一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种适用于弱电网工况的逆变器功率?电压控制方法，所述控制方法基于逆变器的LCL型滤波器结构，以有功功率、无功功率为控制目标，采用功率外环、电压内环的双环控制结构；采用锁相环跟踪电网相位，以该相位为基准控制LCL滤波电容的电压，从而调节逆变器并网的功率。本发明在传统功率?电流控制方法的基础上，采用电压内环控制取代传统控制方法的电流内环，在弱电网高阻抗条件下可依然维持LCL滤波电容电压在一定水平，从而提高逆变器弱电网工况的运行稳定性。
【专利说明】
一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及可再生能源发电功率变换系统的并网控制方法，具体地，涉及一种适 用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法。
【背景技术】
[0002] 并网逆变器的传统功率-电流控制方法，其控制结构如图1所示。这种控制方法采 用锁相环观测电网电压相位，并以注入电流的方式实现功率调节。具有有功功率、无功功率 控制解耦，响应快速，电流控制质量高等优势。
[0003] 然而，传统功率-电流控制的上述优势是在电网阻抗较小的强电网环境下实现的， 并且这种控制方法在设计调节器参数时假设电网是阻抗为零的理想电网。随着线路阻抗增 大，电网进一步表现出弱电网特性。功率_电流控制下并网逆变器的电流控制特性随电网阻 抗增大而恶化，引发包括电网电压畸变、谐波振荡等在内的一系列交互稳定问题，危及逆变 器的安全稳定运行。
[0004] 经检索，公开号为CN103475029A、申请号为201310449942.3的中国发明专利，该专 利公开了一种基于极点配置的三相LCL型并网逆变器控制系统及方法，该并网控制方法不 仅可以在弱电网条件下实现系统稳定、高质量并网，而且避免了复杂的电流控制器设计、坐 标旋转变换和解耦控制。同时，根据外部给定的无功功率给定信号，能自动调节并网电流参 考值，实现无功功率独立控制。
[0005] 上述专利在传统功率-电流控制方法的基础上，通过引入极点配置等辅助控制环 路，在一定程度抑制由电网阻抗引起的并网系统不稳定问题。然而上述专利提供的极点配 置方法需要在电网线路阻抗已知的条件下进行，一方面计算状态反馈系数过于繁琐，并且 过多的状态检测模块与控制模块增大了控制的复杂程度；另一方面，该方法抑制电网阻抗 引起的不稳定是局部的，受电网阻抗、稳态工作点影响较大。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于弱电网工况的逆变器功 率-电压控制方法，能够提高逆变器弱电网工况的运行稳定性，且本发明提出的功率-电压 控制方法结构简单，设计控制参数无需已知电网阻抗，大幅度提高并网逆变器运行的稳定 裕度，消除了其与弱电网高线路阻抗之间的谐振，因而具备更佳的电网适应性。
[0007] 为实现以上目的，本发明提供一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方 法，所述方法基于逆变器的LCL型滤波器结构，采用锁相环跟踪电网相位，以该相位为基准 控制LCL滤波电容电压的d轴分量和q轴分量，从而调节逆变器并网的功率;其中：
[0008] 所述方法在现有功率-电流控制方法的基础上，采用电压内环控制取代现有功率-电流控制方法的电流内环，以有功功率、无功功率为控制目标，采用功率外环、电压内环的 双环控制结构，所述功率外环包含有功功率控制环和无功功率控制环，所述电压内环包含d 轴电压控制环和q轴电压控制环。
[0009] 优选地，所述方法通过控制LCL型滤波器的滤波电容的电压控制并网功率，由于电 网与滤波电容之间通过电感连接，调节电容电压q轴分量控制逆变器并网的有功功率，相应 地调节电容电压d轴分量控制并网的无功功率。
[0010] 优选地，由于有功控制环、无功控制环具有相同的控制结构，所述有功功率控制 环、无功功率控制环，它们的调节器设计相同的控制参数;所述d轴、q轴的电压内环设计相 同的控制参数;所述功率外环、电压内环，它们的带宽按照1:10的关系分配。
[0011] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0012]本发明所述控制方法基于逆变器的LCL型滤波器结构，在传统功率-电流控制方法 的基础上，采用电压内环控制取代传统控制方法的电流内环，在弱电网高阻抗条件下可依 然维持LCL滤波电容电压在一定水平，从而提高逆变器弱电网工况的运行稳定性。
【附图说明】
[0013] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0014] 图1为逆变器的传统功率-电流控制结构；
[0015]图2是本发明一实施例的逆变器功率-电压控制结构；
[0016] 图3是本发明一实施例的dq坐标系下系统电压矢量图；
[0017] 图4是本发明一实施例的有功功率及无功功率控制框图；
[0018]图5是本发明一实施例的电压内环的控制框图；
[0019] 图6是本发明一实施例的锁相环的控制框图；
[0020] 图7是本发明一仿真实施例的电网变弱仿真波形图，其中：（a)功率-电流控制策 略，（b)功率-电压控制策略；
[0021] 图8是本发明一仿真实施例的弱电网下增大锁相环带宽仿真波形，其中：（a)功率-电流控制策略，（b)功率-电压控制策略。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0023]本发明所述控制方法基于逆变器的LCL型滤波器结构，主要包括外环功率控制、内 环电压控制，在逆变器传统功率-电流控制方法的基础上，采用电压内环控制取代传统控制 方法的电流内环。采用锁相环跟踪电网相位，其输出角度用作abc/dq坐标变换，以此为基准 控制LCL滤波电容的电压，从而调节逆变器并网的功率。由于电网与滤波电容之间通过电感 连接，调节电容电压q轴分量控制逆变器并网的有功功率，相应地调节电容电压d轴分量控 制并网的无功功率，从而调节逆变器并网的功率
[0024]如图1所示，为逆变器的传统功率-电流控制结构，图中分别为滤波器侧电 感、滤波电容、网侧电感;Rd为阻尼电阻;Lg为电网线路电感;Udc为直流母线电压;G lP(s)、GlQ (s)为功率环控制器，Gld(s)、Glq(s)分别为d轴、q轴电流控制器，此处均选择PI调节器。锁相 环PLL观测电网电压相位，其输出角度用作abc/dq坐标变换。
[0025] 本发明提供一种适用于弱电网工况的逆变器功率_电压控制方法，在一实施例中， 所述方法基于如图2所示的并网逆变器系统，以三相两电平桥式逆变器电路为例，不限定逆 变器具体主电路拓扑与电压等级。图中，U、C、L 2分别为滤波器侧电感、滤波电容、网侧电感； Rd为阻尼电阻;Lg为电网线路电感;Udc为直流母线电压;GuP(s)、G uq(s)为功率环控制器，Gud (s)、Guq(s)分别为d轴、q轴电压控制器，此处均选择PI调节器。此处，有功功率调节器输出作 为q轴电压的参考量，无功功率调节器输出作为d轴电压参考量。
[0026] 本发明给出功率控制环、电压控制环的传递函数框图，基于静止abc坐标系到旋转 dq坐标系的等幅值坐标变换，如图2所示电网电压4与(1轴同向，1^的(1轴分量为零，此时逆变 器输出的有功功率P、无功功率Q可分别表示为
[0029] 在电网电压Ug恒定情况下，P、Q分别与并网电流心、^间呈线性关系。
[0030] 如图3所示，dq坐标系下系统电压矢量图对一实施例所述控制方法的工作原理进 行解释。图中所选择的坐标变换为等幅值变换，由于电网电压仏与滤波电容电压U之间通过 电感连接，调节电容电压q轴分量U q控制逆变器并网的有功功率，相应地调节Ud控制并网的 无功功率。旋转dq坐标系下系统电压矢量关系如图3所示，其中旋转坐标系d轴与电网电压 矢量同方向。
[0031]如图4所示，为一实施例的有功功率及无功功率控制框图。图3中电网电压仏与d轴 同向情况下，Ug的q轴分量为零，逆变器输出的有功功率P、无功功率Q可分别表示为d轴、q轴 电流的线性函数，其中电压环控制框图如图5所示，由于有功控制环、无功控制环具有相同 的控制结构，功率调节器G P(s)、Gq(s)可设计相同的控制参数。
[0032] 如图5所示，为一实施例的电压内环的控制框图。有功功率、无功功率具有相同的 电压内环结构，依据典型系统工程设计方法设计调节器参数，功率外环、电压内环带宽按照 1:10的关系分配。
[0033] 图4、图5给出该控制方法的功率控制及电压控制框图，有功功率参考量Pref与反馈 量P之间的偏差经过有功功率调节器Gp(s)，其输出作为LCL滤波器电压q轴分量的参考量 Uqref，该参考量Uqref与反馈量Uq之差作为电压调节器GUq(S)的输入。同理无功功率参考量Qref 与反馈量Q之间的偏差经过无功功率调节器GQ(S)，其输出作为LCL滤波器电压d轴分量的参 考量Udrrf，该参考量Udref与反馈量Ud之差作为电压调节器Gud ( S )的输入。电压调节器GUq ( S )、 Gud (s)的输出经过dq/abc坐标变换作为PWM的调制信号。
[0034]如图6所示，为一实施例的锁相环的控制框图。图中，上标s、c分别表示系统和控制 器坐标系下的物理量，Gpll为锁相环调节器，0为锁相环输出角度，用作abc/dq坐标变换。图 1、图2、图6所用坐标变换矩阵为
[0036] 基于上述描述，一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法，实现步骤如 下：
[0037] S1:采用锁相环PLL观测获取电网公共连接点电压Uciabc的相位0，基于该相位，LCL 滤波器电容电压uab。经过abc/dq坐标变换为滤波器电容电压d轴分量Ud和q轴分量Uq;
[0038] S2:测量逆变器并网输出的电流igabc以及电网公共连接点的电压11。如，计算出逆变 器并网的有功功率P、无功功率Q;
[0039] S3:有功功率参考量Pref与有功功率P之间的偏差经过有功功率调节器G P(s)，功功 率调节器GP(s)输出作为LCL滤波器电压q轴分量的参考量uqref;无功功率参考量Q ref与无功 功率Q之间的偏差经过无功功率调节器GQ(s)，无功功率调节器&( 8)输出作为LCL滤波器电 压d轴分量的参考量Udref ;
[0040] S4:电压d轴分量的参考量Udref与滤波器电容电压d轴分量Ud之差作为电压调节器 Gud(s)输入，电压q轴分量的参考量Uqref与滤波器电容电压q轴分量Uq之差作为电压调节器 Guq(s)输入，基于相位锁相环相位0，电压调节器Gud(s)、Guq(s)输出经过dq/abc坐标变换作 为逆变器的PWM调制信号。
[0041] 以一台额定功率10kW的并网逆变器为例，按照上述步骤进行实施，详细介绍本发 明上述控制方法的实现;该并网逆变器相关电气参数见表1。
[0042] 表1 10kW并网逆变器电气参数
[0044] 根据图4、图5功率、电压控制框图，外环、内环控制带宽按照1:10关系分配，设计相 关控制参数如下表2所示。
[0045] 表2 10kW并网逆变器控制参数
[0048] 电网强弱按照短路比（Short Circuit Ratio,SCR)进行区分，SCR定义为电网短路 容量与所接入设备额定容量之比，通常情况下SCR值大于20的电网认为是强电网，小于6-10 的电网认为是弱电网。在本实施例所取并网逆变器额定容量为10kW的情况下，当电网线路 电感Lg等于15.4mH，对应SCR值为3，以此模拟弱电网；当L g等于2.3mH，对应SCR值为20，以此 模拟强电网。
[0049] 在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，逆变器主要电气及控制参数与表1、表2 - 致。电网变弱、锁相环带宽增大时，不同控制策略下逆变器的运行特性将直观反映在并网点 电压、电流以及锁相环输出频率上。
[0050] 1)工况1:锁相环带宽为100Hz，控制参数见表2，在0~8s电网线路电感Lg为2.3mH， 8s时Lg变为15.4mH。图7中（a)、（b)分别为逆变器在功率-电流与功率-电压控制策略下的仿 真结果。
[0051] 从工况1的仿真结果可以看出，功率-电流控制策略下的逆变器在强电网环境中可 稳定运行；随着线路电感增大，锁相环输出频率出现非周期失稳，并网点电压、电流均出现 畸变。功率-电压控制策略下，线路电感突增时锁相环输出频率短时增大，而后恢复;并网电 流经两个周期过渡到新的稳态值，由于线路电感压降增大，弱电网下并网点电压幅值也相 应增大。基于功率-电压控制策略的并网逆变器可在弱电网下稳定运行；
[0052] 2)工况2:电网线路电感1^为15.411111，锁相环带宽为100Hz，在0~8s锁相环带宽为 50Hz，8s时锁相环带宽变为100Hz。图8中（a)、（b)分别为逆变器在功率-电流与功率-电压控 制策略下的仿真结果。
[0053]从工况2的仿真结果可以看出，锁相环带宽较低时，功率-电流控制策略下的逆变 器也可在弱电网中稳定运行;随着锁相环带宽增大，其输出频率周期性振荡发散，并网点电 压、电流出现畸变，系统失稳。功率-电压控制策略下，锁相环带宽突增时其输出频率出现小 幅抖动，并网点电压、电流未出现畸变，系统始终稳定。
[0054]本发明所述控制方法基于逆变器的LCL型滤波器结构，在传统功率-电流控制方法 的基础上，采用电压内环控制取代传统控制方法的电流内环，在弱电网高阻抗条件下可依 然维持LCL滤波电容电压在一定水平，从而提高逆变器弱电网工况的运行稳定性。
[0055]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法，其特征在于，所述方法基于逆 变器的LCL型滤波器结构，采用锁相环跟踪电网相位，以该相位为基准控制LCL滤波电容电 压的d轴分量和q轴分量，从而调节逆变器并网的功率;其中： 所述方法在现有功率-电流控制方法的基础上，采用电压内环控制取代现有功率-电流 控制方法的电流内环，以有功功率、无功功率为控制目标，采用功率外环、电压内环的双环 控制结构，所述功率外环包含有功功率控制环和无功功率控制环，所述电压内环包含d轴电 压控制环和q轴电压控制环。2. 根据权利要求1所述的一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法，其特征 在于，所述方法通过控制LCL型滤波器的滤波电容的电压控制并网功率，由于电网与滤波电 容之间通过电感连接，调节电容电压q轴分量控制逆变器并网的有功功率，相应地调节电容 电压d轴分量控制并网的无功功率。3. 根据权利要求1所述的一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法，其特征 在于，所述有功功率控制环、无功功率控制环，它们的调节器设计相同的控制参数。4. 根据权利要求1所述的一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法，其特征 在于，所述d轴、q轴的电压内环设计相同的控制参数。5. 根据权利要求1-4任一项所述的一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方 法，其特征在于，所述方法实现步骤如下： Sl:采用锁相环PLL观测获取电网公共连接点电压Utiabc的相位Θ，基于该相位，LCL滤波器 电容电压Uabc经过abc/dq坐标变换为滤波器电容电压d轴分量Ud和q轴分量Uq; S2:测量逆变器并网输出的电流igabc以及电网公共连接点的电压Utiabc,计算出逆变器并 网的有功功率P、无功功率Q; S3:有功功率参考量Pref与有功功率P之间的偏差经过有功功率调节器GP(s)，功功率调 节器Gp(S)输出作为LCL滤波器电压q轴分量的参考量Uqref;无功功率参考量Qref与无功功率Q 之间的偏差经过无功功率调节器Gq(S)，无功功率调节器6(^(8)输出作为LCL滤波器电压d轴 分量的参考量Udrrf ; S4:电压d轴分量的参考量Udref与滤波器电容电压d轴分量Ud之差作为电压调节器Gud(S) 输入，电压q轴分量的参考量Uqref与滤波器电容电压q轴分量Uq之差作为电压调节器Guq(S) 输入，基于相位锁相环相位Θ，电压调节器6 11<1(8)、611(1(8)输出经过(1(1/ &1^坐标变换作为逆变 器的PffM调制信号。
【文档编号】H02J3/12GK105958548SQ201610341501
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】蔡旭, 桑顺, 高宁
【申请人】上海交通大学