一种弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法

1.本发明涉及弱电网下光伏并网逆变器稳定性技术领域，更具体的说是涉及一种弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法。


背景技术：

2.现有光伏发电与电网之间存在着较长的传输线路和较多的变压设备，从并网逆变器的公共耦合点看去，存在着阻感性的电网阻抗，影响电网系统的稳定运行。在弱网情况下，传统电网电压比例前馈的正反馈通道与并网电流内环通过电网阻抗产生耦合，导致系统稳定裕度下降。
3.由上述内容可知，并网逆变器在弱电网下可能出现电网阻抗过大，导致逆变器系统相位裕度下降，影响系统稳定运行。因此，如何提高弱电网下光伏并网逆变器的稳定裕度是本领域技术人员亟需解决的问题。
4.现有技术中，如公开号cn111245017a，名为一种一种弱电网下并网逆变器电容电压前馈控制方法的专利，通过使用逆变侧电流i1进行反馈控制，使用电容电压uc进行锁相、有源阻尼和前馈补偿，得到弱电网下并网逆变器电容电压前馈控制系统；对得到的电容电压前馈控制系统进行弱电网下有源阻尼负反馈设计，并对电容电压前馈控制系统进行电容电压前馈补偿控制策略设计，然而其专利的并网逆变器在弱电网下易出现电网阻抗过大，导致逆变器系统相位裕度下降，影响系统稳定运行。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术问题，本发明提出一种弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法，用全通滤波器对其逆变器总输出导纳相位进行滞后校正，提高系统在弱电网下的稳定裕度，增强系统稳定性。
6.本发明采用以下具体的技术方案：
7.一种弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法，包括以下步骤：
8.s1：将整个系统简化为一个戴维南等效电路，并将电网侧与逆变器侧通过pcc相连，得到逆变器等效输出导纳yi(s)、ccf-pll导纳为y
p
(s)，gvf导纳为yv(s)，其导纳的表达式分别为：
[0009][0010][0011][0012]
其中gf、gc、g1、g2、g
pll
、g
ccf
分别为gf(s)、gc(s)、g1(s)、g2(s)、g
pll
(s)、g
ccf
(s)的简写形式，gf(s)为传统电网电压比例前馈，gc(s)表示为准比例谐振控制器参数，g1(s)、g2(s)为
电流环中等效变换后的传递函数，g
pll
(s)为srf-pll的传递函数，g
ccf
(s)为ccf的传递函数，ir为并网电流ig参考值，其幅值由外部给定，h1为ig的反馈系数；
[0013]
根据上述建立的戴维南等效电路，可得逆变器系统总输出导纳yo(s)的表达式为：
[0014]yo
(s)＝y
p
(s)+yi(s)+yv(s)
[0015]
不计gvf时的总输出导纳y
o1
(s)的表达式为：
[0016]yo1
(s)＝y
p
(s)+yi(s)
[0017]
由上述计不计gvf时的总输出导纳的两个公式结合所得数据分析知计及gvf时，系统稳定，加入gvf后，会使得系统相位裕度为负值，严重影响系统稳定性，故需要减小gvf带来的负面影响。
[0018]
s2：根据s1建立的戴维南等效电路以及逆变器系统总输出导纳yo(s)的表达式，推导变换得出并网电流表达式为：
[0019][0020]
其中yo为yo(s)的简写形式，yo为逆变器系统总输出导纳，yg为电网抗阻，ug为电网电压；
[0021]
由上式在理想的并网系统分析知，系统在并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交点频率fc处具有足够的相位裕度，其相位裕度的表达式为：
[0022][0023]
式中分别为电网阻抗交点频率fc下电网导纳yg与逆变器输出导纳y
inv
的相位；根据上述相位裕度表达式结合逆变器系统总输出导纳进行分析，得出系统在弱电网下不稳定是由于gvf引入的负导纳造成系统相位超前。
[0024]
s3：用全通滤波器校正逆变器总输出导纳的相位，设计控制参数，用以提高系统在弱电网下的稳定裕度，其中全通滤波器传递函数为：
[0025][0026]
上式k为全频率段内的固定幅值增益，k取为1，防止影响改进后系统的幅值，a为相位补偿系数；
[0027]
此时，加入所提前馈环节后，电压前馈导纳的表达式为：
[0028][0029]gaf
为g
af
的简写形式。
[0030]
上述全通滤波器加入到gf(s)的支路中，校正yv(s)的相位，提高来了逆变器在弱电网下的相位裕度。
[0031]
优选地，所述步骤s1的戴维南等效电路中，并网电流ig(s)表达式为：
[0032][0033]
其中u
pcc
为共耦点电压。
[0034]
优选地，所述步骤s1中传统电网电压比例前馈gf(s)的表达式为1/k
pwm
，k
pwm
为逆变
器增益。
[0035]
优选地，所述步骤s1中准比例谐振控制器参数gc(s)的表达式为：
[0036]
gc(s)＝k
p
+2krωis/(s2+2ωis+ω
02
)
[0037]
式中k
p
为gc(s)的比例系数，kr为gc(s)的谐振系数，ωi为gc(s)的带宽系数。
[0038]
优选地，基于所述步骤s1中电流环中等效变换后的传递函数g1(s)、g2(s)的表达式分别为：
[0039][0040][0041]
其中kc、cf、s分别为电容电流的反馈系数、电容、拉普拉斯算子，l1、l2分别滤波器的逆变器侧电感、网侧电感。
[0042]
优选地，基于所述步骤s1中srf-pll的传递函数g
pll
(s)的表达式为：
[0043][0044]
其中k
pp
为锁相环的比例系数，k
pi
为锁相环的积分系数，ω0为基波角频率。
[0045]
优选地，基于所述步骤s1中ccf的传递函数g
ccf
(s)的表达式为：
[0046][0047]
其中k
ccf
表示为复系数滤波器自适应调节系数。
[0048]
优选地，所述步骤s2中相位裕度的表达式内在全频段上都为-90
°
，此时，相位裕度的表达式可变换为：
[0049][0050]
由上式可以看出，小于90
°
才能保证并网逆变器的稳定性。
[0051]
优选地，所述步骤s3中通过调整参数a的值在特定频段进行相位校正，其参数a的表达式为：
[0052][0053]
其中f为补偿频率点，θ为滞后补偿角，由上式知，可通过调整参数a的值在特定频段进行相位校正。
[0054]
一种光伏电网系统，采用上述弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法。
[0055]
本发明的有益效果为：
[0056]
本发明通过对含复系数滤波器锁相环结构(ccf-pll)和电网电压前馈(gvf)的并网逆变器系统进行输出导纳建模，并对输出导纳建模进行稳定性分析，得出系统在弱电网下不稳定是由于gvf引入的负导纳造成系统相位超前，在此基础上，采用全通滤波器对逆变器总输出导纳相位进行滞后校正，解决上述gvf引入的负导纳造成系统相位超前的问题，提高了系统在弱电网下的稳定裕度，增强系统稳定性。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0058]
图1附图为本发明提供的单相lcl型并网逆变器结构图；
[0059]
图2附图为单台逆变器并网电路模型；
[0060]
图3附图为逆变器并网等效电路模型；
[0061]
图4附图为并网逆变器总输出导纳伯德图；
[0062]
图5附图为改进gvf后的并网逆变器控制框图；
[0063]
图6附图为a取不同值时全通滤波器的伯德图；
[0064]
图7(a)附图为改进后电网电压yv_af(s)的伯德图；
[0065]
图7(b)附图为改进前电网电压yv(s)的伯德图；
[0066]
图8附图为改进电网电压后逆变器系统总输出导纳；
[0067]
图9(a)附图为改进电网电压前逆变器并网电流波形；
[0068]
图9(b)附图为改进电网电压前并网电流频谱；
[0069]
图10(a)附图为改进电网电压后逆变器并网电流波形；
[0070]
图10(b)附图为改进电网电压后并网电流频谱。
具体实施方式
[0071]
下面结合实施例进一步解释和阐明，但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。
[0072]
实施例1
[0073]
本发明实施例公开了一种提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法，下面结合具体技术背景对技术方案做进一步解释说明。
[0074]
参见图1，在单相lcl型并网逆变器结构图中，电感l1、电容cf和电感l2组成lcl滤波器。i1为l1的电流，ic为cf的电流，kc为ic的反馈系数，h1为并网电流ig的反馈系数，gc(s)为准比例谐振控制器参数，u
dc
为直流电压，u
pcc
为共耦点电压，ir为ig参考值，其幅值由外部给定，始终为ir，相角通过锁相环与u
pcc
相角同步。zg为电网阻抗，假设zg为纯感性，记zg＝slg。
[0075]
一种弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法，包括以下步骤：
[0076]
s1：在图1的基础上参见图2，图2为单台逆变器并网电路模型，将整个系统简化为一个戴维南等效电路，其中并网电流ig(s)表达式为：
[0077][0078]
根据式(1)建立逆变器并网等效电路模型如图3所示。逆变器等效输出导纳yi(s)、ccf-pll导纳yp(s)、gvf导纳yv(s)的表达式为：
[0079]
[0080][0081][0082]
其中gf、gc、g1、g2、g
pll
、g
ccf
分别为gf(s)、gc(s)、g1(s)、g2(s)、g
pll
(s)、g
ccf
(s)的简写形式，gf(s)为传统电网电压比例前馈，电网电压前馈环节gf(s)的表达式为1/k
pwm
，gc(s)表示为准比例谐振控制器参数，g1(s)、g2(s)为电流环中等效变换后的传递函数，g
pll
(s)为srf-pll的传递函数，g
ccf
(s)为ccf的传递函数；g1(s)、g2(s)的表达式为：
[0083][0084][0085]
其中kc、cf、s分别为电容电流的反馈系数、电容、拉普拉斯算子，l1、l2分别滤波器的逆变器侧电感、网侧电感；
[0086]
优选地，g
pll
(s)、g
ccf
(s)、gc(s)的表达式为：
[0087][0088][0089]
gc(s)＝k
p
+2krωis/(s2+2ωis+ω
02
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0090]
其中k
pp
为锁相环的比例系数，k
pi
为锁相环的积分系数，ω0为基波角频率，k
p
为gc(s)的比例系数，kr为gc(s)的谐振系数，ωi为gc(s)的带宽系数。
[0091]
根据上述建立的戴维南等效电路，得到逆变器系统总输出导纳yo(s)的表达式为：
[0092]yo
(s)＝y
p
(s)+yi(s)+yv(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0093]
不计gvf时输出导纳yo1(s)的表达式为：
[0094]yo1
(s)＝y
p
(s)+yi(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0095]
根据式(10)、(11)可得，并网逆变器总输出导纳伯德图如图4所示。
[0096]
s2：根据s1建立的戴维南等效电路以及逆变器系统总输出导纳yo(s)的表达式，推导变换得出并网电流表达式为：
[0097][0098]
其中yo为yo(s)的简写形式，yo为逆变器系统总输出导纳，yg为电网抗阻，ug为电网电压；
[0099]
在一个理想的并网系统中，电网阻抗为0，则逆变器输出电流由-youg决定，此时系统稳定。但是在实际情况中由于电网传输线缆等参数的影响，电网阻抗并不为零，则系统稳定条件为yo/yg满足奈奎斯特稳定判据，系统在并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交点频率fc处具有足够的相位裕度，其相位裕度的表达式为：
[0100][0101]
式中分别为电网阻抗交点频率fc下电网导纳yg与逆变器输出导纳y
inv
的相位，又由于在全频段上都为-90
°
，此时，相位裕度的表达式可变换为：
[0102][0103]
由上式可以看出，小于90
°
才能保证并网逆变器的稳定性；
[0104]
根据上述相位裕度表达式结合逆变器系统总输出导纳进行分析，得出系统在弱电网下不稳定是由于gvf引入的负导纳造成系统相位超前。具体分析结合图4，弱电网下不计及gvf时并网逆变器系统总输出导纳的相位裕度为54.2
°
，系统稳定；计及gvf时并网逆变器系统总输出导纳的相位裕度为-8.8
°
，不满足稳定条件，系统失稳。由此可见，加入gvf后，会使得系统相位裕度为负值造成系统相位超前，严重影响系统稳定性，故需要减小gvf带来的负面影响。
[0105]
s3：根据步骤s2知要使系统稳定，为此需在gf(s)支路中加入全通滤波器，校正yv(s)的相位，提高逆变器在弱电网下的相位裕度。图5为改进gvf后的并网逆变器等效控制框图，其中g
af
(s)为全通滤波器传递函数，表达式为：
[0106][0107]
式中k为幅值增益，为不影响改进后系统的幅值，k取为1，a为相位补偿系数；
[0108]
图6为全通滤波器的伯德图。其全频率段的幅值为0db，可在一定频段内提供0～180
°
的相位滞后补偿。调整参数a可在特定频段进行相位校正。
[0109][0110]
式中，f为补偿频率点，θ为滞后补偿角。
[0111]
因yv(s)在相位超前频段内最大相位为227
°
(f
min
处)，其相频曲线单调递减。故令f
min
为补偿频率点，且根据分析得θ＝-160
°
。将f
min
＝133hz，θ＝-160
°
代入参数a的表达式(14)中，得a＝0.0068。
[0112]
加入所提前馈环节后，电压前馈导纳的表达式为：
[0113][0114]
图7(a)为改进后gvf导纳y
v_af
(s)的伯德图。y
v_af
(s)在f
min
处的相位为66.7
°
，满足稳定要求。
[0115]
改进电网电压前馈环节后，逆变器系统总输出导纳的表达式为：
[0116]yo_af
(s)＝y
p
(s)+yi(s)+y
v_af
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0117]
综上可以看出，上述所提弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法，提高了系统相位裕度，进而提高并网系统稳定性。
[0118]
实施例2
[0119]
为了验证所提控制方法的正确性，采用matalab进行仿真，在matlab/simulink仿真软件搭建一台单相光伏逆变器系统模型，本实施例中仿真参数如下表所示：
[0120][0121][0122]
单台组串型光伏逆变器并网，不施加/施加有源阻尼高频谐振抑制方法的系统并网电流波形及频谱分析如图10(a)和10(b)所示。
[0123]
由图8、图9(a)以及图9(b)可知，在电网电压前馈通道引入全通滤波器后系统并网电流畸变率下降了94.2％，说明逆变器自身谐振得到有效抑制，并网电流波形得到显著改善。
[0124]
由图4知传统gvf使得逆变器系统在scr＝2时的相位裕度为-8.8
°
，系统不稳定。如图9(a)以及图9(b)所示，加入传统gvf后，并网电流ig(s)在scr＝2时发生畸变失真，系统不稳定。结果表明，弱电网下，传统gvf会使采用ccf-pll的并网逆变器系统稳定裕度减小，且随着电网阻抗的增大会加剧系统不稳定。
[0125]
由图8可知改进gvf使得逆变器系统在scr＝2时的相位裕度为34.2
°
，系统稳定。如图10(a)和图10(b)所示，加入改进gvf后，并网电流波形的畸变现象得到明显改善。
[0126]
通过仿真分析可知，本文提出的弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法对提高系统相位裕度、增强系统稳定性有明显作用。
[0127]
实施例3
[0128]
一种光伏并网系统，采用前文实施例1中弱电网下提高光伏并网逆变器稳定裕度的方法，对含复系数滤波器锁相环结构(ccf-pll)和电网电压前馈(gvf)的并网逆变器系统进行输出导纳建模，并对输出导纳建模进行稳定性分析，得出系统在弱电网下不稳定是由于gvf引入的负导纳造成系统相位超前，在此基础上，采用全通滤波器对逆变器总输出导纳相位进行滞后校正，解决上述gvf引入的负导纳造成系统相位超前的问题，提高了系统在弱电网下的稳定裕度，增强系统稳定性。
[0129]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求
的保护范围之内。