提高LCL型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法

摘要

本发明公开了一种提高LCL型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法，步骤为(1)检测电容电流ic、入网电流ig和并网点电压vpcc，得到它们的采样信号为ics，igs，vgs；(2)将采样信号分别输入到电流控制器，经过运算处理后输出vr1；(3)将信号vgs输入到并网耦合点电压低次谐波选择器，经数据处理输出vr2；(4)将vr1与vr2相加，得到调制信号vm，并输入到PWM生成器，产生PWM信号控制逆变器拓扑的开关管。本发明通过选取并网点电压低次背景谐波进行前馈控制，兼顾了并网逆变系统的稳定性与电网电压低次背景谐波抑制，提高了系统对电网阻抗宽范围变化的适应性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LCL型并网逆变器控制方法，具体为一种提高LCL型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法。

背景技术

在传统化石能源逐渐匮乏，污染日益严重的背景下，光伏与风能等新能源并网发电的应用得到长足发展。伴随着光伏和风能等新能源渗透率的不断提高，并网逆变器对配电网的稳定性和电能质量带来很大的挑战。分布式逆变电源接入公共电网的位置分布广泛，而普遍的并网逆变电源呈阻感特性，大量的并网逆变器逐渐将公共电网弱化为时变的弱电网，时变的弱电网主要的特性表现在其等效的电网阻抗是时变的。对于LCL型并网逆变器而言，宽范围时变的电网阻抗会降低逆变系统的开环增益和带宽，影响入网电流的稳态误差和动态响应。特别是当电网感抗较大时，LCL滤波器的谐振频率迅速下降，谐振共轭极点左移，导致相角裕度大幅降低，产生大量的低频谐波，甚至使入网电流谐振发散引起不稳定。此外，公共电网中大量非线性负载等的作用，实际电网电压往往存在大量的低频谐波，畸变的电网电压对入网电流是一实时的扰动，影响入网电流品质。考虑到LCL型并网逆变器需要抑制自身的谐振尖峰，提高自身的相角裕度，PI调节器的参数取得相对较小，难以兼顾系统的稳定性和鲁棒性。考虑到入网电流低次谐波抑制时，并网系统的LCL电流控制与低次谐波抑制存在相互耦合，即相互依赖又相互制约，采样与计算延时将进一步恶化入网电流。针对弱电网条件下，兼顾LCL型并网逆变系统入网电流控制与低次谐波抑制的研究尚少，已有控制方案略显不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时兼顾提高LCL型并网逆变器入网电流稳定性与电网电压低次背景谐波抑制的控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种提高LCL型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法，该方法依照以下步骤实施：

步骤1，基于LCL型并网逆变器控制结构，检测LCL滤波器的电容电流i_c、入网电流i_g和并网点电压v_pcc，将采样得到的信号分别输入到电流控制器中，输出调制信号v_r1；

步骤2，将并网点电压信号v_gs输入到并网耦合点电压低次谐波选择器，所述低次谐波选择器包含若干个单独的谐波提取模块，该谐波提取模块均由二阶广义积分器所组成，令选择提取出的各次谐波分别v_nth，n为整数，将选择提取的各次谐波相加得到调制信号v_r2；

步骤3，将低次谐波选择器输出的调制信号v_r2与电流调节器输出的调制信号v_r1相加得 到调制波v_m，将该调制波v_m与三角波交截产生相应的PWM控制信号驱动功率电路的开关管，通过LCL滤波器滤除高频谐波，在网侧形成高品质的入网电流。

其中，步骤1具体为，

步骤1.1，采用电流传感器CS₁、CS₂以及电压传感器VS₁检测电容电流i_c，并网电流i_g，并网点电压v_pcc，通过各自的采样系数分别获取电容电流反馈信号i_cs，并网电流反馈信号i_gs，并网电压反馈信号v_gs；

步骤1.2，通过锁相环得到相位信息θ并与入网电流指令I^*结合生成入网电流的基准

i_ref＝I^*sin(θ)；

步骤1.3，将并网电流反馈信号i_gs与电流基准信号i_ref相减，经过电流调节器后，得到电容电流的基准信号，再减去电容电流反馈信号i_cs得到电流控制器总的输出信号v_r1。

步骤2具体指，

将并网点电压反馈信号v_gs通入到低次谐波选择器，其中每个谐波提取模块Gprs(s)的表达式为：

$>G_{\mathrm{prs}}\left(s\right)=\underset{n=\mathrm{1,3,5,7}...}{\Sigma }\frac{k_r{w}_{n}s}{s^2+k_r{w}_{n}s+w_n^2},$>

其中，n为需要选择的低次谐波次数，k_r为选择器的衰减系数，w_n为选取低次谐波的频率；每个谐波提取模块的输入为当前的耦合点电压信号与已提取出的各次谐波相减而得到，即将其基波v_1th提取出后与v_ppc相减得到提取三次谐波v_3th的输入v_ppc-v_1th，再与三次谐波v_3th相减得到五次谐波v_5th的输入v_ppc-v_1th-v_3th，以此类推，得到各次谐波分别为v_1th，v_3th，v_5th，…，v_nth，次数越多，背景谐波的精度越高；通过特征频率二阶广义积分器对电网电压各低次背景谐波的提取，将得到的低次谐波相加得到调制信号v_r2。

作为一种优选，所述LCL型并网逆变器控制结构中包括电流调节器G_c(s)，该电流调节器为PI调节器、PR调节器或它们的组合形成的调节器结构。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提供的前馈控制方法通过选取并网点电压进行低次背景谐波进行前馈控制，可有效提高LCL型并网逆变器对弱电网的适应性，采用上述方案后，兼顾了入网电流的稳定性与电网电压低次背景谐波抑制。

谐振前馈提取的为电网电压低次背景谐波，对于1KHz及以上较高次谐波不予提取。考虑到电网阻抗宽范围的变化，谐振频率基本可维持在1KHz以上，谐振控制器在中高频处迅速衰减该频段谐波，可等效为电网阻抗在中高频处较小，对系统稳定裕度影响较小，基本可 以忽略。常见的如比例前馈控制在全频段对电网阻抗均有相应，严重降低了系统的相角裕度，恶化入网电流品质。此外考虑数字控制延时的存在，即使采用比例前馈亦无法抵消电网电压中高频次谐波的影响。

因此，该控制方法电路简单，电路系统简单，基于传统的LCL型并网逆变器控制结构，在不增加电子元器件的基础上，提高了识别精度。

附图说明

图1为现有LCL型并网逆变器控制结构示意图；

图2为本发明提供的控制方法控制结构示意图；

图3为本发明提供的提高LCL型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法结构示意图；

图4为本发明提供的提高LCL型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法的控制框图；

图5为传统控制策略在弱电网下的实验波形；

图6为本发明提供的谐振前馈控制策略在弱电网下的实验波形。

具体实施方式

本发明提供提高LCL型并网逆变器对电网适应性的前馈控制方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当前，普遍存在的LCL型并网逆变器控制结构如图1所示，而本发明所提供的LCL型并网逆变器的结构图如图2所示：A-直流电源；B-逆变器拓扑；C-LCL滤波器；D-公共电网；E-电流调节器；F-PWM生成器；G-并网耦合点电压低次谐波选择器。其中逆变器拓扑包括所有的单相/三相逆变器拓扑结构；LCL滤波器由逆变器侧电感L1、网侧电感L2以及滤波电容C所组成；公共电网等效为一交流电压源与阻抗串联结构；CS₁与CS₂分别为检测电容电流和并网电流的电流传感器，VS₁为检测并网点电压的电压传感器；H_i1，H_i2，H_v1分别为电容电流i_c，并网电流i_g，并网点电压v_pcc的采样系数。i_cs为电容电流的反馈信号，i_gs为入网电流的反馈信号，v_gs为并网点电压反馈信号，θ为锁相环输出的电网电压相角信息，I^*为并网电流幅值指令，G_c(s)为电流调节器，通常为PI，PR或它们的组合形式的调节器结构。图4为图3对应的系统控制框图，A1-入网电流反馈调节环节；A2-控制系统采样计算与零阶保持器延时环节；A3-LCL滤波器s域模型；A4-并网电压低次谐波选择器传递函数。

本发明采用的硬件电路与现有的LCL型并网逆变器相同，而是对控制方法进行了改进。与现有的控制方法相比，本发明通过有选择的提取并网点电压低次谐波进行前馈控制，降低了入网电流反馈控制与电网电压前馈控制在高频率处的耦合程度，提高了系统对电网阻抗的 适应性。图3、图4为实现本发明所提供控制方法的具体实现方式，可分为以下步骤：

(1)利用传感器CS₁，CS₂，VS₁检测电容电流i_c，并网电流i_g，并网点电压v_pcc，分别获取相应的反馈信号i_cs，i_gs，v_gs；

(2)根据并网电压的反馈信号通过锁相环得到相位信息θ并与入网电流指令结合生成入网电流的基准i_ref＝I^*sin(θ)    (1)。

(3)将并网电流反馈信号i_gs与电流基准信号i_ref相减，经过电流调节器后，得到电容电流的基准信号，同时减去电容电流反馈信号i_cs得到电流控制器总的输出信号v_r1。

(4)将并网点电压反馈信号v_gs通入到电压低次谐波选择器，其中每个谐波提取模块Gprs(s)的表达式为：

$>G_{\mathrm{prs}}\left(s\right)=\underset{n=\mathrm{1,3,5,7}...}{\Sigma }\frac{k_r{w}_{n}s}{s^2+k_r{w}_{n}s+w_n^2}---\left(2\right),$>

其中，n为需要选择的低次谐波次数，k_r为选择器的衰减系数，w_n为选取低次谐波的频率；每个谐波提取模块的输入为当前的耦合点电压信号与前一个已提取出的谐波相减而得到，具体思路是基波v_1th提取出后与v_ppc相减得到提取三次谐波v_3th的输入v_ppc-v_1th，如图3的节点A所示。以此类推，五次谐波的输入为v_ppc-v_1th-v_3th，如图3的节点B所示。通过这种实施方法，将大大提高并网点电压低次背景谐波的精度，进一步提高入网电流品质。

$>v_{1\mathrm{th}}\left(s\right)=\frac{k_r{w}_{1}s}{s^2+k_r{w}_{1}s+w_1^2}·v_{\mathrm{pcc}}\left(s\right)---\left(3\right)$>

$>v_{3\mathrm{th}}\left(s\right)=\frac{k_r{w}_{3}s}{s^2+k_r{w}_{3}s+w_3^2}·{[v}_{\mathrm{pcc}}\left(s\right)-v_{1\mathrm{th}}\left(s\right)]---\left(4\right)$>

$>v_{5\mathrm{th}}\left(s\right)=\frac{k_r{w}_{5}s}{s^2+k_r{w}_{5}s+w_5^2}·{[v}_{\mathrm{pcc}}\left(s\right)-v_{1\mathrm{th}}\left(s\right)-v_{3\mathrm{th}}\left(s\right)]---\left(5\right)$>

……

作为一种优选，该LCL型并网逆变器控制结构中还包括电流调节器G_c(s)，该电流调节器为PI调节器、PR调节器或它们的组合形成的调节器结构。

(5)通过每个特征频率二阶广义积分器对电网电压各低次背景谐波的提取，将得到的低次谐波相加，得到：

$>v_{r2}=\underset{n=\mathrm{1,3,5}...}{\Sigma }{v}_{\mathrm{nth}}---\left(6\right)$>

(6)将电流调节器得到的调制信号v_r1与低次谐波选择器得到的调制信号v_r2相加得到最终与三角波交接的调制信号v_m，经过PWM产生器产生相应的PWM驱动信号控制功率电路的 开关管。

v_m＝v_r1+v_r2       (7) 

仿真实验： 

图5为传统控制策略在电网阻抗L_g＝2mH下的实验波形，系统稳定性难以保证，入网电流产生大量的谐波振荡，恶化电能质量；图6为谐振前馈控制策略在弱电网下的实验波形，并网逆变系统仍然能够保持稳定，以高质量的正弦电流并入电网。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。