弱电网下电压控制型逆变器的自适应快速功率控制策略.pdf

电源学报第 21 卷收稿日期院2021鄄12鄄03曰录用日期院2022鄄04鄄22基金项目院国家电网公司科学技术资助项目渊5500鄄202055324A鄄0鄄0鄄00冤Project Supported by Science and Technology Project of StateGrid Corporation of China渊5500鄄202055324A鄄0鄄0鄄00冤弱电网下电压控制型逆变器的自适应快速功率控制策略郭梓暄袁张兴袁李明袁付新鑫袁韩峰袁王继磊渊可再生能源接入电网国家地方联合工程实验室渊合肥工业大学冤袁合肥 230009冤摘要院电压控制型逆变器 VCI渊voltage鄄controlled inverters冤在弱电网下表现出更强的稳定性袁有望在可再生能源发电中得到更广泛的应用遥然而袁VCI 的有功功率控制带宽通常低于电流控制并网逆变器 CCI渊current鄄controlledinverter冤遥 随着电网阻抗增大和电网强度进一步降低袁其调节时间甚至将长达数秒袁难以满足可再生能源发电最大功率点跟踪 MPPT渊maximum power point tracking冤的要求遥 此外袁现有的以功率环改造为特点的 VCI 有功功率快速控制方法袁则可能导致弱电网下 VCI 稳定性损失遥针对这一问题袁建立了 VCI 并网系统的详细输入鄄输出模型袁揭示了弱电网下 VCI 功率环改造法面临稳定性和快速性矛盾的根源袁并提出了一种基于外环改造和功率指令前置滤波的 VCI 有功功率快速控制方法袁能够有效提升 VCI 有功功率控制带宽袁且不影响其弱电网下的稳定性袁进一步实现了基于 VCI 的 MPPT 控制曰针对短路容量比和电网阻抗大幅波动对所提控制的影响袁又提出了一种基于电网阻抗在线辨识的 VCI 有功功率快速控制自适应方法遥 最后袁实验结果验证了所提方法的有效性遥关键词院电压控制型逆变器曰有功功率快速控制曰指令前置滤波自适应控制曰弱电网曰电网阻抗辨识Adaptive Rapid Power Control Strategy for Voltage鄄controlledInverter under Weak Grid ConditionsGUO Zixuan,ZHANG Xing,LI Ming,FU Xinxin,HAN Feng,WANG Jilei渊National and Local Joint Engineering Laboratory for Renewable Energy Access to Grid Technology渊Hefei University ofTechnology冤,Hefei 230009,China冤粤遭泽贼则葬糟贼院 Since voltage鄄controlled inverters渊VCIs冤 show a strong stability under weak grid conditions,they are ex鄄pected to gain increasing applications in renewable energy power generations.However,the VCI active power controlbandwidth is usually lower than that of the current鄄controlled inverter渊CCI冤.In addition,as the grid impedance increas鄄es and the grid weakens,the settling time of VCI active power control can even be as long as a few seconds,which isdifficult to meet the requirements of maximum power point tracking渊MPPT冤 in renewable energy power generations.More鄄over,the existing VCI rapid active power control methods characterized by power鄄loop modification may lead to stabilityloss under weak grid conditions.To address this problem,the main contributions of this paper are as follows.First,a de鄄tailed input鄄output model of the VCI grid鄄connected system is established,and the reasons for the contradiction betweenstability and rapidity of the VCI power鄄loop modification method under weak grid conditions are revealed.Second,arapid active power control method based on external loop modification and power reference pre鄄filtering is proposed,which can effectively improve the VCI active power control bandwidth without affecting its stability under weak grid con鄄ditions and further realizes the VCI鄄based MPPT control.Third,aimed at the influence of fluctuations of short鄄circuit ra鄄tio and grid impedance on the proposed control,an adaptive method based on the grid impedance online identification isproposed.Finally,experimental results validated the effectiveness of the proposed method.Keywords:voltage鄄controlled inverter渊VCI冤;rapid active power control;reference pre鄄filtering adaptive control;weakgrid;grid impedance identificationDOI院10.13234/j.issn.2095鄄圆愿园缘援圆园23援4.56中图分类号院TM464文献标志码院A电源学报Journal of Power SupplyVol.21 No.4Jul.2023第 21 卷 第 4 期2023 年 7 月第 4 期可再生能源发电电网的强弱程度与等效电网阻抗有关袁通常根据短路容量比 SCR渊short circuitratio冤 定义遥 当 2SCR臆3 时袁交流电网被视为弱电网曰当 SCR臆2 时袁交流电网则被视为极弱电网1遥在等效电网阻抗较小的强电网中袁电流控制型逆变器 CCI渊current鄄controlled inverter冤能够快速尧稳定地控制其输出功率袁有利于实现快速最大功率点跟踪 MPPT渊maximum power point tracking冤袁因此在可再生能源发电中得到了广泛应用2鄄4遥然而袁大规模可再生能源发电一般远离负荷中心袁通常需要经过长距离线路和多级变压器进行输电袁因此电站的公共耦合点 PCC渊point of commoncoupling冤存在一定的电网阻抗遥 又由于可再生能源发电的随机性和波动性袁输出功率不断变化袁导致PCC 等效电网阻抗也不断变化袁 从而使电网呈现SCR 大幅波动的弱电网状态遥 近年来袁CCI 与弱电网阻抗之间复杂的动态交互作用袁已经引起一系列谐振和不稳定问题5鄄6遥针对这一问题袁许多关于 CCI 稳定性优化控制的策略被提出袁包括优化 PI 控制器参数或结构7鄄8尧改进电网电压前馈控制或锁相环等9鄄11遥 通过上述改进措施袁 目前 CCI 已经能够稳定运行在 2SCR臆3的一般弱电网中遥 然而袁当接入极弱电网时袁CCI 仍然难以保持稳定或保持充分的稳定裕度遥相较于 CCI袁电压控制型并网逆变器 VCI渊volt鄄age鄄controlled inverter冤在极弱电网下显示出更强的稳定性12遥 因此袁一种双模式控制策略13鄄14被提出院在极弱电网下袁并网逆变器切换至 VCI渊或称作电压源模式冤遥通过这一策略袁并网逆变器能够稳定运行在极弱电网条件下遥 然而袁VCI 的有功功率控制速度随 SCR 的降低而降低袁在极弱电网下袁其有功功率调节时间甚至长达数秒袁难以满足可再生能源发电快速 MPPT 控制的要求15遥为了提高 VCI 有功功率控制的快速性袁一些相关的优化控制方法被提出16鄄17遥 然而袁文献16鄄18中提出的动态下垂方法会增加有功功率和无功功率控制之间的耦合程度曰文献19提出的自适应惯性方法对 VCI 有功功率调节速度的提升作用存在极限作用袁上限是无惯性的下垂控制逆变器曰文献20提出的阻尼矫正控制在功率反馈通道中引入了微分作用袁可能会放大噪声袁甚至导致不稳定遥 此外袁现有的 VCI 有功功率快速控制方法袁主要以功率环改造为主遥 本文的研究表明袁这种以功率环改造为特点的 VCI 有功功率快速控制方法袁可能导致弱电网下 VCI 稳定性损失遥针对上述问题袁本文的主要贡献如下院淤建立VCI 并网系统的详细输入鄄输出模型袁揭示弱电网下VCI 功率环改造法面临稳定性和快速性矛盾的根源曰于提出一种基于外环改造和功率指令前置滤波的 VCI 有功功率快速控制方法袁能够有效提升 VCI有功功率控制带宽袁 且不影响其弱电网下的稳定性袁进一步实现基于 VCI 的 MPPT 控制曰盂针对短路容量比和电网阻抗大幅波动对所提控制的影响袁提出一种基于电网阻抗在线辨识的 VCI 有功功率快速控制自适应方法遥 综合而言袁所提方法首先通过扰动注入和信号处理辨识电网阻抗袁然后通过自适应的有功功率指令前置滤波控制袁 超前地提高VCI 有功功率控制快速性袁 并进行协调 MPPT 控制袁进一步实现弱电网下基于 VCI 的高效率可再生能源发电遥 最后袁通过实验验证所提策略的有效性遥1VCI 并网系统建模及功率环改造法稳定性和快速性矛盾分析1.1 系统介绍VCI 并网系统结构如图 1 所示遥VCI 由光伏尧风电直流侧尧逆变桥和 LC 滤波器组成遥 其中院Lf和 Cf分别表示 LC 滤波电感和滤波电容袁Rd表示滤波器的无源阻尼袁Lg表示变压器和传输线的等效电感曰vdc表示直流侧电压袁iLdq表示逆变器 dq 坐标系下机侧电感电流袁iodq表示逆变器 dq 坐标系下网侧电流曰vgDQ表示电网 dq 坐标系下电网电压袁igDQ表示电网dq 坐标系下电网电流曰棕g表示电网角频率遥 对于多个同类型 VCI 并联并网情况袁根据等值理论21袁也可以简化为图 1 所示的单机并网系统进行分析遥VCI 的控制结构如图 2 所示袁采用典型下垂控郭梓暄袁等院弱电网下电压控制型逆变器的自适应快速功率控制策略57电源学报第 21 卷图 1VCI 并网系统结构Fig.1 Topology of VCI grid鄄connected system图 2VCI 控制结构Fig.2 Control structure of VCI制遥 其中院Pe和 Qe表示有功和无功瞬时功率袁Pset和Qset表示有功和无功参考值袁VnAmp表示电网相电压额定幅值袁kp_PC和 kp_QC表示有功和无功下垂系数袁棕n表示电网额定角频率袁棕i表示逆变器输出调制波频率袁v*od和 v*oq表示逆变器 dq 轴电压参考值袁vod和voq表示逆变器 dq 坐标系下 PCC 电压袁HVC渊s冤表示电压环 PI 调节器袁HCC渊s冤表示电流环 PI 调节器袁v*md和 v*mq表示逆变器 dq 轴调制电压遥瞬时功率 Pe和 Qe的计算公式为Pe=1.5GLPF渊s冤渊vodiLd+voqiLq冤Qe=1.5GLPF渊s冤渊voqiLd-vodiLq冤嗓渊1冤式中袁GLPF渊s冤为低通滤波器袁GLPF渊s冤=棕c/渊s+棕c冤曰棕c为其截止频率遥VCI 外环采用下垂控制袁内环采用电压鄄电流双环控制袁内环控制采用 PI 调节器袁具体形式为HVC渊s冤=kp_VC+ki_VC/sHCC渊s冤=kp_CC+ki_CC/s嗓渊2冤式中袁kp_VC尧kp_CC和 ki_VC尧ki_CC分别为电压和电流控制的比例和积分控制增益遥1.2 VCI 并网系统输入鄄输出建模VCI 输出频率是由下垂控制决定的袁 而电网频率则取决于其自身遥 因此袁逆变器 dq 坐标系与电网dq 坐标系之间一般存在角度差遥 为了实现系统建模袁首先必须实现 2 个坐标系下变量相互转化遥如前所述袁电网角频率为 棕g袁VCI 控制角频率为 棕i袁则逆变器 dq 坐标系与电网 dq 坐标系之间的角度差 啄 为啄=渊棕i-棕g冤dt渊3冤考虑坐标系之间的角度差异袁电网 dq 坐标系下的电网电压扰动 驻vgDQ和电网频率扰动 驻棕g袁会等效地造成逆变器 dq 坐标系下电网电压 驻vgdq扰动袁有驻vgdq=T-1S驻vgDQ+T-1棕渊驻棕i-驻棕g冤T-1S=cos啄0sin啄0-sin 啄0cos啄0蓘蓡T-1棕=-VgDsin啄0+VgQcos啄0-VgDcos啄0-VgQsin啄0蓘蓡1s扇墒设设设缮设设设渊4冤式中院啄0为逆变器与电网角度的稳态值曰VgD为电网坐标系下 d 轴电网电压稳态值曰VgQ为电网坐标系下 q 轴电网电压稳态值遥而 LC 滤波器和电网的微分方程为diLddt=棕iiLq+1Lf渊vmd-vod冤diLqdt=-棕iiLd+1Lf渊vmq-voq冤dioddt=-RgLgiod+棕iioq+1Lg渊vod-vgd冤dioqdt=-RgLgioq-棕iiod+1Lg渊voq-vgq冤dvoddt=棕ivoq+1Cf渊iLd-iod冤dvoqdt=-棕ivod+1Cf渊iLq-ioq冤扇墒设设设设设设设设缮设设设设设设设设渊5冤根据式渊5冤袁考虑输入变量小信号 驻vmdq尧驻棕i尧驻vgdq以及输出变量小信号 驻iLdq尧驻vodq尧驻iodq袁可以得到不包含控制作用的 LC 滤波器接入电网的输入鄄输出开环模型袁 如图 3 所示遥 将其转化为传递函数矩阵袁有驻iLdq驻vodq驻iodq蓘蓡=A1A4A7A2A5A8A3A6A9蓘蓡驻vmdq驻棕i驻vgdq蓘蓡渊6冤vdcDCACVCIvodqiLdqLfLgPCCvgDQ电网iodqigDQ棕gCfRd蒡蒡-蒡蒡-有功功率控制孕e孕set棕n棕ikp_PC无功功率控制QeQsetVnAmpvodkp_QC*蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡-电压鄄电流控制vodvoq=0*voqvmqvod*vmd*HVC渊s冤HCC渊s冤棕nCf棕nCfHVC渊s冤棕nLf棕nLfHCC渊s冤iLdiLd*iLq*iLq*58第 4 期郭梓暄袁等院弱电网下电压控制型逆变器的自适应快速功率控制策略图 4VCI 并网系统的闭环小信号模型Fig.4 Closed鄄loop small鄄signal model of VCI grid鄄connected system图 3逆变器 dq 坐标系下 LC 滤波器并网系统的开环小信号模型Fig.3 Open鄄loop small鄄signal model of LC filter grid鄄connected system under the inverter dq鄄frameA1=A-1I-渊B+A-1+C-1冤-1A-1A2=渊B+A-1+C-1冤-1A-1A3=C-1渊B+A-1+C-1冤-1A-1A4=A-1W1-渊B+A-1+C-1冤-1渊A-1W1-C-1W3+W2冤A5=渊B+A-1+C-1冤-1渊A-1W1-C-1W3+W2冤A6=C-1渊B+A-1+C-1冤-1渊A-1W1-C-1W3+W2冤+W3W1W2W3=ILqLfVoqCfIoqLg-ILdLf-VodCf-IodLg蓘蓡B=11/渊sCf冤+Rd-棕nCf棕nCf11/渊sCf冤+Rd杉删山山山山煽闪衫衫衫衫A=sLf-棕nLf棕nLfsLf蓘蓡C=sLf+Rg-棕nLg棕nLgsLf+Rg蓘蓡扇墒设设设设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设设设设渊7冤根据式渊1冤功率计算环节袁多个小扰动 驻Pe尧驻Qe与 驻iLdq尧驻vodq尧驻iodq之间的传递函数关系为驻Pe驻Qe蓘蓡=TPQcal1驻iLdq+TPQcal2驻vodqTPQcal1=1.5GLPF渊s冤VodVoqVoq-Vod蓘蓡TPQcal2=1.5GLPF渊s冤 窑ILdILq-ILqILd蓘蓡扇墒设设设设缮设设设设渊8冤式中袁Vod为逆变器坐标系下 d 轴 PCC 电压稳态值曰Voq为逆变器坐标系下 q 轴 PCC 电压稳态值曰ILd为逆变器坐标系下 d 轴电感电流稳态值曰ILq为逆变器坐标系下 q 轴电感电流稳态值遥进一步考虑功率环和电压鄄电流双环控制袁 组合式渊4冤尧式渊6冤和式渊8冤袁可求得考虑控制作用的 VCI 并网系统的闭环传递函数结构如图 4 所示遥图 4 中袁B10=kp_QC0蓘蓡袁B11=HVC渊s冤00HVC渊s冤蓘蓡袁B12=HCC渊s冤00HCC渊s冤蓘蓡袁B13=0-棕nCf棕nCf0蓘蓡袁B14=0-棕nLf棕nLf0蓘蓡袁B15=10袁B16=01袁B17=kp_PC袁TPWM=KPWMe-1.5Tss00KPWMe-1.5Tss杉删山山山煽闪衫衫衫遥消去 驻棕i尧驻vmdq等中间变量以及 驻iLdq尧驻vodq尧驻iodq等状态变量袁 可求得 VCI 的输入变量驻vgDQ尧驻棕g尧驻Pset尧驻Qset与输出变量 驻Pe和 驻Qe之间的开环传递函数关系为驻Pe驻Qe蓘蓡=N18驻Pset驻Qset蓘蓡+N14驻vgDQ+N15驻棕gN14=N9N13TPWMB12渊B13-B11冤N2+渊B14-B12冤N6+N10N15=N9N13TPWMB12渊B13-B11冤N3+渊B14-B12冤N7+N11N18=N16袁N17扇墒设设设设缮设设设设渊9冤式中院N9=TPQcal1N5+TPQcal2N1曰N10=TPQcal1N6+TPQcal2N2曰N11=TPQcal1N7+TPQcal2N3曰N12=TPQcal1N8+TPQcal2N4曰N13=I-TPWMB12渊B13-B11冤N1+渊B14-B12冤N5-1曰N1=A2袁N2=0袁N3=0曰N4=A5B17曰N5=A1曰N6=0曰N7=0曰N8=A4B17曰N16=N9N13TPWMB12渊B13-B11冤N4+渊B14-B12冤N8+N12曰N17=N9N13TPWMB12B11B10遥蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡-驻vodq*B102伊1驻vodq驻Qe驻QsetB112伊2B132伊2B161伊2B151伊2驻PQeTPQcal1TPQcal2驻iLdq*驻iLdq驻Pe驻PsetB122伊2B142伊2驻vmdq*B171伊1TPWM驻vgDQ驻棕g驻棕i驻vmdq驻vodq驻iLdqLfCfLg蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡蒡-LC 滤波器电网驻棕i驻vod驻vmdILqLf驻vmq驻voq驻棕iILdLf棕nLf1sLf1sLf驻iod驻iLdVoqCfVodCf驻iLq驻ioq1sCf+Rd1sCf+Rd驻vod驻voq驻棕iIoqLg驻棕iIodLg驻vgd驻vgq1sLg+Rg棕nCf棕nCf棕nLf棕nLf棕nLf1sLg+Rg驻iod驻ioq-59电源学报第 21 卷图 5VCI 并网系统闭环传递函数矩阵框图Fig.5 Block diagram of closed鄄loop transfer functionmatrix of VCI grid鄄connected system蒡蒡蒡-驻PQsetN18N14N15驻vgDQ驻棕g驻PQe图 7不同 SCR 时 GP2POpen（s）的 Bode 图Fig.7 Bode plots of GP2POpen（s）with different SCRs图 8不同 SCR 时 GP2PCls（s）幅频曲线和阶跃响应Fig.8 Amplitude鄄frequency curve and step response ofGP2PCls（s）with different SCRs图 6SCR=5.0 时 GP2PCls（s）扫频验证结果Fig.6 Frequency sweep verification result of GP2PCls（s）when SCR=5.0根据式渊9冤袁可得 VCI 并网系统的闭环传递函数矩阵框图如图 5 所示遥 根据图 5 所示的反馈关系袁系统的闭环传递函数矩阵为驻Pe驻Qe蓘蓡=N19驻Pset驻Qset蓘蓡+N20驻vgDQ+N21驻棕g渊10冤式中院N19=渊I+N18冤-1N18曰N20=渊I+N18冤-1N14曰N21=渊I+N18冤-1N15遥本文主要研究 VCI 有功功率控制及其改进方法袁暂不讨论式渊10冤中无功功率参考扰动尧电网电压扰动尧电网频率扰动的影响遥定义以下传递函数院有功功率控制开环传递函数 GP2POpen渊s冤以及有功功率控制闭环传递函数 GP2PCls渊s冤的具体表达式为GP2POpen渊s冤=N18渊1袁1冤GP2PCls渊s冤=N19渊1袁1冤嗓渊11冤图 6 为 SCR=5.0 时 GP2PCls渊s冤的 Bode 图袁扫频结果与所推导传递函数在宽频一致袁验证了所建模型的准确性遥1.3 VCI 功率环改造法的稳定性和快速性矛盾分析不同 SCR 时袁VCI 有功功率控制开环传递函数GP2POpen渊s冤的 Bode 图及有功功率控制闭环传递函数GP2PCls渊s冤幅频曲线和阶跃响应如图 7 和图 8 所示遥从图 7 可以看出袁 当处于 SCR=8.0 的较强电网时袁GP2POpen渊s冤表现为负的幅值和相位裕度袁VCI有功功率控制不稳定遥 而随着电网阻抗增大袁SCR降低袁 直至弱电网甚至极弱电网时袁VCI 有功功率控制不但转为稳定袁 而且幅值和相位裕度不断增渊a冤幅频曲线渊b冤阶跃响应SCR=5.0SCR=2.0SCR=1.220151050ts=0.4 sts=0.96 sts=0.4 sts=1.82 s0.51.01.52.02.53.0t/s1000-100200-2001000-100104102100所推导传递函数扫频验证GP2PCls渊s冤频率/Hz104102100GP2POpen渊s冤500-50-100-150-200180900-90-180GM=-0.048 dBGM=8.76 dBGM=23.1 dBGM=29.6 dBPM=-3.6毅PM=84.2毅PM抑90毅SCR=8.0SCR=2.0SCR=5.0SCR=1.2SCR=8.0SCR=2.0SCR=5.0SCR=1.2频率/Hz0-5-10-15-20-251010.1fc=0.55 Hzfc=0.94 Hzfc=2.52 HzSCR=5.0SCR=2.0SCR=1.2-3 dB频率/Hz60第 4 期图 10有功功率指令前置滤波示意Fig.10 Schematic of active power reference prefilter图 9SCR=5.0，增大下垂系数或使用动态下垂时GP2POpen（s）Bode 图Fig.9 Bode plots of GP2POpen（s）with increasingdroop coefficient and using dynamic droop controlwhen SCR=5.0加袁这正是弱电网下可再生能源发电所需要的控制特性遥从图 8 可以看出袁弱电网下 VCI 的有功功率控制带宽 fc并不高袁在 SCR=5.0 时 fc仅为 2.52 Hz袁且随着 SCR 降低袁fc不断降低袁 调节时间 ts则不断增加袁控制快速性降低曰当 SCR=1.2 时袁其调节时间 ts甚至长达1.82 s袁 这难以满足可再生能源发电高精度 MPPT 对有功功率调节快速性的要求袁容易导致直流侧功率不平衡和直流电压失稳遥一般来说袁为了提升控制快速性袁需要增加开环传递函数增益和截止频率袁例如增大下垂系数或使用动态下垂渊有功外环加入微分控制冤等遥 然而袁从图 7 可以看出袁在 1050 Hz 频段袁GP2POpen渊s冤的相频曲线存在-180毅穿越袁 这在不考虑双内环的简化模型中是无法观察到的13遥 在这种情况下袁为了保证有功功率控制稳定袁穿越频率处的幅频增益必须小于 0 dB遥 这限制了增加开环传递函数增益尧截止频率等功率环改造方法对控制带宽的提升作用遥图 9 为 SCR=5.0 时袁增大下垂系数和使用动态下垂时 GP2POpen渊s冤的 Bode 图遥可以看出袁尽管 2 种方案确实能够提高 VCI 有功功率控制带宽袁 但最多提高到-180毅穿越频率附近袁且会导致稳定裕度损失袁再进一步增加开环传递函数增益则会导致不稳定遥 这种低频段的-180毅穿越袁是弱电网下 VCI 功率环改造法面临稳定性和快速性矛盾的根源遥综上袁本文提出以下研究目标院渊1冤在弱电网甚至极弱电网条件下袁提升 VCI有功功率控制的带宽和快速性袁但不影响稳定性曰渊2冤在 VCI 有功功率控制带宽和快速性提升的基础上袁实现基于 VCI 的 MPPT 控制曰渊3冤带宽和快速性提升效果袁以及 MPPT 尽可能不受电网阻抗和 SCR 变化影响遥2VCI 自适应快速功率控制和 MPPT策略2.1 VCI 快速功率控制结构考虑到功率环改造法面临的稳定性和快速性矛盾袁本文提出一种基于有功功率参考值前置滤波的 VCI 快速功率控制方法袁如图 10 所示遥所提方法将前置滤波器设计具有超前特性袁从而提升 VCI 有功功率控制带宽遥 其优势在于院前置180900-90-180100100.1140200-20-40-603.0伊10-31.5伊10-37.5伊10-41.5伊10-4弱电网稳定裕度降低增大下垂系数频率/Hz200-20-40-60-80180900-90-180100100.11加入微分袁动态下垂1伊10-55伊10-61伊10-60弱电网稳定裕度降低频率/Hz渊a冤增大下垂系数渊b冤使用动态下垂郭梓暄袁等院弱电网下电压控制型逆变器的自适应快速功率控制策略功率指令前置滤波器蒡蒡-PsetGPsetFlt渊s冤kp_PCPe棕n棕i61电源学报第 21 卷图 12加入 GPsetFlt（s）后 VCI 有功功率闭环控制 Bode 图Fig.12 Bode plots of VCI active power closed鄄loopcontrol after adding GPsetFlt（s）图 13基于快速功率控制 VCI 的 MPPT 结构Fig.13 MPPT structure of rapid power controlled VCI图 11加入前置滤波器后闭环传递函数矩阵的结构框图Fig.11 Block diagram of closed鄄loop transfer functionmatrix after adding the prefilter滤波器在 VCI 控制之外袁与原控制及被控对象是串联关系袁 只要前置滤波器是设计稳定的袁VCI 本身是稳定的袁新控制也一定是稳定的遥因此袁所提方法有望在不影响 VCI 弱电网稳定性的前提下袁 提高VCI 有功功率控制的快速性遥加入前置滤波器后袁VCI 并网系统闭环传递函数矩阵如图 11 所示袁其中袁NPreflt=GPsetFlt渊s冤 000蓘蓡遥从图 11 可以看出袁加入前置滤波器后袁电网扰动到有功和无功功率控制的开环尧闭环传递函数矩阵不变遥 因此袁加入前置滤波器确实不影响 VCI 对电网扰动的响应特性袁即不影响 VCI 在弱电网下的稳定性遥2.2 VCI 快速功率控制前置滤波器设计为了设计前置滤波器袁考虑 VCI 有功功率控制的一种简化模型13袁该模型忽略了电压鄄电流内环控制的动态特性袁表示为GP2PClsApx渊s冤=kp_PC1sV2nAmp棕nLgGLPF渊s冤1+kp_PC1sV2nAmp棕nLgGLPF渊s冤渊12冤采用参考模型设计法设计前置滤波器遥 VCI 控制作为可再生能源发电 MPPT 直流电压控制的内环袁其需求是控制快速性袁而一阶系统则具有较好的快速性袁 选取一阶系统作为期望的参考模型袁可表示为GP2PRef渊s冤=2仔fcRefs+2仔fcRef渊13冤式中袁fcRef为期望的 VCI 有功功率控制带宽袁此处选取为 20 Hz遥 则前置滤波器可选取为GPsetFlt渊s冤=GP2PRef渊s冤GP2PClsApx渊s冤渊14冤根据图 11袁加入前置滤波器 GPsetFlt渊s冤后袁改进后的有功功率闭环控制传递函数 GP2PCls1渊s冤为GP2PCls1渊s冤=GPsetFlt渊s冤GP2PCls渊s冤渊15冤按照 SCR=2.0 设计的前置滤波器 GPsetFlt渊s冤袁以及不同 SCR 条件下 GP2PCls渊s冤和 GP2PClsl渊s冤的 Bode 图如图 12 所示遥 可以看出袁前置滤波器 GPsetFlt渊s冤在低频段显示为 GP2PCls渊s冤的近似倒数袁具有超前特性袁从而能有效提高 VCI 的有功功率控制带宽遥 SCR=2.0或 SCR=1.2 时袁VCI 有功功率闭环控制带宽被提升到 20 Hz 以上袁VCI 有功功率调节的快速性得到有效提高袁具备了在弱电网下作为 MPPT 直流电压控制内环的条件遥基于快速功率控制 VCI 的可再生能源发电MPPT 结构如图 13 所示遥 其中袁vdc表示直流侧电压袁vdcRef表示 MPPT 输出的直流电压参考值袁idc表示直流侧电流遥 MPPT 控制方案可参考文献22遥2.3 VCI 快速功率控制的自适应电网阻抗方法实际电网阻抗始终处于大幅波动状态袁如果按照固定电网阻抗和 SCR 设计 GPsetFlt渊s冤袁则前置滤波-蒡vdcidcMPPTPIRPC鄄VCIvdcvdcRefPsetPe蒡-蒡蒡驻PQsetNPsetFltN18N14N15驻vgDQ驻棕g驻PQe100500-50-100-150180900-90-180GP2PCls1渊s冤SCR=2.0GP2PCls1渊s冤SCR=1.2GP2PCls渊s冤SCR=2.0GP2PCls渊s冤SCR=1.2GPsetFlt渊s冤SCR=2.00.010.11101001 000频率/Hz62第 4 期图 14基于扰动电流幅值相位闭环控制的电网阻抗辨识扰动注入方法Fig.14 Disturbance injection method for gridimpedance identification based on amplitude and phasedouble closed鄄loop control表 1系统参数Tab.1 System parameters图 16SCR=1.2 时 VCI 的阶跃响应实验Fig.16 Step response experiment of VCI when SCR=1.2器的校正效果将受到电网阻抗变化影响遥为此袁可在线检测电网阻抗和等效 SCR 变化袁将式渊12冤中的 Lg作为自适应变量袁进行自适应控制遥 本文采用基于扰动注入的电网阻抗辨识方法14袁23袁该方法利用递归离散傅里叶变换 RDFT渊recursive discreteFourier transform冤24提取并网电流中扰动的幅值和相位袁扰动幅值和相位的实际值与指令值做差后经过比例积分 PI渊proportion integration冤控制器袁幅值控制环路经过限幅后输出扰动调制波的幅值袁相位控制环路经过周期限幅后输出相位补偿值袁与原相位求和后作为扰动调制波的相位袁扰动调制波生成后与功率调制波求和作为总调制波遥具体方法如图14 所示遥3实验验证为了验证本文分析和所提方法的有效性袁建立了图 15 所示的实验系统遥其中袁光伏电源由一台 Chroma鄄1800s 提供袁光伏逆变器硬件使用阳光电源公司 SG20KTL 组串式逆变器产品袁电网阻抗由多级串联可切换电抗器模拟遥系统参数如表 1 所示遥 图 16 显示了在 SCR=1.2 的极弱电网中袁 常规控制 VCI 和基于快速功率控制的 VCI 的阶跃响应遥可以看出袁加入所提快速功率控制方法后袁VCI有功功率调节时间从 1.86 s 减少到 0.05 s袁 并且响应过程不会过冲遥实验结果验证了本文分析和所提快速有功功率控制策略的有效性遥图 17 显示了 MPPT 启动和辐照度突增过程图 15光伏电压控制逆变器并网实验系统Fig.15 PV鄄VCI grid鄄connected experimental system电抗柜配电柜上位机PV鄄VCI继电器柜示波器电网模拟器光伏模拟器硬件参数数值控制参数数值Vn/V220kp_PC0.000 15Pn/kW15kp_VC0.05Lf/mH0.9kp_CC4Rd/赘2.181 1棕c/渊rad 窑 s-1冤188.495fPWM/kHz16kp_QC0.001 1棕n/渊rad 窑 s-1冤314.159ki_VC120Qn/kW15ki_CC10Cf/滋F11.6KPWM1Vdc/V780fs/kHz16渊a冤常规控制 VCI渊b冤基于快速功率控制的 VCIPsetA 相电压A 相电流Pe调节时间 ts=1.8 st渊500 ms/格冤PsetA 相电压A 相电流Pe调节时间 ts=0.05 st渊500 ms/格冤+-+-+iL扰动信号幅值提取扰动信号相位提取Ih蚁iL蚁iLrefPIPI棕ht棕ht-2仔/3棕ht+2仔/3coscoscosvhavhbvhcVmaVmbVmcvmavmbvmcIhref郭梓暄袁等院弱电网下电压控制型逆变器的自适应快速功率控制策略63电源学报第 21 卷表 2电网阻抗辨识数据和辨识误差Tab.2 Grid impedance identification data andrelative errors序号阻抗幅值理论值/赘阻抗幅值估计值/赘阻抗相对误差/%01.181.244.8412.272.322.1423.363.442.3834.454.542.06图 19电网电抗投切时电网阻抗辨识值Fig.19 Estimated value of grid impedance whenreactance is switched on and off图 17SCR=1.2 极弱电网中 MPPT 期间 VCI 有功功率控制过程Fig.17 VCI active power control process duringMPPT in a very weak grid with SCR=1.2图 18SCR=1.2 极弱电网中 MPPT 期间 VCI 直流电压控制过程Fig.18 DC鄄link voltage control process during MPPTin a very weak grid with SCR=1.2中袁VCI 有功功率控制的响应特性遥 从图 17 可以看出袁VCI 输出有功功率可以快速跟踪直流电压控制生成的参考电压遥图 18 显示了 MPPT 启动和辐照度突增过程中袁VCI 光