本发明涉及一种应用于弱电网下并网逆变器的改进型调节器，属于调节器应用技术领域。
背景技术：
分布式发电系统大多位于偏远地区，由于长距离输电线路、升压变压器的漏感和变化的电力系统运行方式等因素的影响，以往的刚性电网呈现弱性电网，并且电力电子设备的不断投切以及非线性负载的存在，电网中存在严重的背景谐波，弱电网呈现两大特点：大范围变化的电网阻抗和丰富的电网背景谐波。电网阻抗的存在会改变逆变器的环路增益，降低系统的相角裕度，威胁系统的稳定性；丰富的背景谐波使并网电流发生畸变，影响入网电流质量。当这两种情况同时存在，入网电流的畸变率会更大。
为了提高并网逆变器对电网背景谐波的适应性，许多专利的电网电流调节器采用pi与多个特定频率谐振调节器(multipleandspecficfrequencyresonanceregulator，简称msfrr)并联的调节器，通过引入sfrr来降低电网背景谐波对系统的影响，但sfrr的次数受到系统剪切频率限制。随着电网阻抗增大，电流环开环剪切频率降低，当剪切频率小于sfrr的最大谐波频率时，会导致系统不稳定。通过减少sfrr的次数可以保证系统的稳定性，但同时会减小系统对电网背景谐波的抑制作用，从而导致电流thd增大。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明在pi+msfrr调节器的基础上对调节器进行改进，提供一种应用于弱电网下并网逆变器的改进型调节器。本发明的改进型调节器结构为pi+msfrr+在线相位补偿器(on-linephasecompensator，简称opc)，即在pi和msfrr并联的调节器之后串联opc。通过电网阻抗在线测量技术得到电网阻抗来实时更新相位补偿因子，从而实现在线相位补偿控制。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
并网逆变器采用lcl滤波器，同时由于弱电网下含有电网电感，lcl滤波器的谐振频率会向低频移动。为了抑制lcl谐振，采用电网电流外环和电容电流内环的双闭环控制策略，其中，电容电流内环用来实现lcl有源阻尼控制，通过调节电容电流反馈系数kc来调节lcl的有源阻尼系数。
为了提高系统的稳定性，同时减小电网背景谐波对电流thd的影响，首先，采用电网电压谐振前馈控制，原理为通过谐振前馈传递函数提取电网电压基波分量作为电压前馈，消除正反馈支路的影响，其次，在采用电网电压谐振前馈提升系统稳定性的基础之上，对电流控制环路的调节器进行改进，电网电流调节器采用改进型调节器。
一种应用于弱电网下并网逆变器的改进型调节器，所述改进型调节器结构为pi+msfrr+opc，即在pi和msfrr并联的调节器之后串联opc；通过电网阻抗在线测量技术得到电网阻抗来实时更新相位补偿因子，从而实现在线相位补偿控制。
所述改进型调节器传递函数为：
h(s)＝gc(s)gp(s)(1)
其中：gc(s)为pi和msfrr并联的调节器的传递函数，gp(s)为opc的传递函数；
所述pi和msfrr并联的调节器的传递函数为：
其中：kp和ki分别为pi调节器的比例系数和积分系数，kr为sfrr的比例系数，ωi为谐振频率的带宽系数，ω0为电网的角频率；
opc的传递函数为：
其中：ωc为相位补偿因子；
相位补偿因子的表达式为：
其中：kpwm为三相半桥逆变器的增益，l1为lcl滤波器的逆变器侧电感，l2为lcl滤波器网侧电感，lg为电网电感。
所述的电网阻抗在线测量技术，电网阻抗的计算公式为：
其中：rg为电网电阻，zh为谐波频率下的阻抗，ωh为谐波频率，下标h＝1，2代表2个偶次谐波序号；通过电网阻抗在线测量技术得到的电网阻抗式(5)代入相位补偿因子表达式(4)中，从而实时更新补偿因子，实现在线相位补偿控制。
对于采用pi+msfrr调节器的系统，sfrr次数将受系统带宽的限制。随着电网阻抗的增大，电网电流实际开环剪切频率降低，当剪切频率小于sfrr的最大谐波频率时，会导致系统不稳定。为保证系统对背景谐波的抑制作用，在pi+msfrr调节器的基础上，串联opc实现调节器的改进。与pi+msfrr调节器相比，采用改进型调节器的系统，在提高稳态相角裕度的同时，提高了电网电流开环剪切频率，从而使得sfrr调节器的次数不再受电网阻抗的影响。由于在线相位补偿器gp(s)的补偿因子依赖于电网阻抗，需要通过电网阻抗在线测量技术计算电网阻抗来实时更新相位补偿因子，从而实现在线相位补偿控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)改进型调节器提高了系统的相角稳定裕度，从而提高了系统的稳定性。
(2)改进型调节器提高了电网电流开环剪切频率，从而提高了系统的动态响应速度。
(3)改进型调节器在提高剪切频率的同时，增大开环增益，即特定次谐波的开环增益同步增大，从而减小了稳态误差，增强了对电网背景谐波的抑制作用，有效降低入网电流thd，提高了入网电流的质量。
(4)提高了对电网阻抗和背景谐波的适应性。
(5)sfrr调节器的次数不再受电网阻抗的影响。
附图说明
图1为弱电网下并网逆变器控制系统结构框图；
图2为改进型调节器框图；
图3为电网阻抗变化时，采用谐振前馈的开环传递函数伯德图；
表1为电网阻抗变化时，采用谐振前馈的系统性能指标；
图4为电网电感为2.6mh时，采用pi+msfrr调节器的开环传递函数伯德图；
图5为电网阻抗变化时，采用改进型调节器的开环传递函数伯德图；
表2为电网阻抗变化时，采用改进型调节器的系统性能指标；
表3为加入的电网电压谐波含量；
图6为加入谐波后畸变的三相电网电压波形；
图7为加入谐波后畸变的电网电压傅里叶分析；
图8为电网电感为4.8mh和采用谐振前馈时，a相并网电压和三相并网电流的波形；
图9为电网电感为4.8mh和采用谐振前馈时，并网电流的thd；
图10为电网电感为4.8mh、电网电阻为7ω和采用改进型调节器时，a相并网电压和三相并网电流的波形；
图11为电网电感为4.8mh、电网电阻为7ω和采用改进型调节器时，并网电流的thd。
具体实施方式
本发明所提供的一种应用于弱电网下并网逆变器的改进型调节器，不仅提高了系统的相角裕度，同时保证系统有较高的开环剪切频率，即在保证系统稳定性的同时，加快了系统的动态响应速度，提高了系统对电网阻抗和背景谐波的适应性。
下面结合附图对本发明的实施方法作详细说明：
本实施方法在以本发明技术方案为前提的条件下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为弱电网下并网逆变器控制系统结构框图，图2为改进型调节器的框图。逆变器输出采用lcl滤波器，滤波器相关变量为l1，l2和c，而lg和rg分别为电网电感和电网电阻，uabcg为三相电网电压，uabco为逆变器三相输出电压，iabcg为三相电网电流，iabcc为逆变器三相电容电流。弱电网下并网逆变器的控制由以下几部分组成：
(1)通过dsogi-pll对输出电压uabco进行锁相，可以消除电网背景谐波对锁相环输出相位θ的影响，提高锁相环输出相位的精度；
(2)用锁相环输出相位θ对三相电容电流iabcc、三相电网电流iabcg和逆变器三相输出电压uabco进行坐标变换。idc和iqc分别为dq坐标系下的电容电流。idg和iqg分别为dq坐标系下的电网电流。udo和uqo分别为dq坐标系下的逆变器输出电压；
(3)为了提升系统稳定性，采用电网电压谐振前馈，谐振前馈传递函数为gf(s)；
(4)电流控制策略采用电网电流外环和电容电流内环的双闭环控制策略，调节器采用改进型调节器，其中，gc(s)为pi和msfrr并联的调节器传递函数，gp(s)为opc传递函数。电流内环为电容电流反馈控制，通过调节电容电流反馈系数kc来调节lcl的有源阻尼系数，从而抑制了lcl谐振；
(5)串联在线相位补偿器传递函数gp(s)的相位补偿因子依赖于电网阻抗，需要实时检测电网阻抗，因此，含有电网阻抗在线测量环节。
传统的并网逆变器电网电压前馈控制采用比例前馈，弱电网情况下该方法会引入一条正反馈回路，导致系统的稳定性严重降低。本发明中采用电网电压谐振前馈来代替传统的比例前馈以消除正反馈支路的影响，谐振前馈的传递函数表达式为：
其中，kf为谐振前馈函数的衰减系数，ω0为电网角频率。
图3所示为电网阻抗变化时，采用谐振前馈的开环传递函数伯德图；表1为电网阻抗变化时，采用谐振前馈的系统性能指标；图中，电流调节器为pi调节器。随着电网阻抗的增大，系统的稳态相角裕度下降，例如lg＝4.8mh时，在幅值裕度大于0db的范围内，相频特性曲线有两次穿越-180°线，由控制理论可以知道，相频特性由下往上穿越一次-180°线称为正穿越，记为n+，n+＝1，相频特性由上往下穿越一次-180°线称为负穿越记为n_，n-＝1，系统开环传递函数在右半平面的极点p＝0，所以p＝2(n+-n_)，根据奈圭斯特稳定判据可知，当lg＝4.8mh时，系统稳定，但相角裕度相对于强电网下降，变为28.5度。随着电网阻抗的增大，增益裕度逐渐增大，但系统剪切频率大幅度减小，从而开环增益减小，稳态误差增大，系统性能变差，即系统对电网背景谐波的适应性较弱，因此引入msfrr来提高系统对电网背景谐波的削弱能力。
电网电流环调节器采用pi+msfrr调节器，即pi和msfrr并联的传递函数为：
其中，kp和ki分别为pi调节器的比例系数和积分系数；kr为sfrr的比例系数，ωi为谐振频率的带宽系数，ω0为电网的角频率。
电网电压背景谐波主要为6k±1次，在dq坐标系下转化为6k次谐波，即电网电压含有5﹑7﹑11﹑13﹑17和19次特征频率谐波时，在dq坐标系下转化为6﹑12和18次谐波，考虑到软件资源的实现以及实际中电网背景谐波所占的比重，在gc(s)中引入了6﹑12和18次sfrr。
图4为电网电感为2.6mh时，采用pi+msfrr调节器的开环传递函数伯德图。当sfrr引入6﹑12和18次时，在第18次谐振频率附近幅值大于0db的范围内，相频特性穿越-180°只有一次，此时n+＝0，n-＝1，p≠2(n+-n_)，根据奈圭斯特稳定判据可知系统不稳定。随着电网阻抗的增大，剪切频率减小，从而导致系统不稳定，因此，当电网阻抗为lg＝4.8mh时，情况将会更加恶劣。
为了解决上述问题，使得引入的sfrr不再受电网阻抗的影响，提高电网阻抗变化时系统对电网背景谐波的适应性。电网电流环采用改进型调节器，opc与pi+msfrr调节器串联构成的改进型调节器的传递函数为：
h(s)＝gc(s)gp(s)(9)
其中，gp(s)为opc传递函数；
opc传递函数表达式为：
其中，ωc为相位补偿因子，相位补偿因子表达式为：
其中，kpwm为三相半桥逆变器的增益。
由式(11)可知，相位补偿因子与电网阻抗成反比，因此需要通过电网阻抗在线测量技术得到电网阻抗来实时更新相位补偿因子，实现在线相位补偿控制。
电网阻抗在线测量技术原理为向d轴参考电流间歇性注入一个幅值适当的奇次高频谐波电流，注入谐波电流持续时间为两个工频周期。注入谐波电流导致在三相并网电流和逆变器输出电压中分别产生频率相差100hz的两个偶次谐波。采样a相电流和电压，在控制器中利用fft(快速傅里叶算法)获得电流电压的两个偶次谐波的模值，通过其计算对应谐波下的阻抗的模值，阻抗模值计算公式如下：
其中，zh为谐波频率下的阻抗，uh为谐波频率下的电压，ih为谐波频率下的电流；下标h＝1，2代表二个偶次谐波序号。
两个偶次谐波频率下电网阻抗模值存在以下关系，
其中，ωh为谐波频率，lg为电网电感，rg为电网电阻；
可得电网阻抗的计算公式为：
将由式(14)计算得到的电网电感代入相位补偿因子表达式(11)中，从而实时更新相位补偿因子，实现了相位的在线补偿控制。
图5所示为电网阻抗变化时，采用改进型调节器的开环传递函数伯德图；表2为电网阻抗变化时，采用改进型调节器的性能指标，由此可以看出引入的sfrr不再受电网阻抗的影响，提高了电网阻抗变化时系统对电网背景谐波的适应性。表2与表1对比可知，采用改进型调节器的系统，在相同的电网阻抗下相角裕度、增益裕度和开环剪切频率都有较大的提高，提高了系统的稳定性和快速性，同时增强了系统的鲁棒性。
为了更好的模拟含有丰富背景谐波的电网电压uabcg，表3为加入的电网电压谐波含量，
图6所示为加入谐波后畸变的三相电网电压波形，图7所示为加入谐波后畸变的电网电压傅里叶分析，从图中可以看出电网电压发生畸变，电压thd为12.97％。
图8和图9所示分别为电网电感4.8mh和采用谐振前馈时，a相并网电压和三相并网电流的波形及并网电流的thd。为了更清晰看出仿真结果中电流波形，图中并网电流仿真结果与实际仿真结果相比扩大了5倍，此时电流thd为12.49％。采用谐振前馈策略并网电流的畸变率很大，这是由于系统剪切频率较低，开环增益小，稳态误差大，从而导致电流环对谐波抑制能力差。
图10和图11所示分别为电网电感为4.8mh、电网电阻为7ω和采用改进型调节器时，a相并网电压和三相并网电流的波形及并网电流的thd。为了更加清晰的进行对比，图10中并网电流仿真结果在实际仿真结果的基础上扩大了10倍。由图可知，采用改进型调节器，增大了开环增益，减小了稳态误差，有效降低入网电流thd，此时电流thd为2.45％，小于入网电流标准5％，满足标准要求。由于电流thd远远小于电压thd，因此，改进型调节器对电网背景谐波有较强的抑制作用，提高了对电网阻抗和背景谐波的适应性。