一种弱电网下提高并网逆变器稳定性的方法及装置

本发明涉及并网逆变器，更具体涉及一种弱电网下提高并网逆变器稳定性的方法及装置。

背景技术：

1、在分布式发电系统中，并网逆变器作为可再生能源和电网之间的重要接口，其电流控制问题引起了专家学者们的关注。为获得高质量的进网电流，重复控制、电网电压前馈得到了广泛应用，然而，可再生能源往往分布在偏远地区，长距离输电线路使得电网呈现较高的阻抗。因此，在不同的电网条件下(电网阻抗宽范围变化)，挂接与公共耦合点(pointof common coupling,pcc)的电力设备的稳定运行面临着挑战。

2、电网电压比例前馈可以显著提高逆变器在低频段的输出阻抗，有利于抑制电网电压低次谐波对电网电流造成的影响，但是当电网阻抗不为0时，电网电压前馈会引入一条正反馈回路，恶化入网电流品质，极大地降低系统的稳定性。相关研究分析谐波电流的形成机理，提出了谐振前馈策略，例如文献《徐飞,汤雨,谷伟.弱电网条件下lcl型并网逆变器谐振前馈控制策略研究[j].中国电机工程学报,2016,36(18):4970-4979.》，通过牺牲对电网电压低频谐波的抑制作用来换取并网逆变器的稳定运行。

3、基于内模原理的重复控制器实际上相当于无穷项谐振控制器并联。其等效的逆变器输出阻抗在基波整数倍时很高，可以用来抑制电网电压中的低次谐波。重复控制需要针对控制对象特征进行相应的补偿，以保障系统的稳定性。然而，在弱电网下电网阻抗宽范围变化，控制对象的幅相特性变化大。重复控制设计的补偿器无法适配电网阻抗宽范围变化下的控制对象，弱电网下并网逆变器的稳定性受到了极大的挑战。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于现有的重复控制器难以适用于电网阻抗宽范围的变化，难以保证弱电网下并网逆变器的稳定性。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种弱电网下提高并网逆变器稳定性的方法，所述方法包括：

3、步骤a：采样网侧电流，给定信号与网侧电流相减得到误差信号；

4、步骤b：将误差信号输入重复控制器g(z)得到输出信号；

5、步骤c：将输出信号输入电网电压谐振前馈控制器gf(z)得到逆变器的调制信号；

6、步骤d：根据逆变器参数建立控制对象数学模型；

7、步骤e：判断重复控制稳定性，在稳定的情况下保持当前控制，在不稳定的情况下，选取补偿系数，调整重复控制器g(z)，从而对调制信号进行调整，直到系统控制稳定。

8、有益效果：本发明设计重复控制器g(z)，判断重复控制稳定性，在稳定的情况下保持当前控制，在不稳定的情况下，选取补偿系数，调整重复控制器g(z)，从而对调制信号进行调整，直到系统控制稳定，适用于电网阻抗宽范围的变化，保证弱电网下并网逆变器的稳定性。

9、进一步地，所述重复控制器g(z)的表达式为：

10、

11、其中，为延时环节，n为一个电网周期内的采样点数，z-n表示在离散系统中延时n拍，由于本发明设备的采样频率为18000hz，则n取18000/50＝360；q为延时环节补偿系数；s(z)为补偿器环节，其作用是用来补偿被控对象p(z)的相位，使得s(z)p(z)在中低频段近似零增益零相移，其表达式为：

12、s(z)＝zkglpf(z)gtrap(z)

13、其中，zk为超前环节；glpf(z)为低通滤波器；gtrap(z)为陷波器，用于抑制由于弱电网导致基波附近s(z)p(z)的高增益，同时能补偿高于基波频率段s(z)p(z)的相位裕度，在弱电网下实现s(z)p(z)在中低频段近似零增益零相移。陷波器gtrap(z)由gtrap(s)经过双线性变换得来，其中gtrap(s)的表达式为：

14、

15、其中，gtrap(s)为陷波器在连续系统中的表达式，作用效果等同于gtrap(z)，s为拉普拉斯算子；ω0为基波角速度；ξ2为二阶系统最佳阻尼系数；ξ1为补偿系数且0＜ξ1＜ξ2。

16、更进一步地，所述步骤d包括：

17、控制对象数学模型glcl(z)由glcl(s)经过零阶保持器离散化而来，其中glcl(s)的表达式为

18、glcl(s)＝gpi(s)kpwmgd(s)(scr+1)/{s3l1(l2+lg)c+s2[(l1+l2+lg)cr-lgcrkpwmgd(s)gf(s)]+s[l1+l2+lg-lgkpwmgd(s)gf(s)]}

19、其中，glcl(s)表示重复控制器输出到并网电流之间的传递函数，l1为lcl型滤波器的桥侧电感；l2为lcl型滤波器的网侧电感；c为lcl型滤波器的电容；lg为电网阻抗；r为lcl型滤波器的无源阻尼；gd(s)为1.5拍的延时环节；kpwm为逆变器增益，gpi(z)表示比例积分环节，gpi(s)表示比例积分环节在连续系统中的表达式，由于跟踪信号为周期信号，积分器的作用效果不明显，gpi(z)可简化为比例环节用以提高第一个周期的动态性能。，gf(s)表示电网电压谐振前馈控制，谐振前馈为二阶带通滤波器，用于减小电网阻抗在高频段的正反馈通路；

20、其中，电网阻抗表达式为：

21、

22、式中，u0为电网电压；prate为逆变器功率；scr为弱电网等级，scr小于3标志着该电网为弱电网。

23、更进一步地，所述步骤e中判断重复控制稳定性的方法为：

24、重复控制稳定性的充分条件为|q-s(z)p(z)|＜1，其中，p(z)为补偿对象且p(z)的表达式为

25、

26、其中gpi(z)为比例积分环节；

27、满足重复控制稳定性的充分条件的情况下，表明系统重复控制稳定。

28、更进一步地，所述步骤e包括：

29、根据重复控制稳定性判据q-s(z)p(z)，画出伯德图或是奈奎斯特图，根据伯德图幅频特性小于0或是奈奎斯特轨迹在单位圆内设计补偿系数ξ1，根据设计好的补偿系数ξ1调整重复控制器g(z)，从而对调制信号进行调整，使得系统控制稳定。

30、本发明还提供一种弱电网下提高并网逆变器稳定性的装置，所述装置包括：

31、信号处理模块，用于采样网侧电流，给定信号与网侧电流相减得到误差信号；

32、信号输出模块，用于将误差信号输入重复控制器g(z)得到输出信号；

33、信号调制模块，用于将输出信号输入电网电压谐振前馈控制器gf(z)得到逆变器的调制信号；

34、模型建立模块，用于根据逆变器参数建立控制对象数学模型；

35、稳定控制模块，用于判断重复控制稳定性，在稳定的情况下保持当前控制，在不稳定的情况下，选取补偿系数，调整重复控制器g(z)，从而对调制信号进行调整，直到系统控制稳定。

36、进一步地，所述重复控制器g(z)的表达式为：

37、

38、其中，为延时环节，n为一个电网周期内的采样点数，z-n表示在离散系统中延时n拍，由于本发明设备的采样频率为18000hz，则n取18000/50＝360；q为延时环节补偿系数；s(z)为补偿器环节，其作用是用来补偿被控对象p(z)的相位，使得s(z)p(z)在中低频段近似零增益零相移，其表达式为：

39、s(z)＝zkglpf(z)gtrap(z)

40、其中，zk为超前环节；glpf(z)为低通滤波器；gtrap(z)为陷波器，用于抑制由于弱电网导致基波附近s(z)p(z)的高增益，同时能补偿高于基波频率段s(z)p(z)的相位裕度，在弱电网下实现s(z)p(z)在中低频段近似零增益零相移。陷波器gtrap(z)由gtrap(s)经过双线性变换得来，其中gtrap(s)的表达式为：

41、

42、其中，gtrap(s)为陷波器在连续系统中的表达式，作用效果等同于gtrap(z)，s为拉普拉斯算子；ω0为基波角速度；ξ2为二阶系统最佳阻尼系数；ξ1为补偿系数且0＜ξ1＜ξ2。

43、更进一步地，所述模型建立模块还用于：

44、控制对象数学模型glcl(z)由glcl(s)经过零阶保持器离散化而来，其中glcl(s)的表达式为

45、glcl(s)＝gpi(s)kpwmgd(s)(scr+1)/{s3l1(l2+lg)c+s2[(l1+l2+lg)cr-lgcrkpwmgd(s)gf(s)]+s[l1+l2+lg-lgkpwmgd(s)gf(s)]}

46、其中，glcl(s)表示重复控制器输出到并网电流之间的传递函数，l1为lcl型滤波器的桥侧电感；l2为lcl型滤波器的网侧电感；c为lcl型滤波器的电容；lg为电网阻抗；r为lcl型滤波器的无源阻尼；gd(s)为1.5拍的延时环节；kpwm为逆变器增益，gpi(z)表示比例积分环节，gpi(s)表示比例积分环节在连续系统中的表达式，由于跟踪信号为周期信号，积分器的作用效果不明显，gpi(z)可简化为比例环节用以提高第一个周期的动态性能。，gf(s)表示电网电压谐振前馈控制，谐振前馈为二阶带通滤波器，用于减小电网阻抗在高频段的正反馈通路；

47、其中，电网阻抗表达式为：

48、

49、式中，u0为电网电压；prate为逆变器功率；scr为弱电网等级，scr小于3标志着该电网为弱电网。

50、更进一步地，所述稳定控制模块中判断重复控制稳定性的方法为：

51、重复控制稳定性的充分条件为|q-s(z)p(z)|＜1，其中，p(z)为补偿对象且p(z)的表达式为

52、

53、其中gpi(z)为比例积分环节；

54、满足重复控制稳定性的充分条件的情况下，表明系统重复控制稳定。

55、更进一步地，所述稳定控制模块还用于：

56、根据重复控制稳定性判据q-s(z)p(z)，画出伯德图或是奈奎斯特图，根据伯德图幅频特性小于0或是奈奎斯特轨迹在单位圆内设计补偿系数ξ1，根据设计好的补偿系数ξ1调整重复控制器g(z)，从而对调制信号进行调整，使得系统控制稳定。

57、本发明的优点在于：

58、(1)本发明设计重复控制器g(z)，判断重复控制稳定性，在稳定的情况下保持当前控制，在不稳定的情况下，选取补偿系数，调整重复控制器g(z)，从而对调制信号进行调整，直到系统控制稳定，适用于电网阻抗宽范围的变化，保证弱电网下并网逆变器的稳定性。

59、(2)本发明发现弱电网下并网逆变器不稳定原因在于随着电网阻抗的宽范围变化，当电网阻抗大时，电网阻抗与逆变器等效阻抗在低频段交截，交截点相位裕度小于0，导致逆变器输出电流呈现低频振荡的现象。本发明利用陷波器可以衰减补偿对象p(z)伯德图幅频增益同时提高低频段相频裕度的特性，设计重复控制器，解决了弱电网下并网逆变器并网电流低频振荡问题，增加了并网逆变器在弱电网下的稳定裕度，促进lcl滤波并网逆变器广泛、可靠的应用，有助于推动分布式并网发电技术的发展，具有重要的理论意义和实用价值。