基于多谐振前馈与电流估计的光伏并网逆变器控制策略研究.pdf

第 4 期由于电力电子器件和大功率变换器大量接入光伏并网系统袁理想的公共电网逐渐转变为含低次背景谐波的弱电网1鄄2遥 大量背景谐波的存在使得电网电压和并网电流发生畸变袁而弱电网下电网阻抗的变化会严重影响系统的相位裕度袁甚至引发谐振造成系统失稳3遥许多学者对电网阻抗变化4以及背景谐波干扰5给光伏并网系统带来的影响进行了研究遥 文献6指出电网阻抗尧控制策略等因素的综合效应可使系统在某一特定条件下运行在临界稳定状态而引发谐振遥 电网电压比例前馈控制因实现方便可有效抑制电网电压的扰动袁防止启动时的大涌流而被广泛应用7遥为降低成本袁文献8在比例前馈控制的收稿日期院2021鄄02鄄16曰录用日期院2021鄄05鄄06基金项目院国家自然科学基金资助项目渊51977072冤曰国家重点研发计划资助项目渊2018YFB0606005冤Project Supported by National Natural Science Foundation ofChina渊51977072冤;National Key R&D Program渊2018YFB0606005冤基于多谐振前馈与电流估计的光伏并网逆变器控制策略研究李圣清1袁2袁江宇1袁2袁罗朝旭1袁2渊1.湖南工业大学电气与信息工程学院,株洲 412007曰2.湖南省光伏智能电网控制工程研究中心袁株洲 412007冤摘要院针对弱电网环境下电网阻抗较大以及传感器等元件造成延迟引发的并网电流品质差的问题袁采用了一种多谐振前馈与电流估计法袁相结合的控制策略遥利用多谐振前馈控制提取低次谐波袁使得正反馈通道只在主要背景谐波处有反馈作用袁同时引入电流估计法袁在不改变对 LCL 固有谐振频率抑制效果的前提下袁降低系统成本遥 仿真结果表明袁并网电流的总谐波畸变率降低 2.56%袁增强了系统对含有低次谐波弱电网的适应能力袁验证了此控制策略的正确性和有效性遥关键词院弱电网曰多谐振前馈曰并网电流估计曰LCL 型并网逆变器Research on Photovoltaic Grid鄄connected Inverter Control StrategyBased on Multi鄄resonance Feed鄄forward and Current EstimationLI Shengqing1,2,JIANG Yu1,2,LUO Zhaoxu1,2渊1.School of Electrical and Information Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China;2.Hunan Photovoltaic Smart Grid Control Engineering Research Center,Zhuzhou 412007,China冤粤遭泽贼则葬糟贼院 Aimed at the problem of poor quality of grid鄄connected current caused by the delay due to the largeimpedance value of power grid and components including sensors in a weak grid environment,a control strategy whichcombines multi鄄resonance feed鄄forward and the current estimation method is adopted in this paper.The multi鄄resonancefeed鄄forward control is utilized to extract low鄄order harmonics,thereby making the positive feedback channel only have afeedback effect in the main background harmonic.At the same time,the current estimation method is introduced,so thatthe system cost is reduced without changing the premise of an inhibition effect on the LCL inherent resonance frequency.Simulation results show that the total harmonic distortion of grid鄄connected current is reduced by 2.56%,and the adap鄄tive capability of the system with respect to the weak grid with low鄄order harmonics is enhanced,which verifies the cor鄄rectness and effectiveness of the proposed control strategy.Keywords:weak grid;multi鄄resonance feed鄄forward;grid鄄connected current estimation;LCL grid鄄connected inverterDOI院10.13234/j.issn.2095鄄圆愿园缘援圆园23援4.67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 月电源学报第 21 卷图 1三相 LCL 型并网逆变器系统拓扑结构Fig.1 Topology of three鄄phase LCL grid鄄connectedinverter system图 2电流双闭环控制框图Fig.2 Block diagram of current doubleclosed鄄loop control基础上增加电流信号的误差补偿回路袁达到与并网电流双闭环控制相同的系统谐振抑制效果遥但弱电网环境下袁 由于电网阻抗与逆变器输出阻抗不匹配袁 电网电压比例前馈控制可能会使系统失稳9遥 文献10指出输出阻抗与电网阻抗在谐振频率处需具有一定的相位裕度袁才能避免谐振的发生曰文献11鄄12提出谐振前馈控制袁即在前馈通道增加滤除背景谐波的带通滤波器袁 从而减小正反馈通道与电流环之间耦合袁从而使系统稳定曰文献13在此基础上保留比例控制环节并增加谐振环节的方法来提高逆变器的鲁棒性和系统谐波的抑制能力遥本文在上述研究的基础上袁提出一种在网侧电流闭环条件下的多谐振前馈与电流估计相结合的控制策略遥 该策略可提升系统相位裕度袁减少电容电流传感器的引入袁在降低系统成本的同时得到与常规电容电流反馈相同的谐振抑制效果遥进一步通过仿真验证所提策略的正确性和有效性遥1LCL 型光伏并网逆变器模型1.1 LCL 型光伏并网逆变器结构本文将弱电网环境下的三相 LCL 型光伏并网逆变器作为研究对象袁系统拓扑结构如图 1 所示遥图 1 中袁Udc为并网系统前级光伏阵列经 boost升压后的直流母线电压曰L1为 LCL 滤波器逆变器侧电感曰C 为 LCL 滤波器中的电容曰L2为 LCL 滤波器网侧电感曰PCC渊point of common coupling冤为公共耦合点袁Zg为并网系统的电网阻抗曰ica尧icb尧icc分别为滤波电容的三相电流曰iga尧igb尧igc为三相并网电流遥1.2 LCL 型光伏并网逆变器的等效阻抗模型由于电压外环的响应速度远小于电流内环的响应速度袁且基于三相 LCL 型光伏并网逆变器的电流双闭环控制解耦后 d尧q 轴电流结构相同袁因此本文仅从电流内环的角度分析逆变器与电网之间的交互影响袁并以 d 轴为例进行说明袁其双闭环控制框图如图 2 所示遥图 2 中袁ig尧iref为并网电流的实际值和参考值曰Gpi为外环控制器曰kc为有源阻尼系数曰Kpwm为逆变器增益系数遥根据图 2 可知袁输出信号 ig渊s冤由参考电流 iref和公共耦合点电压 upcc共同组成遥其中袁给定电流 iref到并网电流 ig之间的系统开环传递函数 Gig_iref渊s冤为Gig_iref渊s冤=Gdel渊s冤Gpi渊s冤Kpwms3l1l2c+s2Gdel渊s冤Kpwmkcl2c+s渊l1+l2冤渊1冤公共耦合点电压 upcc渊s冤到并网电流 ig之间的系统开环传递函数 Gig_upcc渊s冤为Gig_upcc渊s冤=s2l1c+sGdel渊s冤Kpwmkcc+1s3l1l2c+s2Gdel渊s冤Kpwmkcl2c+s渊l1+l2冤渊2冤输出信号 ig渊s冤可写为ig渊s冤=Gig_iref渊s冤1+Gig_iref渊s冤iref渊s冤-Gig_upcc渊s冤1+Gig_iref渊s冤upcc渊s冤 渊3冤式中院upcc渊s冤=ug渊s冤+ig渊s冤Zg渊s冤曰Zg渊s冤=Lgs袁Lg为电网电感遥根据式渊3冤可建立光伏并网逆变器等效阻抗模型15袁如图 3 所示袁PCC 点左侧可等效为电流源 i渊s冤和输出阻抗 Zo渊s冤并联袁PCC 点右侧可等效为电压源ug渊s冤与电网阻抗 Zg渊s冤串联遥 根据叠加定理可得ig渊s冤=11+Zg渊s冤Zo渊s冤i渊s冤-11+Zg渊s冤Zo渊s冤ug渊s冤Zo渊s冤渊4冤式中袁i渊s冤为等效电流源袁其传递函数为i渊s冤=Gig_iref渊s冤1+Gig_iref渊s冤iref渊s冤渊5冤由图 3 可知袁当电网电感 Zg=0 时袁逆变器系统+-UdcL1L1L1L2L2L2igaCicbiccCCicaigbigcZgUgZgUgZgUgPCCiref+-+-+-+-+-+ieigGpiurefGdelKpwmuinvkcucul11sL11sC1sL2ucul2ugupccsLgigil1igic68第 4 期李圣清袁等院基于多谐振前馈与电流估计的光伏并网逆变器控制策略研究图 5加入电流估计的多谐振前馈控制框图Fig.5 Block diagram of multi鄄resonance feed鄄forwardcontrol with current estimationiref+-+-+-+-+-+ieigGpiurefGdelKpwmuinvucul11sL11sC1sL2ucugupccsLgighgGvigicil1+-+kcupccupccGv-1渊L1+L2冤sKpwm渊L1+L2冤sigi赞g图 4多谐振前馈控制框图Fig.4 Block diagram of multi鄄resonancefeed鄄forward control图 3LCL 型光伏并网逆变器的等效阻抗模型Fig.3 Equivalent impedance model of LCLphotovoltaic grid鄄connected inverter稳定曰当 Zg不为 0 时袁Zg/Zo需满足奈奎斯特稳定依据遥现有研究电网阻抗对系统稳定性大多采用对稳定裕度的研究8袁即逆变器输出阻抗与电网阻抗交截点的相位裕度 PM0 时袁系统稳定遥2三相 LCL 型光伏并网逆变器控制2.1 多谐振前馈控制弱电网环境下当电网阻抗较大时袁比例前馈与电流环耦合加剧袁截止频率附近的背景谐波被大幅放大并产生大量低频谐波袁甚至发生并网电流发散造成系统不稳定遥 为降低耦合程度袁采用多谐振前馈控制策略13袁控制框图如图 4 所示遥 使系统只在电网主要低次谐波频率处实现全通特性袁而在其余谐振频段实现幅值衰减特性袁既可减轻低频段调节器的负担袁又可提高系统相角裕度遥图 4 的 Gv渊s冤由多个二阶谐振环节组成袁可实现对电网电压基波的无差提取遥 Gv渊s冤的传递函数表达式为Gv渊s冤=6m=1移wrss2+wrs+渊2m+1冤wo2渊6冤式中院2m+1 为谐波频率次数曰wo为基波角频率曰wr为谐振深度系数袁取 15仔13鄄14遥由图 4 所示的多谐振前馈控制框图可得袁多谐振前馈控制下的系统开环传递函数为G渊s冤=Gdel渊s冤Gpi渊s冤Kpwm/s3L1渊L2+Lg冤C+s2渊L2+Lg冤Gdel渊s冤Kpwmkc+s渊L1+L2+Lg冤-LgGdel渊s冤KpwmhgGv渊s冤 渊7冤2.2 基于多谐振前馈的电流估计控制结合第 2.1 节本文提出一种基于多谐振前馈控制与电流估计相结合的控制策略袁充分考虑弱电网环境下电网阻抗值增大所带来的不利影响袁使并网系统在达到谐振抑制效果的同时不仅可降低系统成本还可提高对弱电网环境的适应性遥由图 4 所示基于多谐振前馈与电流双闭环反馈相结合的控制策略的系统控制框图可得渊ieGpi渊s冤+upcchgGv冤Kpwm=uinvuinv-upcc=I赞g渊s冤渊L1+L2冤s嗓渊8冤将 hg=1/Kpwm代入式渊10冤并忽略滤波电容后袁可估算出 LCL 型滤波器谐振峰被抑制后的并网电流值袁即I赞g渊s冤=ieGpi渊s冤Kpwm+渊Gv-1冤upcc渊L1+L2冤s渊9冤式中袁I赞g渊s冤为并网电流估算值遥 设电流实际值 ig与估计值I赞g渊s冤的误差为 ige袁ige中除含有低频信号外袁还包含 LCL 型滤波器的固定谐振特性所带来的谐振电流遥 为达到谐振抑制效果袁将误差电流 ige经过一个补偿信号 kc后馈入到控制回路中遥基于电容电流估计多谐振前馈的控制策略袁其完整控制框图如图 5 所示遥根据基尔霍夫电压尧电流定律袁可列出图 5 控制框图所对应的微分方程为i渊s冤ig渊s冤Zo渊s冤Zg渊s冤ug渊s冤PCC扇墒设缮设iref+-+-+-+-+-+ieigGpiurefGdelKpwmuinvkcucul11sL11sC1sL2ucul2ugupccsLgighgGvigicil1+69电源学报第 21 卷图 6系统开环传递函数波特图Fig.6 Bode diagram of open鄄loop transferfunction of systemdidt=1L1uref+kc渊ig-i赞g冤+upcchgGvGdelkpwm-ucdigdt=1L2渊uc-upcc冤ducdt=1C渊iL1-ig冤di赞gdt=kpwm渊L1+L2冤suref+Gv-1渊L1+L2冤supcc扇墒设设设设设缮设设设设设渊10冤式中院hg=1/kpwm曰upcc=ug+igLg遥 选取系统状态变量为流过滤波电感 L1的电流 iL1尧并网电流 ig尧滤波电容 uc和估算电流i赞g渊s冤袁输入量为电网电压 ug及控制器Gpi的输出电压 ucref袁则系统状态方程可写为x觶=Ax+Buy=Dx嗓渊11冤A=01L1渊kc+GvLgGdel冤-1L1-kckpwmGdelL10LgL21L201C-1C000Lg渊Gv-1冤渊L1+L2冤s00杉删山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫渊12冤B=1L1GvGdelL10-1L200kpwm渊L1+L2冤sGv-1渊L1+L2冤s杉删山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫渊13冤x=i1iguci赞gTu=urefugT嗓渊14冤D=0 1 0 0渊15冤将 D 代入 W渊s冤=D渊sI-A冤-1B 中袁忽略电网电压 ug袁根据式渊11冤耀式(14冤可得系统的开环传递函数为Go渊s冤=kpwmGpi渊L1+L2冤s-kckpwmGdel/CL1L2渊L1+L2冤s4-CL1Lg渊L1+L2冤s3+渊L1+L2冤2s2-渊L1+L2冤渊kc+Lg+LgGdelGv冤s+GdelkckpwmLg渊Gv-1冤渊16冤由式渊4冤可知袁电网电压 ug会严重影响并网电流 THD 的值遥 减少电网电压 ug对系统并网电流稳态误差和 THD 的影响袁 采用比例前馈控制与电流估计法结合的控制策略袁则系统开环传递函数为G渊s冤=Gdel渊s冤Gpi渊s冤KpwmZc/Gdel渊s冤 窑Kpwmkc渊Zl2+Zg冤+渊Zl1+Zl2+Zg冤Zc+Zl1渊Zl2+Zg冤-Gdel渊s冤KpwmhgZgZc渊17冤式中袁hg为比例前馈系数遥根据表 1 中三相光伏并网逆变器的参数袁并结合式渊16冤尧式渊17冤袁绘制电网阻抗 Leq=0 mH尧Leq1=5 mH尧Leq2=10 mH 时基于比例前馈控制的电流估计法尧基于多谐振前馈控制的电流估计法的系统开环波特图袁如图 6 所示遥扇墒设缮设扇墒设缮设渊a冤比例前馈+电流估计渊b冤多谐振前馈+电流估计80400-40-80-120-90-135-180-225-270Lg=0 mHLg1=5 mHLg2=10 mH46.397毅10.023毅-0.114毅101102103104105频率/Hz80400-40-80-120-90-135-180-225-270Lg=0 mHLg1=5 mHLg2=10 mH47.156毅45.052毅43.258毅101102103104105频率/Hz表 1三相光伏并网逆变器仿真系数Tab.1 Simulation parameters of three鄄phasephotovoltaic grid鄄connected inverter参数数值参数数值输入电压 U1/V750逆变器侧电感 L1/mH0.6电网电压 Ug/V380网侧电感 L2/mH0.9并网电流 i/A30滤波电容 C/滋F21.92基波频率 fo/Hz50开关频率 fs/kHz1070第 4 期渊a冤比例前馈+电流估计法30150-15-3000.020.040.060.080.10t/s加入 3尧5尧7尧9尧11 次背景谐波加入比例前馈+电流估计策略图 9加入 3、5、7、9、11 次背景谐波的并网电流波形Fig.9 Waveforms of grid鄄connected current when 3rd,5th,7th,9th and 11th background harmonicsare added渊b冤多谐振前馈+电流估计法30150-15-3000.020.040.060.080.10t/s加入 3尧5尧7尧9尧11 次背景谐波加入多谐振前馈+电流估计策略图 8总谐波畸变率Fig.8 Total harmonic distortion从图 6渊a冤尧渊b冤中可以看出袁随着电网阻抗值的增加袁 系统开环传递函数的谐振共轭极点发生左移袁相角裕度值快速减少遥 其中最明显的是当电网阻抗 Lg从 0 mH 增加至 10 mH 时袁 其系统的相位裕度由初始的 46.397毅下降为-0.114毅袁 相位裕度为负值严重威胁到系统的稳定性遥 与图 6渊a冤基于比例前馈控制的系统开环波特图相比袁 当电网阻抗Lg=5 mH 时袁 其系统的相位裕度由 10.023毅增加至45.052毅袁当电网阻抗 Lg=10 mH 时袁其系统的相位裕度由-0.114毅增加至 43.258毅遥该方法不仅提升了系统的相位裕度袁增大系统的稳定性范围遥 而且由于多谐振前馈的加入袁电网的主要低次谐波被提取并得到了很好的抑制遥也就是说袁并网电流加多谐振前馈控制的策略袁兼顾了减少系统成本和减少并网电流稳态误差袁提高了系统对弱电网及主要低次谐波的适应性遥3仿真分析验证本文在 Matlab/Simulink 中搭建三相 LCL 型并网逆变器仿真模型进行验证遥 仿真参数如表 1 所示遥弱电网渊Lg=5 mH冤中袁基于比例前馈控制的常规双闭环控制与基于多谐振前馈控制的电容电流估计法策略下的仿真波形分别如图 7 和图 8 所示遥从图中可看出袁系统在弱电网情况下袁本文所提出控制策略的并网电压尧电流的波形得到极大改善袁波形畸变率由原先的 4.31%降至 1.75%遥 图 9 为加入 3尧5尧7尧9尧11 次背景谐波的并网电流波形遥李圣清袁等院基于多谐振前馈与电流估计的光伏并网逆变器控制策略研究渊a冤比例前馈+电流估计法渊b冤多谐振前馈+电流估计法图 7并网电流波形Fig.7 Waveforms of grid鄄connected current渊a冤比例前馈+电流估计法渊b冤多谐振前馈+电流估计法30150-15-3000.020.040.060.080.10t/s30150-15-3000.020.040.060.080.10t/s2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20Fundamental渊50 Hz冤=30.25THD=4.31%1 0009008007006005004003002001000频率/Hz2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20Fundamental渊50 Hz冤=30.11THD=1.75%1 0009008007006005004003002001000频率/Hz71电源学报第 21 卷从图 9 可见袁 在 0.02 s 注入 3尧5尧7尧9尧11 次背景谐波袁并网电流波形发生明显畸变曰在 0.05 s 分别加入基于比例前馈的电流估计法尧基于多谐振前馈的电流估计法曰在 0.05 s 之后袁与基于比例前馈控制的电流估计法相比袁多谐振前馈控制的并网电流谐波含量骤减袁波形变得更加平滑袁迅速恢复到稳定状态袁显著提高了系统在弱电网下对低次背景谐波的适应性遥图 10 为弱电网情况下给定电流发生阶跃扰动时的并网电流波形遥 从图中可以看出袁 在 t=0.05 s时给定阶跃信号袁电流迅速从 20 A 改变到 30 A 快速跟踪上给定电流袁说明所提出的多谐振前馈结合电流估计的控制策略具有良好的稳定性遥4结语本文建立弱电网环境下光伏并网逆变器的数学模型袁 采用多谐振前馈控制提高系统的相位裕度袁降低正反馈通道与电流环的耦合程度遥同时袁采用电流估计法在不利用电容电流传感器的基础上抑制 LCL 的固有谐振频率袁降低系统成本袁提高了系统在弱电网环境下对电网阻抗及低次背景谐波的适应性遥最后通过在 Matlab/Simulink 仿真验证了基于多谐振前馈和电流估计相结合的控制策略的正确性和有效性遥参考文献院1 陈新,王赟程,龚春英,等.采用阻抗分析方法的并网逆变器稳定性研究综述J.中国电机工程学报,2018,38渊7冤:2082鄄2094.Chen Xin,Wang Yuncheng,Gong Chunying,et al.Overviewof stability research for grid鄄connected inverters based onimpedance analysis method J.Proceedings of the CSEE,2018,38渊7冤:2082鄄2094 渊in Chinese冤.2 Zhang Zhe,Liu Fang,Deng Jinxin,et al.An improved LCLfilter design method based on stability region and harmonicinteraction for grid鄄connected inverters in weak Grid C/2018 IEEE International Power Electronics and Applica鄄tion Conference and Exposition 渊PEAC冤.Shenzhen,China,2018:1鄄5.3 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disturbance渊a冤比例前馈+电流估计法渊b冤多谐振前馈+电流估计法30150-15-3000.020.040.060.080.10t/s0.05 s 电流从 20 A改变为 30 A30150-15-3000.020.040.060.080.10t/s0.05 s 电流从 20 A改变为 30 A72第 4 期Yang Ming,Du Shaotong,Zheng Zheng,et al.Resonancemechanism and stability analysis of large鄄scale grid鄄con鄄nected photovoltaic systems J.Journal of Power Supply,2019,17渊1冤:53鄄61 渊in Chinese冤.7 杨兴武,王涛,徐依明,等.基于虚拟电感的 LCL 型并网逆变器电网电压前馈控制策略J.太阳能学报,2020,41渊11冤:56鄄63.Yang Xingwu,Wang Tao,Xu Yiming,et al.Voltage feed鄄forward control of LCL grid鄄connected inverter based onvirtual inductor J.Acta Energiae Solaris Sinica,2020,41渊11冤:56鄄63 渊in Chinese冤.8 赵清林,宋文璐,袁精,等.弱电网中基于电流误差信号补偿的并网逆变器稳定性研究J.太阳能学报,2019,40渊10冤:2833鄄2841.Zhao Qinglin,Song Wenlu,Yuan Jing,et al.Research ongrid鄄connected inverter stability based on current errorsignal compensation in weak grid J.Acta Energiae SolarisSinica,2019,40渊10冤:2833鄄2841 渊in Chinese冤.9 Subramanian S B,Varma R K,Vanderheide T.Impact ofgrid voltage feed鄄forward filters on coupling between DC鄄link voltage 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