提高电网阻抗适应性的LCL参数和控制参数设计方法及装置与流程
本发明属于新能源并网发电技术领域，具体涉及一种提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法及装置。
背景技术：
随着光伏、风电等新能源的发展，越来越多的逆变器接入电网之中，使得电网表现出越来越明显的弱电网特性。弱电网中电网阻抗的存在及其不确定性导致lcl并网逆变器的控制性能降低，使得逆变器入网的电能质量变差，甚至引发不稳定问题。针对该问题，目前已有部分文献提出了增强lcl逆变器对电网阻抗适应能力的技术方案，主要包含两大类。
第一类是在逆变器原有控制结构基础上添加补偿网络，或者在外部添加硬件装置，该类方法属于二次设计，即首先保证逆变器出厂时自身控制性能良好，当其在电网中出现谐振或者不稳定现象后，通过在逆变器的控制器中额外添加一定的补偿控制器，或者在逆变器外部添加一定的硬件装置来抑制谐振和不稳定现象。由于该类方法需要额外添加补偿控制器或硬件设备，因此应用起来较为复杂。
如果在逆变器一次设计时就将电网阻抗考虑在内，设计出对电网阻抗具有较强适应能力的逆变器，那么在逆变器接入电网之后就可以避免谐振的发生，此即为第二类方法。该类方法是在逆变器一次设计时就将电网阻抗考虑在内，使得逆变器对电网阻抗具有较强的适应能力。
虽然第二类方法能够仅通过逆变器的一次设计来达到逆变器对电网阻抗强鲁棒性的目的，但现有相关设计方法大都是将控制器参数与lcl滤波参数分别单独设计，事实上逆变器的性能综合取决于控制器参数和lcl滤波参数，因此现有逆变器设计方法很难在保证逆变器自身稳定性的同时实现逆变器对电网阻抗的鲁棒性。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法，包括以下步骤：
s1：根据逆变器输出导纳传递函数推导出其不包含右半平面极点的电流控制器比例系数kp的解析范围；
s2：推导出保证逆变器电流开环传递函数不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd的解析范围；
s3：对有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1归一化处理，归一化处理后的不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd为λd，归一化处理后的电流控制器比例系数kp为λp，归一化处理后的开环传递函数截止频率ωc为δ，归一化处理后的谐振频率ωr为ξ和归一化处理的逆变器侧lc的谐振频率ωr1为β；
s4：结合s3中的归一化参数取值范围，将s3中的归一化参数代入电流开环传递函数得到简化的逆变器电流开环传递函数go(s)；
s5：根据电流开环传递函数的相位裕度、幅值裕度以及带宽的限制条件推导归一化参数的范围；
s6：通过解析逆变器输出阻抗，推导出逆变器对电网阻抗鲁棒性的关系函数，并结合归一化参数对关系函数进行简化；
s7：在简化逆变器电流开环传递函数求取模块和电网阻抗鲁棒性关系函数简化模块中的简化模型基础上，根据对逆变器稳定性和鲁棒性的要求确定有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1。
本发明的提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法，
保证逆变器输出导纳不包含右半平面极点的解析范围为：电流控制器比例系数kp∈(kpt,kpcr)，其中kpcr、kpt分别如式(1)、式(2)所示：
式中：
保证逆变器开环传递函数不包含右半平面极点的kd的范围为kd∈(0,kdm)，其中kdm如式(4)所示：
本发明的提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法，
s3步骤中参数归一化的方法为：kd＝λdkdm、kp＝λpkpcr、ωc＝ξω0、ωr＝δωcr和ωr1＝βωcr，其中ωcr＝ωs/6为一个中间角频率值。
本发明的提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法，将归一化参数代入电流环得到仅受δ、λd和ξ的影响的简化模型，简化模型如式(5)所示：
式中：
本发明的提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法，
以go(s)的相位裕度、幅值裕度为限制条件，根据式(5)和各归一化参数范围，当go(s)的相位裕度取最大时，求取归一化参数δ的值，再根据δ取值和需要的带宽选取ξ的值，然后在式(6)的基础上根据需要的相位裕度pm和幅值裕度gm确定λd的值；
根据如式(7)所示的λp与β的关系，并结合归一化参数得到简化的仅受归一化参数β影响的arg[zc(jωr1)]函数，如式(7)所示，求取λp与β的值；
结合限制条件l2/l1<2、0.5<λp<1和arg[zc(jωr1)]>-60°得到β的范围为如式(8)所示，式中βm1和βm2为保证arg[zc(jωr1)]>-60°的上下界值，βm3如式(9)所示；
根据求得的归一化参数按照s3步骤中参数归一化的方法运算得到有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1。
本发明还提供一种提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计装置，包括：
第一范围解析模块：用于根据逆变器输出导纳传递函数推导出其不包含右半平面极点的电流控制器比例系数kp的解析范围；
第二范围解析模块：用于推导出保证逆变器电流开环传递函数不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd的解析范围；
参数归一化处理模块：对有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1归一化处理，归一化处理后的不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd为λd，归一化处理后的电流控制器比例系数kp为λp，归一化处理后的开环传递函数截止频率ωc为δ，归一化处理后的谐振频率ωr为ξ和归一化处理的逆变器侧lc的谐振频率ωr1为β；
简化逆变器电流开环传递函数求取模块：用于结合第三范围解析模块中的归一化参数取值范围，将归一化参数代入电流开环传递函数得到简化的逆变器电流开环传递函数go(s)；
归一化参数范围求取模块：用于根据电流开环传递函数的相位裕度、幅值裕度以及带宽的限制条件推导归一化参数的范围；
电网阻抗鲁棒性关系函数简化模块：用于通过解析逆变器输出阻抗，推导出逆变器对电网阻抗鲁棒性的关系函数，并结合归一化参数对关系函数进行简化；
结果输出模块：用于在简化逆变器电流开环传递函数求取模块和电网阻抗鲁棒性关系函数简化模块中的简化模型基础上，根据对逆变器稳定性和鲁棒性的要求确定不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd和电流控制器比例系数kp。
本发明的提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计装置，
第一范围解析模块中，保证逆变器输出导纳不包含右半平面极点的解析范围为：电流控制器比例系数kp∈(kpt,kpcr)，其中kpcr、kpt分别如式(1)、式(2)所示：
式中：
保证逆变器开环传递函数不包含右半平面极点的kd的范围为kd∈(0,kdm)，其中kdm如式(4)所示：
本发明的提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计装置，
参数归一化处理模块中，参数归一化的方法为：kd＝λdkdm、kp＝λpkpcr、ωc＝ξω0、ωr＝δωcr和ωr1＝βωcr，其中ωcr＝ωs/6为一个中间角频率值。
本发明的提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计装置，
简化逆变器电流开环传递函数求取模块中，将归一化参数代入电流环得到仅受δ、λd和ξ的影响的简化模型，简化模型如式(5)所示：
式中：
本发明的提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计装置，
归一化参数范围求取模块中，归一化参数范围求取模块中，以go(s)的相位裕度、幅值裕度为限制条件，根据式(5)和各归一化参数范围，当go(s)的相位裕度取最大时，求取归一化参数δ的值，再根据δ取值和需要的带宽选取ξ的值，然后在式(5)的基础上根据需要的相位裕度pm和幅值裕度gm确定λd的值；
根据如式(6)所示的λp与β的关系，并结合归一化参数得到简化的仅受归一化参数β影响的arg[zc(jωr1)]函数，如式(7)所示，求取λp与β的值；
结合限制条件l2/l1<2、0.5<λp<1和arg[zc(jωr1)]>-60°得到β的范围为如式(8)所示，式中βm1和βm2为保证arg[zc(jωr1)]>-60°的上下界值，βm3如式(9)所示；
根据求得的归一化参数按照s3步骤中参数归一化的方法运算得到有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法及装置，通过理论计算和实际需要，通过计算得到有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1的具体值，从而可以实现对lcl参数和控制参数的综合设计，采用本发明设计的逆变器能够在无额外补偿环节或硬件设备的条件下获得对电网阻抗变化的适应性强的逆变器。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明方法流程图；
图2逆变器电流开环传递函数伯德图；
图3逆变器输出阻抗与电网阻抗交互作用伯德图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例
一种提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：根据欧拉公式分解非线性延时函数推导出保证逆变器输出导纳不包含右半平面极点的电流控制器比例系数kp的解析范围；
s2：推导出保证逆变器电流开环传递函数不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd的解析范围；
s3：对有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1归一化处理，归一化处理后的不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd为λd，归一化处理后的电流控制器比例系数kp为λp，归一化处理后的开环传递函数截止频率ωc为δ，归一化处理后的谐振频率ωr为ξ和归一化处理的逆变器侧lc的谐振频率ωr1为β；
s4：结合s3中的归一化参数取值范围，将s3中的归一化参数代入电流开环传递函数得到简化的逆变器电流开环传递函数go(s)；
s5：根据电流开环传递函数的相位裕度、幅值裕度以及带宽的限制条件推导归一化参数的范围，其中ω0为基波角频率；
s6：通过解析逆变器输出阻抗，推导出逆变器对电网阻抗鲁棒性的关系函数，并结合归一化参数对关系函数进行简化；
s7：在简化逆变器电流开环传递函数求取模块和电网阻抗鲁棒性关系函数简化模块中的简化模型基础上，根据对逆变器稳定性和鲁棒性的要求确定有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1，并根据。
保证逆变器输出导纳不包含右半平面极点的解析范围为：电流控制器比例系数kp∈(kpt,kpcr)，其中kpcr、kpt分别如式(1)、式(2)所示：
式中：
保证逆变器开环传递函数不包含右半平面极点的kd的范围为kd∈(0,kdm)，其中kdm如式(4)所示：
有源阻尼系数kd应当将推导出保证逆变器输出导纳传递函数不包含右半平面极点的有源阻尼系数的解析范围与推导出保证逆变器电流开环传递函数不包含右半平面极点的的解析范围进行求交集(即有源阻尼系数kd同时保证逆变器导纳与电流开环传递函数均不包含右半平面极点)。
保证逆变器输出导纳不包含右半平面极点的限制条件为：有源阻尼系数kd∈(0,kdcr)
由于kdm＜kdcr，故直接选取kd∈(0,kdm)。
s3步骤中参数归一化的方法为：kd＝λdkdm、kp＝λpkpcr、ωc＝ξω0、ωr＝δωcr和ωr1＝βωcr，其中ωcr＝ωs/6为一个中间角频率值。
s6步骤中，将归一化参数代入电流环得到仅受δ、λd和ξ的影响的简化模型，简化模型如式(5)所示：
式中：
以go(s)的相位裕度、幅值裕度为限制条件，根据式(5)和各归一化参数范围，当go(s)的相位裕度取最大时，求取归一化参数δ的值，再根据δ取值和需要的带宽选取ξ的值，然后在式(5)的基础上根据需要的相位裕度pm和幅值裕度gm确定λd的值；
根据如式(6)所示的λp与β的关系，并结合归一化参数得到简化的仅受归一化参数β影响的arg[zc(jωr1)]函数，如式(7)所示，求取λp与β的值；
结合限制条件l2/l1<2、0.5<λp<1和arg[zc(jωr1)]>-60°得到β的范围为如式(8)所示，式中βm1和βm2为保证arg[zc(jωr1)]>-60°的上下界值，βm3如式(9)所示；
根据求得的归一化参数按照s3步骤中参数归一化的方法运算得到有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1。
本实施例还提供一种提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计装置，与提高电网阻抗适应性的lcl参数和控制参数设计方法对应，包括：
第一范围解析模块：用于根据逆变器输出导纳传递函数推导出保证其不包含右半平面极点的电流控制器比例系数kp的解析范围；
第二范围解析模块：用于推导出保证逆变器电流开环传递函数不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd的解析范围；
参数归一化处理模块：用于对有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp在各自的解析范围内进行归一化处理，并对开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1归一化处理，归一化处理的不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd为λd，归一化处理的电流控制器比例系数kp为λp，归一化处理的开环传递函数截止频率为δ，归一化处理的谐振频率为ξ和归一化处理的逆变器侧lc的谐振频率为β；
简化逆变器电流开环传递函数求取模块：用于结合第三范围解析模块中的归一化参数取值范围，将归一化参数代入电流开环传递函数得到简化的逆变器电流开环传递函数go(s)；
归一化参数范围求取模块：用于根据电流开环传递函数的相位裕度、幅值裕度以及带宽的限制条件推导归一化参数的范围；
电网阻抗鲁棒性关系函数简化模块：用于通过解析逆变器输出阻抗，推导出逆变器对电网阻抗鲁棒性的关系函数，并结合归一化参数对关系函数进行简化；
结果输出模块：用于在简化逆变器电流开环传递函数求取模块和电网阻抗鲁棒性关系函数简化模块中的简化模型基础上，根据对逆变器稳定性和鲁棒性的要求确定不包含右半平面极点的有源阻尼系数kd和电流控制器比例系数kp。
第一范围解析模块中，保证逆变器输出导纳不包含右半平面极点的解析范围为：电流控制器比例系数kp∈(kpt,kpcr)，其中kpcr、kpt分别如式(1)、式(2)所示：
式中：
保证逆变器开环传递函数不包含右半平面极点的kd的范围为kd∈(0,kdm)，其中kdm如式(4)所示：
参数归一化处理模块中，参数归一化的方法为：kd＝λdkdm、kp＝λpkpcr、ωc＝ξω0、ωr＝δωcr和ωr1＝βωcr，其中ωcr＝ωs/6为一个中间角频率值。
简化逆变器电流开环传递函数求取模块中，将归一化参数代入电流环得到仅受δ、λd和ξ的影响的简化模型，简化模型如式(5)所示：
式中：
归一化参数范围求取模块中，归一化参数范围求取模块中，以go(s)的相位裕度、幅值裕度为限制条件，根据式(5)和各归一化参数范围，当go(s)的相位裕度取最大时，求取归一化参数δ的值，再根据δ取值和需要的带宽选取ξ的值，然后在式(5)的基础上根据需要的相位裕度pm和幅值裕度gm确定λd的值；
根据如式(6)所示的λp与β的关系，并结合归一化参数得到简化的仅受归一化参数β影响的arg[zc(jωr1)]函数，如式(7)所示，求取λp与β的值；
结合限制条件l2/l1<2、0.5<λp<1和arg[zc(jωr1)]>-60°得到β的范围为如式(8)所示，式中βm1和βm2为保证arg[zc(jωr1)]>-60°的上下界值，βm3如式(9)所示；
根据求得的归一化参数按照s3步骤中参数归一化的方法运算得到有源阻尼系数kd、电流控制器比例系数kp、开环传递函数截止频率ωc、谐振频率ωr和逆变器侧lc的谐振频率ωr1。
效果实施例
以一台额定功率为10kw的并网逆变器为例对本方案的实施过程进行说明，逆变器基本参数为：采样频率20khz，直流链电压udc＝700v，电网电压ug＝220v，开关频率fsw＝10khz。go(s)的相位裕度pm取大于30°、幅值裕度gm取大于6db，为了保证go具有足够带宽和较大的稳定裕度，取ξ＝20。根据简化的电流开环传递函数模型，当δ在0.6附近取值时go具有最大的相位裕度，这里取δ＝0.58、λd＝0.94，此时pm＝40deg，gm＝6.8db。根据实施例计算得到0.39<β<0.47，最终取β＝0.43。根据实施例计算得到λp＝0.6361。根据电感l1上的纹波电流不超过基波额定电流的40％计算得到l1的下限值为1.4mh，最终取l1＝2mh。根据谐振频率的归一化参数计算得到滤波电容c的取值为6.2μf，网侧滤波电感l2的取值为2.4mh。将归一化参数还原到实际参数得到电流控制器比例系数kp＝0.0797，有源阻尼系数kd＝0.0781。
综合上述可以看出，在采用本发明设计逆变器的过程中无需任何复杂的迭代运算即可实现逆变器滤波参数和控制参数的综合设计。采用本发明所设计的逆变器电流开环伯德图如图2所示，可以看出逆变器开环传递函数具有大于30°的相位裕度和大于6db的幅值裕度，且开环截止频率足够高，能够保证逆变器具有良好的动态特性。逆变器输出阻抗与电网阻抗交互作用的伯德图如图3所示，可以看出逆变器输出阻抗的相位在一个较宽频率范围内高于-60°，随着电网阻抗的增加，逆变器输出阻抗与电网阻抗在它们的交截频率处的相位始终低于150°，说明系统始终具有高于30°的相位裕度。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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