相環的控制參數至穩態工作模式的參數，即比例係數Kp1和積分係數Ki1；利用式(1)計算得比例係數Kp1和積分係數Ki1：
其中Z0為逆變器輸出阻抗，ω0為電網電壓基波角頻率，ωn為自然振蕩角頻率，Um為逆變器併網系統公共耦合點PCC電壓幅值，穩態工作模式下取PM2＝45°，綜合動態性能和穩態性能的要求取阻尼係數ζ＝0.707；
(2)利用電容電流的電流傳感器CS1檢測LCL濾波器的電容電流ic，利用濾波電感的電流傳感器CS2檢測進網電流ig，利用電網電壓的電壓傳感器VS1檢測併網點電壓upcc；採集得到它們的反饋信號分別為ic_fd，ig_fd，upcc_fd，對應的採樣係數分別為Hi1，Hi2，Hv；
(3)將採集到的併網點電壓的反饋信號upcc_fd經過鎖相環PLL鎖相得到電網電壓相位角θ，利用併網點電壓相位角θ與併網電網指令提供的獲得併網電網電流的參考信號ig_ref；
(4)根據併網電流反饋信號ig_fd和併網電網電流的參考信號ig_ref，利用式(2)計算得誤差信號em：
em＝ig_fd-ig_ref (2)
(5)控制器對誤差信號進行閉環處理，得到電容電流反饋信號ic_fd的基準信號給定值ic_ref；電容電流反饋信號ic_fd及其基準信號ic_ref相減，得到調製信號vm；將該調製信號送入PWM調製器中，得到逆變橋各開關管的控制信號，從而使併網電流跟蹤基準電流。
如上所述的提高併網逆變器弱電網暫態運行下系統動態響應的控制方法，其特徵在於：所述模式二中的控制策略按照以下步驟執行：
(1)設置鎖相環的控制參數至暫態工作模式的參數，即比例係數Kp2和積分係數Ki2；利用式(3)計算得比例係數Kp2和積分係數Ki2：
其中Z0為逆變器輸出阻抗，ω0為電網電壓基波角頻率，ωn為自然振蕩角頻率，Um為逆變器併網系統公共耦合點PCC電壓幅值，暫態工作模式下取PM2＝30°，綜合動態性能和穩態性能的要求取阻尼係數ζ＝0.707；
(2)利用電容電流的電流傳感器CS1檢測LCL濾波器的電容電流ic，利用濾波電感的電流傳感器CS2檢測進網電流ig，利用電網電壓的電壓傳感器VS1檢測併網點電壓upcc；採集得到它們的反饋信號分別為ic_fd，ig_fd，upcc_fd，對應的採樣係數分別為Hi1，Hi2，Hv；
(3)將採集到的併網點電壓的反饋信號upcc_fd經過鎖相環PLL鎖相得到電網電壓相位角θ，利用併網點電壓相位角θ與併網電網指令提供的獲得併網電網電流的參考信號ig_ref；
(4)根據併網電流反饋信號ig_fd和併網電網電流的參考信號ig_ref，利用式(4)計算得誤差信號em：
em＝ig_fd-ig_ref (4)
(5)控制器對誤差信號進行閉環處理，得到電容電流反饋信號ic_fd的基準信號給定值ic_ref；電容電流反饋信號ic_fd及其基準信號ic_ref相減，得到調製信號vm；將該調製信號送入PWM調製器中，得到逆變橋各開關管的控制信號，從而使併網電流跟蹤基準電流；
(6)根據誤差信號em與併網電網電流的參考信號ig_ref，利用式(5)計算其比值δ：
(7)判斷|δ|是否大於5％，若|δ|＜5％，則轉入模式一，若|δ|≥5％，則轉入模式二。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明解決了併網逆變器在弱電網暫態運行時鎖相環帶寬較小，逆變器控制動態性能不佳的缺點，當逆變器系統在穩態情況下採用其穩態工作模式鎖相環的控制參數，而當逆變器控制的併網電網指令改變時則採用其暫態工作模式下的鎖相環參數，從而實現了在弱電網穩態情況下系統的穩定性，同時也提高了暫態情況下逆變器控制的動態性能。
附圖說明
圖1是本發明所採用的LCL型併網逆變器的結構示意圖。
圖2是本發明LCL型併網逆變器的控制框圖。
圖3是本發明工作模式的判斷程序流程圖。
附圖中的符號說明：1-直流電源，2-逆變橋，3-LCL濾波器，4-公共電網，5-電流控制器，6-PWM生成器。
具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣在本申請所列權利要求書限定範圍之內。
本發明提出的提高併網逆變器弱電網暫態運行下系統動態響應的控制方法，在弱電網環境中，逆變器系統穩態情況下採用其穩態工作模式鎖相環的控制參數，即比例係數Kp1和積分係數Ki1；當改變逆變器控制的併網電網指令進入暫態情況下時，同時切換鎖相環的參數切換到其暫態工作模式的參數，即比例係數Kp2和積分係數Ki2，從而調整鎖相環帶寬，提高逆變器控制的動態調節性能。並通過實時檢測併網電流反饋信號ig_fd和併網電網電流的參考信號ig_ref的差值em與併網電網電流的參考信號ig_ref比值δ的大小，判斷系統是否重新回到穩態。當判斷系統重新回到穩態時，再將鎖相環的參數切換到其穩態工作模式參數值，即比例係數Kp1和積分係數Ki1，從而保證系統穩態工作情況下的穩定性。該方法採用軟體的控制方法，節約成本。
如圖1所示，本控制方法涉及的單相LCL型併網逆變器的拓撲結構圖LCL型併網逆變器包括直流電源1，逆變橋2，LCL濾波器3，公共電網4，電流控制器5和PWM生成器6。其中，LCL濾波器3是由濾波電感L1,L2和濾波電容C組成；公共電網4是由電網阻抗Zg和電網電壓源ug組成；CS1和CS2分別為檢測電容電流ic和併網電流ig的傳感器，VS為併網點電壓傳感器。Hi1，Hi2，Hv分別為電容電流ic、併網電流ig和併網點電壓upcc的採樣係數，根據Hi1，Hi2，Hv得到電容電流反饋信號ic_fd，併網電流反饋信號ig_fd，併網電壓反饋信號upcc_fd。θ為併網點電壓反饋信號的相位角；I*為併網電流的基準信號。G1為併網電流調節器，此處採用比例諧振(PR)調節方式。
在圖1的結構中，向控制器5輸入併網電流指令以及經電流傳感器CS2得到流過濾波電感L2的併網電流。將採集到的併網點電壓的反饋信號upcc_fd經過鎖相環PLL鎖相得到電網電壓相位角θ，利用併網點電壓相位角θ與併網電網指令提供的獲得併網電網電流的參考信號ig_ref，進而對併網電流進行閉環調節，其具體的控制過程將結合下面的控制框圖來說明。
圖2是圖1所示的LCL型併網逆變器的控制框圖，其中Gd為採用數字控制引入的計算延時和PWM調製延時，通常為1.5倍的採樣周期Ts；Ginv為調製信號Vm到逆變橋輸出電壓VAB的增益；ZL1，ZC和ZL2分別為濾波電感L1，濾波電容C和濾波電感L2的阻抗。由圖可知，併網電網電流的參考信號ig_ref與併網電流反饋信號ig_fd相減，得到的誤差信號送入調節器Gi，其輸出信號作為電容電流反饋信號ic_fd的指令值，並其減去電容電流反饋信號ic_fd，得到調製信號vm，將該調製信號，送入PWM調製器中，得到逆變橋各開關管的控制信號，從而使併網電流跟蹤基準電流。
如圖3所示，本發明所提供的控制方法包括以下步驟：
(1)穩態情況下，逆變器系統運行於模式一，所述模式一中的控制策略按照以下步驟執行：
1)設置鎖相環的控制參數至穩態工作模式的參數，即比例係數Kp1和積分係數Ki1；利用式(3)計算得比例係數Kp1和積分係數Ki1：
其中Z0為逆變器輸出阻抗，ω0為電網電壓基波角頻率，ωn為自然振蕩角頻率，Um為逆變器併網系統公共耦合點(PCC)電壓幅值，穩態工作模式下取PM2＝45°，綜合動態性能和穩態性能的要求取阻尼係數ζ＝0.707；
2)利用電容電流的電流傳感器CS1檢測LCL濾波器的電容電流ic，利用濾波電感的電流傳感器CS2檢測進網電流ig，利用電網電壓的電壓傳感器VS1檢測併網點電壓upcc；採集得到它們的反饋信號分別為ic_fd，ig_fd，upcc_fd，對應的採樣係數分別為Hi1，Hi2，Hv；
3)將採集到的併網點電壓的反饋信號upcc_fd經過鎖相環PLL鎖相得到電網電壓相位角θ，利用併網點電壓相位角θ與併網電網指令提供的獲得併網電網電流的參考信號ig_ref；
4)根據併網電流反饋信號ig_fd和併網電網電流的參考信號ig_ref，利用式(2)計算得誤差信號em：
em＝ig_fd-ig_ref (2)
5)控制器對誤差信號進行閉環處理，得到電容電流反饋信號ic_fd的基準信號給定值ic_ref；電容電流反饋信號ic_fd及其基準信號ic_ref相減，得到調製信號vm；將該調製信號送入PWM調製器中，得到逆變橋各開關管的控制信號，從而使併網電流跟蹤基準電流；
(2)當逆變器控制的併網電網指令發生改變時，進入模式二，即暫態工作模式，所述模式二中的控制策略按照以下步驟執行：
1)設置鎖相環的控制參數至暫態工作模式的參數，即比例係數Kp2和積分係數Ki2；利用式(3)計算得比例係數Kp2和積分係數Ki2：
其中Z0為逆變器輸出阻抗，ω0為電網電壓基波角頻率，ωn為自然振蕩角頻率，Um為逆變器併網系統公共耦合點(PCC)電壓幅值，暫態工作模式下取PM2＝30°，綜合動態性能和穩態性能的要求取阻尼係數ζ＝0.707；
2)利用電容電流的電流傳感器CS1檢測LCL濾波器的電容電流ic，利用濾波電感的電流傳感器CS2檢測進網電流ig，利用電網電壓的電壓傳感器VS1檢測併網點電壓upcc；採集得到它們的反饋信號分別為ic_fd，ig_fd，upcc_fd，對應的採樣係數分別為Hi1，Hi2，Hv；
(3)將採集到的併網點電壓的反饋信號upcc_fd經過鎖相環PLL鎖相得到電網電壓相位角θ，利用併網點電壓相位角θ與併網電網指令提供的獲得併網電網電流的參考信號ig_ref；
(4)根據併網電流反饋信號ig_fd和併網電網電流的參考信號ig_ref，利用式(4)計算得誤差信號em：
em＝ig_fd-ig_ref (4)
(5)控制器對誤差信號進行閉環處理，得到電容電流反饋信號ic_fd的基準信號給定值ic_ref；電容電流反饋信號ic_fd及其基準信號ic_ref相減，得到調製信號vm；將該調製信號送入PWM調製器中，得到逆變橋各開關管的控制信號，從而使併網電流跟蹤基準電流；
(6)根據誤差信號em與併網電網電流的參考信號ig_ref，利用式(5)計算其比值δ：
(7)判斷|δ|是否大於5％，若|δ|＜5％，則轉入模式一，若|δ|≥5％，則轉入模式二。
以上僅為本發明的實施例而已，並不用於限制本發明，因此，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。