电气工程学报, 2019, 14(2): 79-85 doi: 10.11985/2019.02.014

提高弱电网下LCL型并网逆变器稳定性的改进电网电压前馈策略 *

于文倩1, 同向前1, 燕聪1, 焦攀2

1. 西安理工大学自动化与信息工程学院 西安 710048

2. 国网昌吉换流站 昌吉 831100

An Improved Grid Voltage Feedforward Strategy for LCL-type Grid-connected Inverters in Weak Grid

YU Wenqian1, TONG Xiangqian1, YAN Cong1, JIAO Pan2

1. Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048 China;

2. State Grid Changji Converter Station, Changji 831100 China

收稿日期: 2019-05-5   网络出版日期: 2019-06-25

基金资助: *国家自然科学基金资助项目.  51677151

Received: 2019-05-5   Online: 2019-06-25

作者简介 About authors

于文倩,女,1995年生,硕士研究生,主要研究方向为有源电力滤波器的应用设计。 E-mail： 736481556@qq.com。

同向前,男,1961年生,教授,博士研究生导师,主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。E-mail： lstong@mail.xaut.edu.cn

摘要

并网逆变器常采用电网电压前馈策略来提高系统输出对电网电压扰动的抑制能力和装置起动性能,但在弱电网下,电网电压直接比例前馈会削弱并网逆变器的稳定裕度。基于对弱电网下无前馈和直接比例前馈控制的开环频率特性的对比分析,提出一种在前馈通道中加入滞后选频环节的改进前馈方案,改进后的系统稳定裕度得到明显改善。最后,搭建了一套采用氮化镓(GaN)器件的LCL型并网逆变器的试验样机,试验结果表明采用改进前馈策略的并网逆变器对弱电网的适应性更强。

关键词： LCL并网逆变器 ; 弱电网 ; 电网电压前馈控制 ; 稳定性

Abstract

Grid-connected inverters often use grid voltage feedforward control to improve the suppression capability and startup performance of the system. When the grid behaves a weak grid, the direct proportional feedforward control of the grid voltage will weaken the stability margin of the grid-connected inverter control system. Based on the comparative analysis of the open-loop frequency characteristics of no feedforward and direct proportional feedforward control under weak grids, an improved feedforward scheme is proposed with a lag transfer function for frequency selective in the voltage feedforward channel. Thus the system stability margin improves obviously. Finally, the verification is carried out on a set of LCL-type grid-connected inverter experimental platform. The experimental results demonstrate that the adaptability of improved voltage feedforward strategy under weak grid is more stronger.

Keywords： LCL-type grid-connected inverter ; weak grid ; grid voltage feedforward control ; system stability

PDF (1080KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

于文倩, 同向前, 燕聪, 焦攀. 提高弱电网下LCL型并网逆变器稳定性的改进电网电压前馈策略 *. 电气工程学报[J], 2019, 14(2): 79-85 doi:10.11985/2019.02.014

YU Wenqian. An Improved Grid Voltage Feedforward Strategy for LCL-type Grid-connected Inverters in Weak Grid. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(2): 79-85 doi:10.11985/2019.02.014

1 引言

随着分布式电源广泛而分散接入电力系统中,系统越来越呈现出弱电网特征[1]。当系统内含有大量谐波源负荷时,配电网电压将会含有明显的背景谐波,进而导致并网逆变器的并网电流畸变。同时,弱电网条件下并网逆变器的稳定性会发生恶化。文献[2]从阻抗角度指出电网等效感抗增大会造成逆变器稳定裕度减小;文献[3]利用根轨迹分析了多台逆变器并联时,并联台数增加会导致闭环特征根出现在右半平面;文献[4]指出电网感抗变化会导致LCL型并网逆变器的谐振频率偏移从而削弱阻尼效果。为了减小电网电压扰动的影响,文献[5]从控制框图的等效变换角度推导出LCL型并网逆变器全前馈函数,以完全抵消畸变电网电压的扰动作用。然而弱电网条件下的电网电压前馈控制会引入额外的正反馈支路,从而降低系统对电网阻抗的鲁棒性[6],并提出实时测量电网阻抗和调整控制器参数的自适应控制方法。

对于弱电网下电网电压前馈控制导致的稳定性问题,文献[7,8]从逆变器输出阻抗模型进行分析,分别采取在公共耦合点并联实际RC支路、虚拟阻抗的方法来实现系统在弱电网阻抗下的稳定鲁棒性。文献[9]采用间接控制方法提高系统对电网阻抗的适应能力。文献[10,11]通过引入前馈因子概念及加入环路相位补偿来增强系统稳定性,全频段削弱前馈作用;文献[12,13]加入具有选频特性的谐振环节至电网电压前馈通道,仅保留对电网电压工频分量的有效前馈,从而增强系统对电网阻抗或数字控制延时的鲁棒性。但以上几种改进方案都牺牲了前馈控制对低频段分量有益的开环高增益特性。

针对上述方法的不足,本文首先建立数字控制下弱电网LCL型并网逆变器系统的控制模型,对比研究无电网电压前馈和直接比例前馈控制的特点。在此基础上提出一种具有宽范围选频特性的滞后选频前馈控制策略,以实现弱电网下系统稳态性能的改善。最后,在所搭建的单相LCL型并网逆变器实验平台上对本文所提策略的有效性进行了验证。

2 弱电网下LCL型并网逆变器的
数学建模

单相LCL型并网逆变器系统如图1所示,VT1、VT 2、VT 3、VT 4为氮化镓(GaN)开关管,其自身有反向续流能力,L1为逆变侧电感;L2为网侧电感;C为交流侧滤波电容;Lg为电网等效电感。图2为其控制系统传递函数框图,H2为网侧电流反馈系数;H1为电容电流反馈阻尼系数,采集电容电流的目的在于抑制LCL谐振尖峰。测量公共耦合点(PCC)电压用于锁相和电网电压前馈,Gf(s)为前馈函数;Gi(s)为电流调节器;采用比例谐振(PR)控制器。调制采用SPWM倍频方式,Gd(s)表征数字系统和PWM延迟,变换器的电压增益记为KPWM。设系统采样周期为T,则PWM调制过程的零阶保持作用近似为0.5T的延时环节,加之控制量更新固有延时1.0T,数字控制总延时为1.5T,故有：Gd(s)=exp(-1.5sT)。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   LCL型并网逆变器控制系统结构


图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   LCL型并网逆变器控制框图


系统控制框图如图2所示。图2a为离散域模型,实线框内为采样开关,点画线框代表PCC点电压前馈支路;考虑到连续域模型的直观性,特将图2a的离散域框图等效变换为图2b的连续域框图。同时,对电压前馈支路进行等效变换,PCC点电压可分解为理想电网叠加电网等值电感的压降。实际求解时,首先求取无前馈条件下闭环系统的开环传递函数T(s),然后考虑前馈通道,利用式(1)求得前馈时系统的开环传递函数Tg(s)。

电网电压前馈时,闭环系统的开环传递函数为

${{T}_{\text{g}}}(s)=\frac{T(s)}{1-\frac{T(s)}{{{H}_{2}}{{G}_{\text{i}}}(s)}{{G}_{\text{fg}}}(s)}$

式中,${{G}_{\text{fg}}}\left( s \right)=s{{L}_{\text{g}}}{{G}_{\text{f}}}\left( s \right)$。

无电网电压前馈控制时,电流环开环传递函数为

$T\left( s \right)=\frac{{{H}_{2}}{{G}_{\text{i}}}\left( s \right){{K}_{\text{PWM}}}{{G}_{\text{d}}}\left( s \right)}{{{s}^{3}}{{A}_{3}}+{{s}^{2}}{{A}_{2}}+s{{A}_{11}}}$

式中,${{A}_{3}}={{L}_{1}}\left( {{L}_{2}}+{{L}_{\text{g}}} \right)C$;${{A}_{2}}=\left( {{L}_{2}}+{{L}_{\text{g}}} \right)C{{H}_{1}}{{K}_{\text{PWM}}}{{G}_{\text{d}}}\left( s \right)$;${{A}_{11}}={{L}_{1}}+{{L}_{2}}+{{L}_{\text{g}}}$。

当采用电网电压前馈时,电流环开环传递函数为

${{T}_{\text{g}}}\left( s \right)=\frac{{{H}_{2}}{{G}_{i}}\left( s \right){{K}_{\text{PWM}}}{{G}_{\text{d}}}\left( s \right)}{{{s}^{3}}{{A}_{3}}+{{s}^{2}}{{A}_{2}}+s\left( {{A}_{11}}-{{A}_{12}} \right)}$

式中,${{A}_{12}}={{L}_{\text{g}}}{{G}_{\text{f}}}\left( s \right){{K}_{\text{PWM}}}{{G}_{\text{d}}}\left( s \right)$。

观察式(2)、(3)开环传递函数可知,无电网电压前馈时,电网感抗变化对系统稳定性影响可完全等效为LCL型并网逆变器网侧滤波参数的变化。而电网电压前馈后电流环开环传递函数分母一次项发生变化,电网感抗将直接影响到系统稳定性。尤其当电网较弱时,电网等效电感对并网逆变器的稳定性有显著影响。

电网电压扰动所引起的输出分量为

$\frac{{{i}_{\text{g}\_\text{ug}}}(s)}{{{u}_{\text{g}}}(s)}=\frac{{{G}_{\text{f}}}(s){{K}_{\text{PWM}}}{{G}_{\text{d}}}(s)-\left( 1+sC{{H}_{1}}{{K}_{\text{PWM}}}{{G}_{\text{d}}}(s)+{{s}^{2}}{{L}_{1}}C \right)}{{{s}^{3}}{{A}_{3}}+{{s}^{2}}{{A}_{2}}+s{{A}_{11}}+{{K}_{\text{PWM}}}{{G}_{\text{d}}}(s)\left[ {{H}_{2}}{{G}_{\text{i}}}(s)-s{{L}_{\text{g}}}{{G}_{\text{f}}}(s) \right]}$

通过合理设计前馈函数可使得式(4)的分子为0,从而完全抵消电网电压对并网电流的扰动作用,此时可求得前馈函数满足

${{G}_{\text{f}}}\left( s \right)=\frac{1+sC{{H}_{1}}{{K}_{\text{PWM}}}\text{exp(}-1.5sT\text{)}+{{s}^{2}}{{L}_{1}}C}{{{K}_{\text{PWM}}}\text{exp(}-1.5sT\text{)}}$

式(5)称为全前馈函数。

很明显,全前馈函数和控制延时、调制系数、输出滤波参数相关,这表明全前馈效果依赖输出滤波参数的准确性,且全前馈函数中一阶微分、二阶微分项容易引入微分噪声干扰问题[14]。

本文仅针对含有比例项的前馈方式展开分析,式(5)的全前馈函数可简化为

${{G}_{\text{f}}}\left( s \right)=\frac{1}{{{K}_{\text{PWM}}}}$

由于仅含有比例前馈项,故称式(6)为直接比例前馈控制。

3 弱电网下LCL型并网逆变器的
电网电压前馈改进策略

3.1 无前馈和直接比例前馈特点分析

本文所设计的系统容量及主电路、采样等相关参数见表1。根据弱电网短路比定义[15],短路比为10时对应的电网电感为7 mH,记作Lw。

表1   系统参数

参数数值参数数值
额定容量/(kV·A)2.2调制方式倍频
额定电压/V220逆变侧电感/mH0.99
额定电流/A10滤波电容/μF1
开关频率/kHz50网侧电感/mH0.44
采样频率/kHz50谐振频率/kHz9.1

新窗口打开| 下载CSV


参考文献[16]中的结论进行以下参数设计。当Lg=0时,设计比例调节器参数KP=24.6,使得开环穿越频率为2.89 kHz。阻尼系数的范围在[9.9,17.0]内系统稳定,选取阻尼系数为H1=15.5,此时系统相位裕度54.8°。另外,设计PR调节器的谐振积分环节为355,在50 Hz处开环增益为31.5 dB,保证并网电流的稳态误差在3%以内。利用Matlab画出无前馈和直接比例前馈下系统开环传递函数随电网不断变弱过程的伯德图,如图3a、3b所示,其中Lg分别取0、0.2Lw、1.0Lw。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   LCL并网逆变器的伯德图


由图3a可以看出,无电网电压前馈时,不同电网电感下系统的相位裕度分别为54.8°、69.9°和82.8°,即弱电网下逆变器的系统稳定性是增强的。但也可看出,系统截止频率和低频增益明显下降,动态响应和稳态精度较差。由图3b可以看出,有电网电压前馈时,不同电网电感下系统的相位裕度分别为54.8°、28.4°和13.1°,即弱电网下的逆变器系统稳定性是减弱的,这与无前馈时正好相反。

上述两者差别之处,究其原因可以归结为以下两点：① 在谐振频率处系统的相位会突降180°,且直接比例前馈控制时,其等效谐振频率会严重受到电网电感的影响;② 直接比例前馈时近似实现了中低频段的幅频曲线和电网电感的解耦,从而在弱电网下系统开环截止频率仍然较高。正是这两点会造成直接比例前馈时系统的相位裕度随电网变弱而快速减小。因此,前馈通道必须衰减电网等效电感在中高频段前馈作用,才能保证弱电网下的稳定性。

3.2 弱电网下基于带通滤波前馈的电网电压前馈控制策略

针对弱电网下直接比例前馈时系统相位裕度小的问题,文献[12,13]提出了带通滤波前馈策略,带通滤波前馈函数为

${{G}_{\text{BPF}}}\left( s \right)=\frac{1}{{{K}_{\text{PWM}}}}\frac{\Delta \omega s}{{{s}^{2}}+\Delta \omega s+\omega _{\text{o}}^{2}}$

式中,ωo 对应50 Hz的工频分量,Δω对应频率波动量,其取值一般考虑0.5 Hz的频率波动量。

当Lg=0.2Lw时,带通滤波前馈下系统的开环伯德图如图4所示。该前馈方案的特点在于仅对工频分量进行有效前馈,此外和无前馈方案的伯德图完全相同,对其余分量等效于无前馈。因此带通滤波前馈可以获得良好的稳定性,但是对电网背景谐波电压无抑制作用,且动态特性差。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   带通滤波前馈时系统的开环伯德图


3.3 弱电网下基于滞后选频前馈的改进电网电压前馈控制策略

综合考虑系统稳态、动态性能,可在前馈通道中引入具有低通特性的环节来改善系统稳定性,例如二阶低通滤波器。但是,二阶低通滤波器会在中高频段引入严重相移,不利于系统稳定性。经分析发现,式(8)滞后校正环节[17]具有所需要的低通高衰减特性。故本文选择滞后环节作为电网电压前馈通道上的选频校正环节。

${{G}_{\text{f}}}\left( s \right)=\frac{1}{{{K}_{\text{PWM}}}}\frac{b\tau s+1}{\tau s+1}$

式中,KPWM=1;b为小于1的常数;τ为时间常数。

值得注意的是,滞后选频前馈函数在部分频段具有相位滞后特性,这是不利之处。因此,必须优化选择滞后选频环节的参数。首先,画出直接比例前馈系统下的开环伯德图,根据该伯德图设计滞后网络参数。同时,考虑到引入相位滞后大小、稳定性等约束条件,τ的选择应保证50 Hz信号不被衰减,1/2πτ明显大于工频50 Hz才能获得对电网电压背景谐波的高增益特性;b的选择必须保证前馈下的系统稳定性,且引入相移较小。选择的实际值如下：b=0.5,τ=1/(500×2π),此时式(8)所示滞后选频环节的频率特性如图5所示。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   滞后校正环节的伯德图


当Lg=0.2Lw时,无前馈、直接比例前馈、滞后选频前馈系统的开环伯德图如图6所示。显然,滞后选频前馈时幅值和相位穿越频率均介于其余两者之间,这是由于中高频率段前馈分量的衰减导致。故滞后选频前馈方案综合了无前馈和直接比例前馈的优点,系统的稳态、动态性能得到折衷。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   滞后选频前馈时系统的开环伯德图


将本文所提方案与文献[12,13]所提带通滤波前馈(50 Hz)进行比较,图7为Lg=Lw时两种不同改进前馈方案的开环频率特性对比。带通滤波前馈时,相位裕度为82.7°;滞后选频前馈时,相位裕度为47.4°,两种改进方案均改善了系统稳定性。然而,本文所提方案优势在于低频段整体有高增益特性,尤其当开环截止频率较高时,该优势更为明显。表2为三种前馈方案的特点对比。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   三种前馈方案的伯德图对比


表2   三种前馈方案性能对比

直接比例带通滤波滞后选频
稳定裕度小大较大
截止频率高较低较高
低频增益大小(50 Hz大)较大
相位滞后大小较大

新窗口打开| 下载CSV


4 试验分析

按照图1结构、表1参数搭建试验系统,开关管采用GS66508T型氮化镓器件。试验在直流电压200 V、交流侧110 V、并网电流2.0 A的条件下进行,调压器漏感2.5 mH,外部串联电感4.2 mH。

图8和图9分别为无电网电压前馈时的并网电流及其FFT分析。图8a为无电网电压前馈、无有源阻尼情况下的实验波形,系统起动后发生谐振,图9a表明振荡频率约为5.15 kHz。为此,在控制系统中加入电容电流比例反馈阻尼,结果如图8b、9b所示,系统运行稳定,谐振得到良好抑制。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   无电网电压前馈实验结果


图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9   无电网电压前馈时的并网电流FFT分析


图10为在上述基础上加入电网电压前馈后的试验结果,图11为对应并网电流的FFT分析。图10a为直接比例前馈时的并网电流,可以看出,直接比例前馈时系统发生严重谐波振荡,图11a表明振荡频率为1 300 Hz,与无谐振阻尼时谐振频率5.15 kHz不同,两者振荡原因不同。无阻尼时振荡是由于谐振尖峰过大导致,而直接比例前馈时发生振荡是由系统相位裕度过小所致。图10b和图10c分别为带通滤波和滞后选频前馈时的并网电流,电流波形均无振荡现象,始终保持稳定。

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10   加入电网电压前馈的试验结果


图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11   加入电网电压前馈法后的并网电流FFT分析


当采用带通滤波前馈和滞后选频前馈后,并网电流均稳定,THD依次为5.51%和4.42%。FFT分析表明,带通滤波前馈时并网电流的3次、5次、7次谐波含量分别为3.76%、2.89%、1.57%,而滞后选频前馈时并网电流的3次、5次、7次谐波含量分别为2.47%、1.82%、0.96%,故滞后选频前馈时并网电流质量更好。这是因为滞后选频环节设计在500 Hz以下时不衰减电网感抗的前馈作用,而后者只保留对50 Hz处的电网电压前馈作用。

5 结论

针对LCL型并网逆变器,本文重点研究了弱电网下电网电压前馈对并网逆变器稳定性的影响,并提出一种适用于弱电网下的滞后选频前馈策略,理论分析和试验结果表明以下几点。

(1) 采用滞后选频前馈策略的并网逆变器在稳定性方面对弱电网具有较强的适应性。

(2) 滞后选频前馈策略在提高对弱电网适应性的同时仍保持了较高的低频增益和穿越频率,系统响应快、网侧电流质量高。

参考文献

Liserre M, Teodorescu R, Blaabjerg F .

Stability of photovoltaic and wind turbine grid-connected inverters for a large set of grid impedance values

[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006,21(1):263-272.

URL     [本文引用: 1]

李小强, 伍小杰, 耿乙文 , 等.

感性电网阻抗下三相光伏逆变器稳定性分析

[J]. 中国电机工程学报, 2014,34(18):2906-2916.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.18.006      URL     Magsci     [本文引用: 1]

许多情况下,电网并非理想的电压源,而是存在感性阻抗的弱电网。传统的光伏逆变器设计并没有考虑电网阻抗的影响,逆变器-电网级联系统阻抗不匹配容易导致逆变器的稳定性能降低,甚至不稳定。该文从阻抗的角度,分析L滤波和LCL滤波的光伏逆变器在感性电网阻抗下的稳定性,并分别对稳定判据和输出导纳模型展开研究。通过模型降阶和矩阵近似,简化广义奈奎斯特稳定判据对逆变器-电网级联系统的稳定性分析。借鉴直流电源导纳模型建立的方法,简化由闭环状态矩阵推导<i>d</i>轴输出导纳的计算过程。最后根据所提出的简化判据和建立的<i>d</i>轴输出导纳模型,分析两种滤波方式下级联系统的稳定性,并研究滤波器参数与对级联系统稳定裕度的影响。通过实验对所进行的稳定性分析进行了验证。

Li Xiaoqiang, Wu Xiaojie, Geng Yiwen , et al.

Stability analysis of three-phase photovoltaic inverter under inductive grid impedance

[J]. Proceedings of the CSEE, 2014,34(18):2906-2916.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.18.006      URL     Magsci     [本文引用: 1]

许多情况下,电网并非理想的电压源,而是存在感性阻抗的弱电网。传统的光伏逆变器设计并没有考虑电网阻抗的影响,逆变器-电网级联系统阻抗不匹配容易导致逆变器的稳定性能降低,甚至不稳定。该文从阻抗的角度,分析L滤波和LCL滤波的光伏逆变器在感性电网阻抗下的稳定性,并分别对稳定判据和输出导纳模型展开研究。通过模型降阶和矩阵近似,简化广义奈奎斯特稳定判据对逆变器-电网级联系统的稳定性分析。借鉴直流电源导纳模型建立的方法,简化由闭环状态矩阵推导<i>d</i>轴输出导纳的计算过程。最后根据所提出的简化判据和建立的<i>d</i>轴输出导纳模型,分析两种滤波方式下级联系统的稳定性,并研究滤波器参数与对级联系统稳定裕度的影响。通过实验对所进行的稳定性分析进行了验证。

周林, 张密, 居秀丽 , 等.

电网阻抗对大型并网光伏系统稳定性影响分析

[J]. 中国电机工程学报, 2013,33(34):34-41.

Magsci     [本文引用: 1]

当电网阻抗较高时，并网光伏系统会变得不稳定；特别是连接在弱电网上的大型光伏电站，稳定性问题更为突出。为研究电网阻抗对大型并网光伏系统稳定性影响，该文建立了三相逆变器并联系统的诺顿等效模型，推导了逆变器并网电流、并网公共点电压表达式以及大型并网光伏系统的闭环特征方程，采用根轨迹法分析了电网阻抗对大型并网光伏系统稳定性的影响，最后建立系统仿真模型进行验证，结果表明，三相逆变器的诺顿等效模型相间不存在耦合效应，三相逆变器并联系统的特性分析可在单相逆变器并联系统。

Zhou Lin, Zhang Mi, Ju Xiuli , et al.

Analysis of the influence of grid impedance on the stability of large-scale grid-connected photovoltaic system

[J]. Proceedings of the CSEE, 2013,33(34):34-41.

Magsci     [本文引用: 1]

当电网阻抗较高时，并网光伏系统会变得不稳定；特别是连接在弱电网上的大型光伏电站，稳定性问题更为突出。为研究电网阻抗对大型并网光伏系统稳定性影响，该文建立了三相逆变器并联系统的诺顿等效模型，推导了逆变器并网电流、并网公共点电压表达式以及大型并网光伏系统的闭环特征方程，采用根轨迹法分析了电网阻抗对大型并网光伏系统稳定性的影响，最后建立系统仿真模型进行验证，结果表明，三相逆变器的诺顿等效模型相间不存在耦合效应，三相逆变器并联系统的特性分析可在单相逆变器并联系统。

潘冬华, 阮新波, 王学华 , 等.

增强LCL型并网逆变器对电网阻抗鲁棒性的控制参数设计

[J]. 中国电机工程学报, 2015,35(10):2558-2556.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.10.023      URL     Magsci     [本文引用: 1]

电容电流反馈有源阻尼是抑制并网逆变器中LCL滤波器谐振的有效方式。然而,由于实际电网存在变化的电网阻抗,LCL滤波器的谐振频率会在宽范围内变化,使得电容电流反馈系数的选取变得困难。特别地,当谐振频率等于1/6的采样频率(<em>f</em><sub>s</sub>/6)时,无论选取多大的电容电流反馈系数,系统都无法稳定。研究适应电网阻抗宽范围变化的电容电流反馈系数的设计方法,针对不同的谐振频率,推导出系统稳定时的幅值裕度要求,通过分析电网阻抗对幅值裕度的影响,得到最优的电容电流反馈系数。采用这个反馈系数时,除了谐振频率等于<em>f</em><sub>s</sub>/6之外,系统都能保持稳定。进一步地,为了提高谐振频率等于<em>f</em><sub>s</sub>/6时系统的稳定性,提出环路增益的相位滞后补偿方法。最后,在一台6 kW的原理样机进行实验验证,实验结果证明了理论分析的正确性。

Pan Donghua, Ruan Xinbo, Wang Xuehua , et al.

Control parameter design of enhanced LCL grid-connected inverter for grid impedance robustness

[J]. Proceedings of the CSEE, 2015,35(10):2558-2556.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.10.023      URL     Magsci     [本文引用: 1]

电容电流反馈有源阻尼是抑制并网逆变器中LCL滤波器谐振的有效方式。然而,由于实际电网存在变化的电网阻抗,LCL滤波器的谐振频率会在宽范围内变化,使得电容电流反馈系数的选取变得困难。特别地,当谐振频率等于1/6的采样频率(<em>f</em><sub>s</sub>/6)时,无论选取多大的电容电流反馈系数,系统都无法稳定。研究适应电网阻抗宽范围变化的电容电流反馈系数的设计方法,针对不同的谐振频率,推导出系统稳定时的幅值裕度要求,通过分析电网阻抗对幅值裕度的影响,得到最优的电容电流反馈系数。采用这个反馈系数时,除了谐振频率等于<em>f</em><sub>s</sub>/6之外,系统都能保持稳定。进一步地,为了提高谐振频率等于<em>f</em><sub>s</sub>/6时系统的稳定性,提出环路增益的相位滞后补偿方法。最后,在一台6 kW的原理样机进行实验验证,实验结果证明了理论分析的正确性。

Wang X, Ruan X, Liu S , et al.

Full feedforward of grid voltage for grid-connected inverter with LCL filter to suppress current distortion due to grid voltage harmonics

[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011,25(12):3119-3127.

[本文引用: 1]

许津铭, 谢少军, 唐婷 .

弱电网下LCL滤波并网逆变器自适应电流控制

[J]. 中国电机工程学报, 2014,34(24):4031-4039.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.24.006      URL     Magsci     [本文引用: 1]

由电网电压谐波以及电网阻抗变化等引起的电网不确定性严重影响LCL型并网逆变器的电流控制。电网电压比例前馈因实现方便且可有效地抑制电网谐波的作用而获得了广泛的关注,但少有文献探讨其在电网阻抗大幅变化即弱电网下的性能。该文分析表明,弱电网下该前馈补偿会大幅降低电流控制的稳定裕度。随着电网阻抗中感性成分的增大稳定裕度变差,最终导致不稳定。此外,低次谐波电流抑制也会失效。针对上述问题,提出一种基于电网阻抗估测的自适应控制方法,即时修正用于前馈补偿的电压以及调整调节器参数以保证较好的相位裕度或高带宽。对比分析以及实验研究表明提出的方案可有效地提高LCL滤波并网逆变器的电网适应性。

Xu Jinming, Xie Shaojun, Tang Ting .

Adaptive current control of LCL filtered grid-connected inverter under weak power grid

[J]. Proceedings of the CSEE, 2014,34(24):4031-4039.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.24.006      URL     Magsci     [本文引用: 1]

由电网电压谐波以及电网阻抗变化等引起的电网不确定性严重影响LCL型并网逆变器的电流控制。电网电压比例前馈因实现方便且可有效地抑制电网谐波的作用而获得了广泛的关注,但少有文献探讨其在电网阻抗大幅变化即弱电网下的性能。该文分析表明,弱电网下该前馈补偿会大幅降低电流控制的稳定裕度。随着电网阻抗中感性成分的增大稳定裕度变差,最终导致不稳定。此外,低次谐波电流抑制也会失效。针对上述问题,提出一种基于电网阻抗估测的自适应控制方法,即时修正用于前馈补偿的电压以及调整调节器参数以保证较好的相位裕度或高带宽。对比分析以及实验研究表明提出的方案可有效地提高LCL滤波并网逆变器的电网适应性。

滕宇, 王学华, 余辉 , 等.

提高LCL型并网逆变器对电网阻抗鲁棒性的阻抗调节方法

[J]. 中国电机工程学报, 2015,35(S1):197-204.

URL     [本文引用: 1]

Teng Yu, Wang Xuehua, Yu Hui , et al.

Impedance adjustment method for improving the robustness of LCL grid-connected inverters to grid impedance

[J]. Proceedings of the CSEE, 2015,35(S1):197-204.

URL     [本文引用: 1]

杨东升, 阮新波, 吴恒 .

提高LCL型并网逆变器对弱电网适应能力的虚拟阻抗方法

[J]. 中国电机工程学报, 2014,34(15):2327-2335.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.15.001      URL     Magsci     [本文引用: 1]

随着分布式电源并网功率等级的增加及接入位置的广泛分布, 电网越来越表现出弱电网的特性, 即含有较大的电网阻抗和丰富的电网电压背景谐波。其中, 电网阻抗会改变控制环路的增益, 影响其控制性能, 甚至可能导致系统不稳定, 而电网电压背景谐波会引起并网电流的畸变, 使其无法满足并网电流谐波标准。由于逆变器的输出阻抗模型能够同时反映控制系统对电网阻抗的鲁棒性及对电网电压的抗扰性能, 因此, 该文通过揭示它们之间的关系, 提出采用虚拟阻抗的方法对输出阻抗进行校正, 并给出虚拟阻抗的实现过程和参数的设计方法。采用该方法可使得逆变器在电网阻抗宽范围变化时仍然能够稳定工作, 同时保证并网电流满足谐波标准。以单相LCL型并网逆变器为例进行实验验证, 实验结果验证了控制策略的有效性。

Yang Dongsheng, Ruan Xinbo, Wu Heng .

Virtual impedance method for improving the adaptability of LCL grid-connected inverter to weak grid

[J]. Proceedings of the CSEE, 2014,34(15):2327-2335.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.15.001      URL     Magsci     [本文引用: 1]

随着分布式电源并网功率等级的增加及接入位置的广泛分布, 电网越来越表现出弱电网的特性, 即含有较大的电网阻抗和丰富的电网电压背景谐波。其中, 电网阻抗会改变控制环路的增益, 影响其控制性能, 甚至可能导致系统不稳定, 而电网电压背景谐波会引起并网电流的畸变, 使其无法满足并网电流谐波标准。由于逆变器的输出阻抗模型能够同时反映控制系统对电网阻抗的鲁棒性及对电网电压的抗扰性能, 因此, 该文通过揭示它们之间的关系, 提出采用虚拟阻抗的方法对输出阻抗进行校正, 并给出虚拟阻抗的实现过程和参数的设计方法。采用该方法可使得逆变器在电网阻抗宽范围变化时仍然能够稳定工作, 同时保证并网电流满足谐波标准。以单相LCL型并网逆变器为例进行实验验证, 实验结果验证了控制策略的有效性。

马兴, 徐瑞林, 陈民铀 , 等.

弱电网下并网逆变器自适应H∞控制方法

[J]. 电力系统自化, 2018,42(13):189-195.

[本文引用: 1]

Ma Xing, Xu Ruilin, Chen Minyou , et al.

Adaptive H∞ control method for grid-connected inverters in weak grids

[J]. Automation of Electric Power System, 2018,42(13):189-195.

[本文引用: 1]

钱强, 谢少军, 季林 , 等.

一种提升逆变器对电网适应能力的电流控制策略

[J]. 中国电机工程学报, 2016,36(22):6193-6201.

URL     [本文引用: 1]

Qian Qiang, Xie Shaojun, Ji Lin , et al.

A current control strategy for improving the adaptability of inverters to power grids

[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(22):6193-6201.

URL     [本文引用: 1]

刘乐, 同向前, 杨树德 .

提高弱电网下并网逆变器鲁棒稳定性的电网电压部分前馈控制策略

[C]. 第十一届中国高校电力电子与电力传动学术会议,湖南, 2017.

[本文引用: 1]

徐飞, 汤雨, 谷伟 .

弱电网条件下LCL型并网逆变器谐振前馈控制策略研究

[J]. 中国电机工程学报, 2016,36(18):4970-4979.

URL     [本文引用: 3]

Xu Fei, Tang Yu, Gu Wei .

Research on resonant feedforward control strategy of LCL grid-connected inverter under weak grid conditions

[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(18):4970-4979.

URL     [本文引用: 3]

杨树德, 同向前, 尹军 , 等.

增强并网逆变器对电网阻抗鲁棒稳定性的改进前馈控制方法

[J]. 电工技术学报, 2017,32(10):222-230.

[本文引用: 3]

Yang Shude, Tong Xiangqian, Yin Jun , et al.

Improved feedforward control method for enhanced robust stability of grid-connected inverters to grid impedance

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017,32(10):222-230.

[本文引用: 3]

李巍巍 .

三相LCL型并网逆变器中电网电压引起的谐波和不平衡电流抑制研究

[D]. 武汉:华中科技大学, 2014.

[本文引用: 1]

国家电网.

Q/GDW 480 分布式电源接入电网技术规定

[S]. 北京:国家电网, 2010.

[本文引用: 1]

Parker S G, Mcgrath B P, Holmes D G .

Regions of active damping control for LCL filters

[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2014,50(1):424-432.

DOI:10.1109/TIA.2013.2266892      URL     Magsci     [本文引用: 1]

The control of a grid-connected voltage source inverter with an inductive-capacitive-inductive (LCL) filter is a very challenging task, since the LCL network causes a resonance phenomenon near to the control stability boundary. While many active damping methods have been proposed to overcome this issue, the role that pulse width modulation transport delay plays in the effectiveness of these strategies is still not fully resolved. This paper presents a theoretical discrete time-analysis framework that identifies three distinct regions of LCL filter resonance, namely, a high resonant frequency region where active damping is not required, a critical resonant frequency where a controller cannot stabilize the system, and a low resonant frequency region where active damping is essential. Suitable controllers are then proposed for the two stable regions, with gain calculations that allow for the greatest system bandwidth and damping. Simulation and experimental results verify the presented analysis.

胡寿松 . 自动控制原理[M]. 5版. 北京: 科学出版社, 2007.

[本文引用: 1]

/

〈 〉