一种并网变流器自适应电网电压前馈补偿方法与流程

本发明涉及一种并网变流器自适应电网电压前馈补偿方法，属于并网变流器(包括逆变器及整流器)的电流控制领域。

背景技术：

随着新能源分布式并网发电的蓬勃发展，并网变流器作为其关键部分获得了广泛的关注。而采用脉宽调制技术的变流器产生大量的开关频率次谐波。在变流器与电网之间接入滤波器可以有效地抑制谐波。常用的滤波器包括L以及LCL滤波器。为实现较高的并网功率因数以及较低的网侧电流谐波失真，已有学者提出了大量的并网变流器控制方法。但是，现有的较为成熟的控制方法均仅考虑了理想电网。实际电网(确切地说，公共耦合点(point of common coupling，PCC))存在的不确定性因素会恶化系统性能，甚至导致不稳定。一方面，PCC点处电网电压中存在丰富的低频谐波成分；另一方面，考虑到较长的输配电线路、较多的隔离变压器、大量的分布式发电设备挂接于PCC等因素，PPC点处电网存在一定的阻抗且在较低频率范围一般呈现感性。

为克服电网电压低频谐波失真对网侧电流质量的影响，一类方法是利用谐波谐振控制器的高开环增益来实现较好的谐波抑制，该方法需要针对多次谐波采用多个谐振控制器；另一类方法是利用电网电压前馈来提高网侧电流质量。相比较来说，电网电压前馈补偿除了可以提高网侧电流质量外还可以优化并网变流器的动态响应，获得了广泛的应用。但在电网阻抗不可忽略的弱电网下，电网电压(确切地说，PCC电压)前馈补偿会导致网侧电流出现更为严重的谐波失真甚至出现不稳定而触发并网变流器保护。为解决系统不稳定现象，有学者提出了仅将PCC电压的基波成分用于前馈补偿。该方法解决了弱电网下并网变流器不稳定问题，但是该方法牺牲了PCC电压前馈补偿对网侧电流谐波的抑制能力，不利于提高弱电网下的并网变流器网侧电流质量。

综合上述分析，PCC电压前馈补偿可较好地抑制电网电压失真导致的网侧电流谐波，但是在弱电网下前馈补偿容易导致系统稳定性变差而造成严重的网侧电流谐波失真。已有的典型前馈补偿方法难以兼顾弱电网下并网变流器的稳定性以及网侧电流质量。

因此，在并网变流器电流质量优化领域，需要研究一种能适应包括弱电网的各种电网场合、兼顾稳定性与网侧电流质量且实现方便的电网电压前馈补偿方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种并网变流器自适应电网电压前馈补偿方法，其具有对大范围变化电网阻抗的强适应性、网侧电流质量优良、设计方便的优点，适用于单相及三相L滤波并网变流器的电流控制、单相及三相LCL滤波及其它型式滤波并网变流器的网侧电流或变流器侧电流控制。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种并网变流器自适应电网电压前馈补偿方法，包括如下步骤：

(1)采样公共耦合点电网电压u_g，并以该公共耦合点电网电压作为并网变流器自适应电网电压前馈补偿的输入信号，所述输入信号经由一组并联的频率为1、3、…n倍基波频率处的带通滤波器并产生一组带通滤波器输出信号，分别记为u_{g_1}、u_{g_3}、…u_{g_n}，将该组输出信号中的各个单独带通滤波器输出信号分别送入谐振检测模块和自适应逻辑模块；

(2)各带通滤波器输出信号经过谐振检测模块，产生信号幅值或有效值变化的输出信息，并将该信息送入自适应逻辑模块；

(3)谐振检测模块的输出信息以及各带通滤波器输出信号经过自适应逻辑模块，依据自适应逻辑产生用于前馈补偿的电压信号u_{g_ff}。

所述步骤(3)中自适应逻辑为：当检测到某带通滤波器输出信号u_{g_i}的幅值发生突增时，将带通滤波器输出信号u_{g_i}～u_{g_n}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除；当检测到某几个带通滤波器输出信号u_{g_j}～u_{g_i}的幅值发生突增时，则首先将u_{g_i}～u_{g_n}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除，去除后继续对各带通滤波器输出信号进行检测，若u_{g_j}～u_{g_i-2}仍较大则将u_{g_i-2}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除，依此类推，其中，i＝3、5、…n，j＝3、5、…n且j<i。

所述步骤(3)中所述用于前馈补偿的电压信号u_{g_ff}，在电网阻抗很小甚至忽略的电网场合下，u_{g_ff}等于u_{g_1}、u_{g_3}、…u_{g_n}之和。

所述步骤(3)中所述用于前馈补偿的电压信号u_{g_ff}，在电网阻抗较大范围变化的电网场合下，随着电网阻抗逐渐增大，依次从用于前馈补偿的电压信号u_{g_ff}中去除u_{g_n}、u_{g_n-2}、…u_{g_3}。

所述步骤(3)中所述用于前馈补偿的电压信号u_{g_ff}，在阻抗很大的电网场合，u_{g_ff}等于公共耦合点电网电压的基波成分u_{g_1}。

本发明的有益效果如下：

1)电网阻抗大范围变化时并网变流器较强的稳定性。

2)电网阻抗大范围变化及电网电压失真时并网变流器优良的网侧电流质量以及较优的动态性能。

4)无需要额外在线或离线的电网阻抗测量。

5)适用于单相以及三相L、LCL滤波及其它型式滤波的并网变流器系统。

附图说明

图1是应用本发明方法的并网变流器系统结构图，其中：u_g为PCC电压；i_g为网侧电流；u_inv为并网变流器桥臂输出电压；u₁为电流调节器的输出；u₂为前馈补偿环节的输出；u_m为调制波；k_PWM表示变流器桥臂环节增益；G_L(s)或G_LCL(s)为滤波器环节；G_{h_1}(s)、G_{h_3}(s)、...、G_{h_n}(s)为1、3、…、n倍基波频率处的带通滤波器；u_{g_1}、u_{g_3}、…u_{g_n}为G_{h_1}(s)、G_{h_3}(s)、...、G_{h_n}(s)的输出信号；u_{g_ff}为用于前馈补偿的电压信号；G_f(s)为前馈补偿环节。

图2是本发明所应用的单相LCL滤波并网逆变器电路结构图，其中：L₁为变流器侧电感；C₁为滤波电容；L₂为网侧电感；U_dc为直流母线电压；u_inv为并网变流器桥臂输出电压；i_g为网侧电流；i_C1为电容电流；u_g为PCC电压；u_s为理想的电网电压；Z_g为电网阻抗。

图3是常规的附加电网电压前馈补偿的双电流反馈控制原理图，其中：L₁为变流器侧电感；C₁为滤波电容；L₂为网侧电感；u_inv为并网变流器桥臂输出电压；i_g为网侧电流；i_C1为电容电流；u_g为PCC电压；u_s为理想的电网电压；Z_g为电网阻抗；u₁为电流调节器的输出；u₂为前馈补偿环节的输出；u_m为调制波；k_PWM表示变流器桥臂环节增益；G_f(s)为前馈补偿环节；G_c(s)为电流调节器；k_C为电容电流比例反馈系数；i_ref为给定的电流基准。

图4是图3控制方案下电网阻抗较大时系统开环波特图，其中：β表示电网阻抗中的感性分量同逆变器本身总电感值之比。

图5是附加本发明自适应电网电压前馈补偿方法的双电流反馈控制原理图，其中：L₁为变流器侧电感；C₁为滤波电容；L₂为网侧电感；u_inv为并网变流器桥臂输出电压；i_g为网侧电流；i_C1为电容电流；u_g为PCC电压；u_s为理想的电网电压；Z_g为电网阻抗；u₁为电流调节器的输出；u₂为前馈补偿环节的输出；u_m为调制波；k_PWM表示变流器桥臂环节增益；G_f(s)为前馈补偿环节；G_c(s)为电流调节器；k_C为电容电流比例反馈系数；i_ref为给定的电流基准；G_{h_1}(s)、G_{h_3}(s)、...、G_{h_n}(s)为1、3、…、n倍基波频率处的带通滤波器；u_{g_1}、u_{g_3}、…u_{g_n}为G_{h_1}(s)、G_{h_3}(s)、...、G_{h_n}(s)的输出信号；u_{g_ff}为用于前馈补偿的电压信号。

图6是图5控制方案中自适应逻辑模块未工作且电网阻抗较大时系统开环波特图，其中：β表示电网阻抗中的感性分量同逆变器本身总电感值之比；u_{g_ff}为用于前馈补偿的电压信号；u_{g_1}、u_{g_3}、u_{g_5}、u_{g_7}为1、3、5、7倍基波频率处带通滤波器的输出信号。

图7是图5控制方案下自适应逻辑模块正常工作且电网阻抗较大时系统开环波特图，其中：β表示电网阻抗中的感性分量同逆变器本身总电感值之比；u_{g_ff}为用于前馈补偿的电压信号；u_{g_1}、u_{g_3}、u_{g_5}为1、3、5倍基波频率处带通滤波器的输出信号。

图8是图5控制方案下电网阻抗突增后并网变流器运行过程及电网电压电流波形图，其中：β表示电网阻抗中的感性分量同逆变器本身总电感值之比；u_{g_5}、u_{g_7}为5、7倍基波频率处带通滤波器的输出信号；i_g为网侧电流；u_g为PCC电压；t为时间。

图9是图3控制方案下网侧电流与PCC电压瞬态波形图，其中：β表示电网阻抗中的感性分量同逆变器本身总电感值之比；i_g为网侧电流；u_g为PCC电压；t为时间。

图10是图5控制方案下网侧电流与PCC电压瞬态波形图，其中：β表示电网阻抗中的感性分量同逆变器本身总电感值之比；i_g为网侧电流；u_g为PCC电压；t为时间。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种并网变流器电网电压前馈补偿方法，如图1所示，其适用于单相及三相L滤波并网变流器的电流控制、单相及三相LCL滤波、单相及三相其它型式滤波并网变流器的网侧电流或变流器侧电流控制。所述方法在实施时，采样公共耦合点电网电压(记为u_g)，并以该公共耦合点电网电压作为并网变流器自适应电网电压前馈补偿的输入信号，所述输入信号经由一组并联的谐波频率(即频率为1、3、…n倍的基波频率)处的带通滤波器产生一组带通滤波器输出信号(分别记为u_{g_1}、u_{g_3}、…u_{g_n})，将该组输出信号中的各个单独带通滤波器输出信号分别送入谐振检测模块以及自适应逻辑模块。谐振检测模块中，对各带通滤波器输出信号u_{g_3}、…u_{g_n}进行监测并将各信号幅值或有效值变化信息送入自适应逻辑模块；自适应逻辑模块中，根据自适应逻辑以及谐振检测模块的输出信息，将各带通滤波器输出信号进行相加产生用于前馈补偿的电压信号(记为u_{g_ff})。其中，自适应逻辑为：当检测到某带通滤波器输出信号(记为u_{g_i}，i＝3、5、…n)的幅值发生突增时，将该带通滤波器输出信号u_{g_i}～u_{g_n}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除；当检测到某几个带通滤波器输出信号(记为u_{g_j}～u_{g_i}，i＝3、5、…n，j＝3、5、…n且j<i)的幅值发生突增时，则首先将u_{g_i}～u_{g_n}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除，去除后继续对各带通滤波器输出信号进行检测，若u_{g_j}～u_{g_i-2}仍较大则将u_{g_i-2}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除，依此类推。

以一单相LCL滤波并网变流器系统为例，以下给出具体的实例说明。

图2所示的单相LCL滤波并网逆变器，由桥式逆变拓扑、逆变器侧电感L₁、滤波电容C₁和网侧电感L₂组成。实例中，直流侧电压U_dc为400V，理想电网电压u_s为220V/50Hz，额定功率5kW，电感L₁为0.75mH，L₂为0.45mH，滤波电容C₁为6.8μF，开关频率为15kHz。实例中，Z_g为感性，即：

Z_g＝β(L₁+L₂)s (1)

式中，β表示电网感性阻抗值同逆变器本身总电感值之比；s为复频域中的复频率变量。

图3为附加电网电压前馈补偿的双电流反馈控制(记为典型控制方案)的框图。由于弱电网下实际的电网电压采样位置为PCC点，因而前馈补偿环节的输入为PCC电压u_g，即：(下标“_sample”表示PCC电压采样值)

u_{g_sample}＝u_g＝u_s+i_g·Z_g (2)

式中，i_g为网侧电流。

因而，在电网阻抗较大范围变化的弱电网下，电网电压前馈补偿以及电网阻抗使图3中存在一条额外的网侧电流正反馈回路(反馈系数为Z_g)。

图3典型控制方案中i_ref至i_g的开环传递函数为：(下标“_o”表示开环函数)

$G_{i_{ref}\_o}^{i_g}\left(s\right)=\frac{k_{PWM}{G}_c\left(s\right)}{L_1{C}_1{s}^2(L_{2}s+Z_g)+k_c{k}_{PWM}(L_{2}s+Z_g)C_{1}s+(L_1+L_2)s+Z_g-Z_g{k}_{PWM}{G}_f\left(s\right)}---\left(3\right)$

式中，k_PWM表示变流器桥臂环节增益；G_f(s)为前馈补偿环节；G_c(s)为电流调节器；k_C为电容电流比例反馈系数。

可以看出，前馈补偿以及电网阻抗的共同作用使式(3)中多出了一系数项。

图4给出了典型控制方案在电网阻抗大范围变化时的开环波特图。在β＝2相位裕度已减至14°，而β＝3时相位裕度已减至10°以下，相位裕度的大幅降低会导致网侧电流中1kHz内的低频谐波呈现明显的增大，容易触发并网变流器过流过压保护。而且，更为严重的是，随着电网阻抗的逐渐增大，相位裕度最终小于0而使系统不稳定。已有电网电压前馈补偿方法难以保证弱电网下并网变流器稳定以及较好的网侧电流质量。因而，有必要研究一种适用于电网阻抗大范围变化的弱电网场合的、性能优良且实现方便的电网电压前馈补偿方法。

图5给出了采用如图1所示的本发明自适应电网电压前馈补偿方法的LCL滤波并网逆变器电流控制结构。本发明方法中，公共耦合点电网电压u_g首先经由一组并联的谐波频率(即频率为1、3、…n倍的基波频率)处的带通滤波器，该带通滤波器G_{h_n}(s)的表达式如下：

$G_{h\_n}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_{c}s}{s^2+{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{(n\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_0)}^2}---\left(4\right)$

式中，ω₀为电网电压基波角频率，ω_c为带通滤波器的通频带宽。带通滤波器输出信号u_{g_3}、…u_{g_n}输入谐振检测模块，u_{g_1}、u_{g_3}、…u_{g_n}输入自适应逻辑模块。

在谐振检测模块中，对u_{g_3}、…u_{g_n}的信号幅值或有效值进行检测，当检测到某信号发生突增时，将该信息发送到自适应逻辑模块中。

在自适应逻辑模块中，当谐振检测模块检测到某带通滤波器输出信号(记为u_{g_i}，i＝3、5、…n)的幅值发生突增时，将该带通滤波器输出信号u_{g_i}～u_{g_n}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除；当检测到某几个带通滤波器输出信号(记为u_{g_j}～u_{g_i}，i＝3、5、…n，j＝3、5、…n且j<i)的幅值发生突增时，则首先将u_{g_i}～u_{g_n}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除，去除后，并网逆变器继续运行的同时继续对各带通滤波器输出信号进行检测，若u_{g_j}～u_{g_i-2}仍较大则将u_{g_i-2}从前馈补偿电压u_{g_ff}中去除，依此类推。

具体地，在实例中，ω_c为50π，n为7，即不存在电网阻抗时应加入1、3、5、7次带通滤波器前馈补偿。

图6为自适应逻辑模块未自动调整u_{g_ff}时(即u_{g_ff}＝u_{g_1}+u_{g_3}+u_{g_5}+u_{g_7}时)的系统开环波特图。在电网无阻抗(β＝0)时，该前馈补偿不会对系统开环幅相特性产生影响；β增大到3时相位裕度降低到11°，网侧电流中易产生相应频率(350Hz)处的谐波电流，而当β增大到4时系统不稳定。而在发明方法正常工作后，β增大到3时网侧电流i_g中7次及其附近次谐波电流增大而导致PCC电压u_g中7次及其附近次谐波电压增大，谐振检测模块将u_{g_7}信号突增的信息发送到自适应逻辑模块。进而，自适应逻辑模块判断此时应将u_{g_7}从前馈信号u_{g_ff}中去除。图7为β＝3时谐振检测模块工作后(即u_{g_ff}＝u_{g_1}+u_{g_3}+u_{g_5}时)的系统开环波特图，可见，将u_{g_7}从u_{g_ff}中去除后，相位裕度大幅增加(约为40°)。可以看出，采用本发明的自适应电网电压前馈补偿方法大幅提高了弱电网下并网变流器电流控制的稳定性，因而有利于优化并网变流器稳态以及动态响应。

图8给出了采用本发明的自适应电网电压前馈补偿方法时在电网阻抗突增后LCL滤波并网逆变器的运行过程及电网电压电流波形图。当电网阻抗突增至β＝5，由于电流电压谐波明显增大，依据本发明方法的自适应逻辑首先将u_{g_7}从u_{g_ff}中去除，进而继续监测各次带通滤波器输出并继续从u_{g_ff}中去除u_{g_5}。可以看出，采用本发明的自适应电网电压前馈补偿方法大幅衰减了弱电网下的网侧电流谐波，提高了电流质量。

此外，在β＝3时对采用典型控制方案以及本发明方法的并网逆变器进行了基准突变的测试。图9给出了典型控制方案下网侧电流与PCC电压的瞬态响应波形。由于PCC电压中包含电网阻抗上的压降，网侧电流突变时PCC电压必然存在扰动，导致了图9所示动态响应中较大的超调量以及严重的电流电压振荡。采用了本发明方法后的网侧电流与PCC电压的瞬态响应波形如图10所示，瞬态响应中的超调降低而且电流电压的振荡大幅减小。

综上，本发明的并网变流器自适应电网电压前馈补偿方法有效地提高了并网逆变器在电网阻抗大范围变化时的稳定性，有效地提高了并网变流器网侧电流质量以及动态性能。而且，本发明方法无需要额外在线或离线的电网阻抗测量。

由于单相以及三相的LCL滤波并网逆变器中电网电压前馈补偿的控制结构相似，而本发明方法可以有效提高并网逆变器的稳定性以及优化稳态及动态响应，因而可以广泛应用于各种单相以及三相LCL滤波并网逆变器电流控制且不需要额外在线或离线的电网阻抗测量。

L滤波、LCL滤波以及其它形式滤波并网逆变器的区别为滤波器结构不同，而电网电压前馈补偿所用的信号以及前馈补偿信号注入控制回路的位置均一致，而本发明方法可以有效提高并网逆变器的稳定性以及优化稳态及动态响应，因而可以广泛应用于不同滤波器结构下的并网逆变器电流控制且不需要附加额外在线或离线的电网阻抗测量。

由于无功补偿、有源滤波、整流等并网型应用同逆变工作模式下控制的相似性，本发明方法也可广泛应用于各种并网系统的电流控制且不需要附加额外在线或离线的电网阻抗测量。

综上，本发明方法适用于单相及三相L滤波、单相及三相LCL滤波、单相及三相其它形式滤波并网变流器的网侧电流或变流器侧电流控制，具有对大范围变化电网阻抗的强适应性、网侧电流质量优良、设计方便的优点。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。