光伏并网逆变器的复合控制研究.pdf

101中 国 设 备 工 程C h i n a P l a n tE n g i n e e r i n g中国设备工程 2023.09（上）1 前言作为一种清洁无污染的可再生能源，光伏受到了世界各国的广泛关注。但风能具有间歇性、随机性和不可调控性等特点，大量的风光并网对电力系统的安全稳定运行提出了挑战。同时由于我国风光装机主要在远离用电中心的偏远地区，风光需要长距离传输，此时，电网线路阻抗不可忽略，电网呈弱电网特性。弱电网下，并网点处电压、电流谐波将被进一步放大。为了满足GB/T 14549-1993对新能源并网的谐波含量要求，需要采取措施降低并网电流的谐波含量，而对于并网电流谐波的抑制，主要通过并网逆变器的控制策略来实现，因此，有必要对并网逆变器在弱电网下的控制策略进行深入研究，提高风电并网的电流质量和稳定性。当前，已有多种控制器用于并网逆变器的控制中，如比例积分控制器(PI)、比例谐振控制器(PR)、重复控制器(RC)等。受到控制增益的限制，PI 控制在 a,b坐标系下的跟踪精度低，控制误差大。因此，文献 2提出旋转坐标系下的 PI 控制策略，提高控制系统的跟踪精度，但是在旋转坐标系下研究、设计并网逆变器的控制策略需要进行复杂的解耦变换，这无疑增加了控制策略的复杂性。PR 控制器可以在其谐振频率处提供较大的增益，因此可以对其谐振频率的谐波进行准确跟踪与抑制，但在系统含有多个需要抑制的谐波时，就需要增加谐振控制器的并联个数，这也是当前常用的比例多谐振控制策略。很明显，这种方法的最大缺陷就是数字实现和参数设计的难度随控制精度的增加而增加。RC 基于内模原理，在电网基波及其基波整数倍的谐波频率处具有极高的增益，理论上可以对这些周期信号实现无稳态误差跟踪，且 RC 的结构简单，数字实现以及参数设计也更为容易，适用于弱电网环境下并网逆变器的控制，弱电网的阻抗分析采用的双谐波检测。然而，RC 固有一个基波周期的延迟，动态响应速度慢，为了提基金项目：四川省重点研发项目(2022YFG0300)：光伏发电并入弱电网的交互建模方法与适应性控制策略研究。光伏并网逆变器的复合控制研究李林，任晓娜，宋培武，严新发（成都纺织高等专科学校电气信息工程学院，四川 成都 611731）摘要：介于弱电网以及大量非线性负载带来的新能源并网电流质量问题，采用了一种用于光伏并网的LCL型并网逆变器比例谐振（PR）并联重复控制（RC）的复合控制策略。通过并联结构减小 RC 固有的一个基波周期延迟的影响，提高系统动态性能。通过 RC 在基波及基波整数倍谐波频率处的无穷大增益，实现对并网电流谐波的零稳态误差跟踪，抑制并网电流谐波，提高并网电流质量。给出系统稳定性条件，依据稳定性条件提出复合控制策略各个参数的具体设计方法，并对所采用的控制策略在弱电网下的稳定性进行理论分析。最后，通过仿真验证了该复合控制策略在弱电网下的可行性与有效性。关键词：弱电网；并网逆变器；重复控制；谐波中图分类号：TM464;TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2023）09（上）-0101-04高 RC 的动态性能，其常与其他控制器并联使用，形成复合控制策略。为了提高新能源并网的并网电流质量和系统的稳定性，本文采用一种 PR 并联 RC（PRRC）的复合控制策略，通过 PR 在其谐振频率处的极大增益实现对动态过程中的周期信号的精准跟踪。稳态过程通过合理设计 RC的各个参数实现对并网电流谐波的抑制。最后，通过MATLAB/Simulink 以及实验室搭建的并网逆变器实验平台对本文所提控制策略在弱电网下的可行性与适用性进行仿真与实验验证。2 PR 并联 RC 控制策略2.1 新能源并网逆变系统图 1 给出光伏并网逆变器的具体结构及控制方案。V 为直流输入电压；C 为滤波电容，L1和 L2为滤波电感；Zg为电网阻抗；iL、ig、ic分别为逆变器侧输出电流，并网电流和电容电流，vc、vpcc、vg分别为电容电压，公共耦合点处电压和电网电压；PLL 为锁相环，提取与 vpcc同步的相位角；Iref为并网电流参考幅值，iref为并网电流参考信号，GCFAD 为并网电流反馈有源阻尼，用于衰减 LCL 滤波器固有的谐振尖峰。图 1 并网逆变器结构及控制方案2.2 PRRC 控制策略图 2 所示为并网逆变器的控制框图，其中，Gi 为设备9上.indd 1012023/8/30 14:32:25102研究与探索Research and Exploration 工艺流程与应用中国设备工程 2023.09（上）电流控制器的传递函数；kpwm为逆变桥等效增益；H 为GCFAD 的系数。GCFAD 在 s 域的表达式为：()cck sH ss=+（1）由式（1）可知，GCFAD 的反馈系数实则为一个高通滤波器，其中 kc为高通滤波器的增益，c为截止频率。LCL 滤波器在 s 域的传递函数 GLCL(s)见式（2）：312121()()LCLGsL L CsLL s=+（2）图 3 为图 2 在 z 域的等效变换，本文采用 PR 并联RC 的控制策略，Gpr 为 PR 的传递函数，Grc 为 RC 的传递函数。图 3 并网逆变器在 z 域的控制框图图 3 中，E(z)为电流误差信号，Q(z)是为了提高RC 的稳定性而引入的项，/sNff=为 RC 的阶数；Gc为 RC 的补偿器，用于补偿 RC 等效被控对象的幅值与相位，离散域下 RC 的传递函数如下：()()1()NrccNzGzG zzQ z=（3）P0(z)为 PR 和 RC 在 z 域的被控对象，其具体传递函数如式（4）。0()()()1()()()pwmdLCLpwmdLCLKGz GzP zKGz Gz H z=+（4）3 PRRC 的参数设计3.1 PR 和 GCFAD 的参数表 1 给出并网逆变系统以及除 RC 以外其余控制器的各个参数，其中，PR 以及 GCFAD 的控制参数依据给出的设计原理得出。3.2 RC 的参数设计在设计 RC 的参数前，先给出系统稳定性条件。根据图 4 可得系统闭环传递函数，见式（5）。由图 4 可得误差 e(z)的表达式为：01()()1()()()refrcpre zizP zGzGz=+（5）将 Grc的表达式代入式（5），整理可得：0000001()()()1()()()()()()()()1()1()()()()1()()1()()NrefNprcprNprrefNcprQ z zize zGz P zzQ zG z P zQ z Gz P zQ z zGz P zizP zzQ zG zGz P z=+=+（6）记00()()1()()prP zP zGz P z=+，P(z)也是 RC 的等效被控对象，Gc=krzmS(z)，由式（6）可得闭环系统的特征方程：()1()()()NmrG zzQ zk z S z P z=（7）根据控制系统稳定理论，当闭环系统特征方程的 N个根都位于以原点为中心的单位圆内，可判定其是稳定的，但 N 往往都比较大（在本文中 N=240），难以采用常规的稳定性判据来判断系统的稳定性，用 ejwTs替代 z，结合（7）可以利用小增益原理推导出系统稳定的一个充分条件：()()()()10,/sssssj Tj Tj mTj Tj TrsG eQ ek eS eP eT=（8）因此，在 从零频率增加到奈奎斯特频率（1/2 采样频率）的整个过程中，G(ejwTs)的轨迹不超过单位圆，就可保证系统是稳定的。（1）设置 Q(z)。Q(z)是为了提高 RC 的稳定性而引入的项，可以是略小于 1 的常数，也可以是零相移低通滤波器。为了简化参数设计，本文取 Q(z)为略小于1 的常数。当 Q(z)为常数时，其值越小，整个控制系统的稳定性越好，但系统稳定性的提高却是以牺牲 RC的零稳态误差跟踪特性为代价，降低了 RC 的控制精度。因此，在设计 Q(z)时，必须考虑两方面性能，本文中取 Q(z)为常数 0.98。（2）滤波器 S(z)的设计。滤波器 S(z)主要用于加快高频衰减速度，一般采用二阶低通滤波器，也有文献采用二阶低通滤波器和陷波器的组合。但陷波器的陷波频率需要根据 LCL 滤波器参数来设定，弱电网环境下，滤波器参数易发生改变，因此这种方法不适合本文。介于巴特沃斯滤波器相比常用的二阶低通滤波器，有更小图 2 LCL 型并网逆变器控制框图表 1 并网逆变器参数参数数值额定功率 P/kW9.1电网电压 vg/V110网侧电感 L2/mH1逆变侧电感 L1/mH3滤波电容 C/uF10直流母线电压 VDC/V200电网额定频率 f/Hz50采样频率 fs/kHz12开关频率 fsw/kHz12GCFAD 的反馈系数 kc30GCFAD 的截止频率 c12165PR 的比例增益 kp6PR 的积分增益 ki2500设备9上.indd 1022023/8/30 14:32:26103中 国 设 备 工 程C h i n a P l a n tE n g i n e e r i n g中国设备工程 2023.09（上）的相位滞后和过渡带，本文设计截止频率为 1kHz 的四阶巴特沃斯滤波器，传递函数如下：4324320.0025760.010310.015460.010310.002576()2.6392.7691.3390.2498zzzzS zzzzz+=+（9）图 4 为引入 S(z)前后 P(z)的波特图，可见经过巴特沃斯滤波器的作用后，P(z)的高频段增益会进一步衰减，高频抑制性能进一步增强，但相位滞后也愈加严重，频率为 1000Hz 时相位裕度 PM 由 26下降到-45，所以需要补偿由 P(zm)和 S(zm)带来的相位滞后。图 4 P(z)和 P(z)*S(z)的伯德图（3）相位补偿 zm的设计。图 5 是不同 m 值下的zmS(z)P(z)的相位曲线，zmS(z)P(z)的相位为 0 则系统具有最佳的补偿相位，从图 5 中可知，m 为 10 时系统相位接近 0，因此本文 m 取 10 具有最佳的补偿效果，补偿后相位裕度 PM 超过了 65。图 5 zmS(z)P(z)的相位补偿伯德图（4）增益 kr的设计。RC 的增益 kr一般取小于 1 的常数，图 5 给出 kr变化时()sj TG e的轨迹，依据式（8）可知，当()sj TG e的轨迹不超过单位圆时，系统稳定。根据图 6，kr的取值与系统稳定性成反比，因此，kr的选取不能太大，但 kr的值又与 RC 的控制精度成正比，因此，在保证系统稳定的前提下 kr的取值应尽可能大，综合考虑下，本文中 kr取为 0.8。4 仿真验证为了验证本文所提频率自适应复合控制策略在弱电网环境下的性能，通过 MATLAB/Simulink 仿真软件搭建三相 LCL 型并网逆变器仿真模型。仿真参数见表 1。对本文所提 PRRC 复合控制策略在弱电网下的稳态性能加以验证，在仿真模型中加入 3mH 的电网电感模拟弱电网环境，仿真结果如图 7、8 所示。图 7 Lg=3mH 时的 PCC 处地电压 vpcc和并网电流 ig图 8 Lg=3mH 时本文方法的 PCC 处的电压 vpcc和并网电流 ig图 7、8 给出弱电网下并网逆变器的电压电流仿真结果，当 Lg=3mH 弱电网时，公共耦合点的电压从畸变率 THD 由 5.85%下降到 2.88%，并网电流 ig的 THD 从4.96%下降到 1.49%。5 结语为了抑制弱电网下风电并网电流的较大谐波，本文提出了 PR 并联 RC 的复合控制策略。依靠并联结构提高RC 的动态性能，通过合理设计 PRRC 复合控制策略的参图 6 不同 kr值下sj Te的轨迹设备9上.indd 1032023/8/30 14:32:27104研究与探索Research and Exploration 工艺流程与应用中国设备工程 2023.09（上）数，有效抑制了并网电流谐波，提高了系统稳态性能。本文给出了系统稳定的充分条件，依据稳定性条件给出控制器参数设计的过程。对复合控制策略在弱电网下的稳定性进行理论分析。最后，通过仿真对本文采用的控制策略进行验证，结果表明，所采用控制策略具有较强的动态性能和稳态性能，不仅能在弱电网下有较好的稳定性，且并网电流质量好，谐波含有率低。参考文献：1 曾成碧,汪素羽,任栎澄.基于定子串电阻的 DFIG 联合故障穿越方法研究 J.重庆理工大学学报(自然科学)，2020,34(05):214-219.2 王力为,李茜.风电接入区域电网的静态稳定分析 J.中国设备工程，2021(03):90-91.3喻婷,曾成碧.计及联合效益的分布式光伏并网接纳能力研究J.液力偶合器具有较高的传动效率、能源消耗量低等优势。我国现阶段的研究主要集中在理论研究、设计、制造等方面，针对使用过程中的可靠性研究较少。现阶段的可靠性研究中主要集中在调控功能、流场研究、强度分析等方面，在运维阶段的因故障数据资料较少，故相关研究无法开展。我国的相关研究开展得较晚，经调查发现，国产的液力偶合器在使用过程中故障频繁维修工作量大，延误工期，故可靠性的研究工作刻不容缓。本文研究的调速型液力偶合器是一个机械与液压集成的复杂系统，通过故障模式、影响、危害分析方法分析，确定每个子系统的影响及故障模式。通过 Petri 网模型分析故障模式 RPN 较大的环节，从而制定相应的对策。1 可靠性分析办法1.1 故障模式、影响及危害性分析故障模式、影响及危害性分析是一种通过汇总各个单因素的分析方式。该分析通过分析所有可能出现的故障形式及其产生的危害，并根据各自的发生概率和危害轻重进行划分。通过分析系统的各个组件，辨识系统的潜在故障模式，列出有可能引起故障的因素，形成故障模式统计表格，之后经过统计学方法分析，故障发生的频率、严重度及不易探测度，得出风险有限度。故障模式、影响及危害性分析方法主要是通过检查后，反馈结果至基于故障分析的调速型液力偶合器可靠性研究何新兴，崔斌，张继梁（中国石油集团济柴动力有限公司，山东 济南 250300）摘要：节约能源助力“3060”碳达峰、碳中和目标的实现，调速型液力偶合器作为一种节约能源显著的技术，提高液力偶合器的可靠性具有重要意义。本文以 YOTGC450B 型电机驱动液力偶合器为例展开可靠性研究，通过故障模式、影响、危害分析方法分析，确定每个子系统的影响及故障模式，对故障模式的影响和危害进行分析，对于存在产生重大安全隐患的故障模式通利用Petri网模型，开展定性分析，找出最小割集找出系统的问题环节，并制定对策，从而使系统在可靠性指标下，高效稳定地运行。关键词：调速型液力耦合器；故障模式、影响、危害分析方法；Petri 网模型；可靠性中图分类号：TQ520.5;TP301.1 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2023）09（上）-0104-03设计阶段，通过优化设计，提高系统的可靠性。1.2 Petri 网模型分析Petri 网模型分析是一种评价系统可靠性的方法。Petri 网模型中将系统中不期待出现的事件定义为顶库所，中间库和底库所是逐层列出对有可能导致事件发生的各种因素。通过对系统故障进行 Petri 分析，可对事故起因做出详尽分析，制定相应对策。2 调速型液力耦合器故障模式、影响及危害性分析2.1 液力偶合器的组成本文分析的 YOGC450B 型液力偶合器是用于焦化厂中电机与鼓风机中间的一种液力传动零件，主要作用是输送焦炉煤气。此偶合器是集成机、液、电一体的系统，主要由旋转组件、调速装置、供油组件、排油组件和辅助系统组成。旋转组件作为偶合器的核心部位，主要由输入轴、输出轴、背壳、外壳、泵轮、涡轮和轴承组成。其主要作用是通过工作液压能转换为机械能，实现电机的传输。调速装置的主要由电动执行局和连杆机构组成。电动执行器通过控制连杆机构，实现对偶合器输出转数的调节。供油组件主要由工作油泵、油泵驱动齿轮副、吸油重庆理工大学学报(自然科学)，2022,36(01):187-193.4 王力为.弱电网下光伏并网逆变器稳定运行组合控制策略 J.太阳能学报，2022,43(07):86-92.5 朱胤杰,苗虹,曾成碧.弱电网下 LCL 型并网逆变器的自适应控制策略 J.电力电子技术，2022,56(09):105-1106 曾成碧,苗虹,王健波.控制输入跟踪算法和测试衍生算法 J.系统工程与电子技术，2000(12):19-20+40.7TangT,XieS,XuJ.Evaluationsofcurrentcontrolinweakgridcaseforgrid-connectedLCL-filteredinverterJ.IetPowerElectronics,2013,6(2):227-234.8 杭丽君,李宾,黄龙,姚文熙,吕征宇.一种可再生能源并网逆变器的多谐振 PR 电流控制技术 J.中国电机工程学报，2012,32(12):51-58.9 李卓雅,曾成碧,苗虹,李仁杰.基于双谐波注入的电网阻抗检测方法研究 J.中国设备工程，2022(15):192-194.设备9上.indd 1042023/8/30 14:32:27