增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法

1.本发明涉及电子电力技术及新能源发电领域，特别涉及增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法。


背景技术：

2.当今社会，由于以石油、煤、天然气等传统能源作为燃料在发电的过程中会对环境造成污染(如二氧化碳的大量排放)同时还面临枯竭的问题，因此新能源发电成为全世界关注的焦点。
3.太阳能、风能等新能源由于分布广泛、难以统一收集利用，因此分布式发电系统成为解决现阶段能源问题的最有效手段之一。近些年我国新能源并网容量不断快速增加，预计2050年新能源发电量占比将达60％左右。
4.现有技术中分布式发电系统多采用长距离输电线路和多台变压器将系统互连并接入公共电网，高渗透率的分布式发电系统表现出低短路比(short circuit ratio,scr)的弱电网特性，即电网侧表现出不可忽略的阻抗。
5.为了使输出电流与电网电压的频率与相位同步，锁相环(pll)广泛用于并网逆变器中，然而锁相环会在逆变器输出阻抗中引入负阻，并且随着锁相环的带宽增大，输出阻抗中的负阻范围也会增大，电网电压前馈的加入也会进一步增大输出阻抗的负阻范围，危害系统的稳定性。
6.为了提高并网逆变器在弱电网情况下的稳定性，有学者提出减小锁相环带宽的方法。
7.现有技术中如公开号为cn113162117a的中国专利公开的一种弱电网下并网逆变器控制器带宽设计方法，该带宽设计方法包括：采样，先给出并网逆变器电流控制环开环传递函数，再求得电流控制环开环传递函数幅值，最后结合奈奎斯特稳定判据，给出弱电网下电流控制环带宽和锁相环带宽之间的制约关系，从而完成电流控制环和锁相环控制器参数设计，但是锁相环的带宽减小之后会损害锁相环的动态性能；
8.另外还有学者提出通过电网电压前馈对逆变器输出阻抗进行重构，但此种方法没有考虑到有源阻尼策略对阻抗的影响以及滤除电网高次背景谐波。
9.针对上述问题，需进一步研究考虑锁相环、电网电压前馈、电容电流反馈对逆变器输出阻抗的影响以及滤除电网高次背景谐波的控制策略。


技术实现要素：

10.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法。
11.一种增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法，包括lcl拓扑结构和控制回路，
12.所述控制回路中连接有解耦项和电容电流反馈有源阻尼；
13.所述前馈控制方法包括如下步骤：
14.s1采集并网电流、公共耦合点电压以及电容电流；
15.s2通过锁相环获得公共耦合点电压的电压相角，通过电压相角，将并网电流、公共耦合点电压、电容电流变换到dq轴中；
16.s3由于锁相环动态，系统的dq轴与控制回路的dq轴之间存在角度差δθ，其表达式为：
[0017][0018]
其中，g
pll
为系统公共耦合点q轴电压扰动到角度差δθ之间的传递函数，为公共耦合点q轴电压扰动；
[0019]
s4电网d轴电压前馈采用全前馈策略，传递函数为：
[0020][0021]
其中，kc为电容电流反馈系数，为常数，cs为滤波电容，k
pwm
为pwm的增益，l1为逆变侧电感，s为微分算子；
[0022]
电网q轴电压前馈的传递函数为：
[0023][0024]
其中，为d轴电容电流，为d轴系统输出电流，为d轴的占空比，为d轴上的公共耦合点电压；g
id
(s)为电流pi控制器；
[0025]
s5根据gf、gh得出控制拓扑结构的占空比信号，进而通过svpwm控制桥臂的通断。
[0026]
所述控制回路中连接有解耦项g
dec
的表达式为：
[0027][0028]
其中，l1、l2分别为逆变侧电感与网侧电感，ω0为电网基频，v
dc
为直流侧电压。
[0029]
系统公共耦合点q轴电压扰动到角度差δθ之间的传递函数g
pll
的表达式为：
[0030][0031]
其中，k
ppll
为锁相环中控制器的比例项，k
ipll
为锁相环中控制器的积分项，s为微分算子。
[0032]
具体的，所述gh的推导过程如下：
[0033]
根据系统结构，得出该系统闭环输出阻抗矩阵表达式为：
[0034][0035]
其中，z
out
为系统开环输出阻抗矩阵，b、c分别为滤波电容导纳矩阵、网侧滤波电感
阻抗矩阵，g
il
为拓扑结构到输出电流的传递函数矩阵，为拓扑结构到输出电流的传递函数矩阵，为别为锁相环动态给输出电流、电容电流、pcc点电压、系统占空比带来的扰动；
[0036]zout
的表达式为：z
out
＝(i+ab)-1
(c+a+abc)
[0037]
其中，i为单位矩阵、a为逆变侧滤波电感阻抗矩阵；
[0038]gil
的表达式为：g
il
＝-v
dc
(c+a+abc)-1
[0039]
a、b、c的表达式为：
[0040][0041]
其中，r1为逆变侧电感寄生电阻，ω为电网基频，r2为网侧电感寄生电阻；
[0042]
的表达式分别如下：
[0043][0044][0045][0046][0047]
其中，为系统输出电流，为系统电容电流，ds为系统占空比，下标d代表d轴信号，下标q代表q轴信号；
[0048]
s4-2将各表达式代入闭环输出阻抗表达式中，得出含有锁相环动态的扰动项在q轴之和等于0的表达式：
[0049][0050]
解得：
[0051][0052]
d轴电压前馈采用全前馈策略gf已知，结合gf、gh得出电网电压的前馈矩阵g，g的表达式如下：
[0053][0054]
利用矩阵g得出控制系统的占空比信号，进而通过svpwm控制桥臂的通断。
[0055]
优选的，所述电流控制器为pi控制器，用于调节控制回路中的电流与给定值一致。
[0056]
优选的，所述lcl拓扑结构还包括与网侧电感串联的线路阻抗。
[0057]
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
[0058]
针对弱电网情况下pll、电网电压前馈、电容电流反馈给系统稳定性带来的不利影响以及电网背景谐波对并网电流的干扰，提出了一种改进的电网电压前馈方案，在该方案中电网电压前馈的d轴采用全前馈方法，从而可以滤除大部分电网背景谐波，电网电压前馈的q轴用于减小由于pll、电网电压前馈以及电容电流反馈引入q轴的负阻带宽，从而增加系统的相位裕度，提高系统在弱电网情况下稳定运行的能力，并较好的保持了pll的性能。
附图说明
[0059]
图1为本发明提供的增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法的示意图。
[0060]
图2为本发明提供的增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法的小信号模型。
[0061]
图3为本发明提供的增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法与传统电压前馈方法q轴输出阻抗bode图。
[0062]
图4为本发明提供的增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法与传统电压前馈方法在弱电网下输出电流波形仿真结果。
[0063]
图5为本发明提供的增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法与传统电压前馈方法在电网含有背景谐波的情况下输出电流波形仿真结果。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0065]
如图1所示，增强系统稳定性并滤除电网高次背景谐波的前馈控制方法，包括lcl拓扑结构和控制回路，所述lcl拓扑结构还包括与网侧电感串联的线路阻抗；
[0066]
所述控制回路中连接有解耦项和电容电流反馈有源阻尼；
[0067]
所述前馈控制方法包括如下步骤：
[0068]
s1采集并网电流i
ga
、i
gb
、i
gc
，公共耦合点电压u
pcca
、u
pccb
、u
pccc
，以及电容电流i
ca
、i
cb
、i
cc
；
[0069]
s2通过锁相环获得公共耦合点电压的电压相角，通过电压相角，将并网电流、公共耦合点电压、电容电流变换到dq轴中；
[0070]
s3由于锁相环动态，系统的dq轴与控制回路的dq轴之间存在角度差δθ，其表达式为：
[0071][0072]
其中，g
pll
为系统公共耦合点q轴电压扰动到角度差δθ之间的传递函数，为公
共耦合点q轴电压扰动；
[0073]
s4电网d轴电压前馈采用全前馈策略，传递函数为：
[0074][0075]
其中，kc为电容电流反馈系数，为常数，cs为滤波电容，k
pwm
为pwm的增益，逆变侧电感，s为微分算子；
[0076]
电网q轴电压前馈的传递函数为：
[0077][0078]
其中，为d轴电容电流，为d轴的占空比，为d轴上的公共耦合点电压；g
id
(s)为电流pi控制器；
[0079]
所述电流控制器为pi控制器，用于调节控制回路中的电流与给定值一致；
[0080]
s5根据gf、gh得出控制拓扑结构的占空比信号，进而通过svpwm控制桥臂的通断。
[0081]
所述控制回路中连接有解耦项g
dec
的表达式为：
[0082][0083]
其中，l1、l2分别为逆变侧电感与网侧电感，ω0为电网基频，v
dc
为直流侧电压。
[0084]
系统公共耦合点q轴电压扰动到角度差δθ之间的传递函数g
pll
的表达式为：
[0085][0086]
其中，k
ppll
为锁相环中控制器的比例项，k
ipll
为锁相环中控制器的积分项，s为微分算子。
[0087]
具体的，所述gh的推导过程如下：
[0088]
根据图2所示的系统结构，得出该系统闭环输出阻抗矩阵表达式为：
[0089][0090]
其中，z
out
为系统开环输出阻抗矩阵，b、c分别为滤波电容导纳矩阵、网侧滤波电感阻抗矩阵，g
il
为拓扑结构到输出电流的传递函数矩阵，为拓扑结构到输出电流的传递函数矩阵，为别为锁相环动态给输出电流、电容电流、pcc点电压、系统占空比带来的扰动；
[0091]zout
的表达式为：z
out
＝(i+ab)-1
(c+a+abc)
[0092]
其中，i为单位矩阵、a为逆变侧滤波电感阻抗矩阵；
[0093]gil
的表达式为：g
il
＝-v
dc
(c+a+abc)-1
[0094]
a、b、c的表达式为：
[0095][0096]
其中，r1为逆变侧电感寄生电阻，ω为电网基频，r2为网侧电感寄生电阻；
[0097]
的表达式分别如下：
[0098][0099][0100][0101][0102]
其中，为系统输出电流，为系统电容电流，ds为系统占空比，下标d代表d轴信号，下标q代表q轴信号；
[0103]
s4-2将各表达式代入闭环输出阻抗表达式中，得出含有锁相环动态的扰动项在q轴之和等于0的表达式：
[0104][0105]
解得：
[0106][0107]
d轴电压前馈采用全前馈策略gf已知，结合gf、gh得出电网电压的前馈矩阵g，g的表达式如下：
[0108][0109]
利用矩阵g得出控制系统的占空比信号，进而通过svpwm控制桥臂的通断。
[0110]
如图3所示，采用本实施例提供的前馈控制方法可以消除锁相环动态给逆变器q轴输出阻抗带来的负阻，进而增强了弱电网下系统的稳定性。
[0111]
如图4所示，采用传统电网电压前馈控制策略时，系统的输出电流失稳，而采用本实施例提供的前馈控制策略时，系统的三相输出电流是稳定的。
[0112]
如图5所示，当电网含有背景谐波时，未采用电网电压前馈策略时，输出电流的波形具有明显的波动，而采用本实施例提供的前馈控制策略时，输出电流的波形得到了显著的改善。