基于q軸阻抗重塑的并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定控制策略研究

摘?要：隨著可再生能源裝機(jī)容量的增加，電網(wǎng)呈現(xiàn)出大電網(wǎng)阻抗的弱電網(wǎng)特性。通常逆變器通常通過鎖相環(huán)（phaselocked?loop，PLL）獲得電網(wǎng)同步信息，為了抑制電網(wǎng)電壓的背景諧波和幅值干擾，還需要進(jìn)行電網(wǎng)電壓前饋（grid?voltage?feedforward，GVF）控制。PLL和GVF引入的負(fù)面效應(yīng)將導(dǎo)致逆變器在弱電網(wǎng)下不穩(wěn)定。因此，本文提出了一個(gè)阻抗控制器，用于在低頻段將q軸阻抗重塑為正電阻，解決了PLL和GVF造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)阻抗；電壓前饋；鎖相環(huán)

中圖分類號(hào)：TM464??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：With?the?increasing?installed?capacity?of?renewable?energy，the?gridpresents?characteristics?of?weak?grids?with?large?grid?impedance.In?general，the?inverter?often?obtains?grid?synchronization?information?by?the?phaselocked?loop（PLL）and?to?suppress?thebackground?harmonic?and?amplitude?disturbance?of?grid?voltage.the?grid?voltage?feedforward（GVF）control?is?also?needed.The?negative?effects?introduced?by?PLL?and?GVF?will?cause?the?inverter?to?be?unstable?under?the?weak?power?grid.Therefore，this?paper?proposes?an?impedance?controller?for?reshaping?the?qaxis?impedance?to?positive?resistance?in?the?low?frequency?band，solving?the?problem?of?system?instability?caused?by?PLL?and?GVF.

Keywords：Grid?impedance；grid?voltage?feedforward（GVF）；phaselocked?loop（PLL）

隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)的不斷普及，分布式發(fā)電系統(tǒng)的位置分散，長(zhǎng)距離輸電線路以及大量變壓裝置使得電網(wǎng)呈現(xiàn)較高的阻抗，表現(xiàn)為弱電網(wǎng)特性。在弱電網(wǎng)下，并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性會(huì)受到電網(wǎng)阻抗的嚴(yán)重影響。一般來(lái)說(shuō)，并網(wǎng)逆變器通常通過鎖相環(huán)獲得準(zhǔn)確的電網(wǎng)同步信息，而為了抑制電網(wǎng)電壓背景諧波，提高電流控制動(dòng)態(tài)性能，還需要進(jìn)行電網(wǎng)電壓前饋（GVF）控制。然而，已有的研究發(fā)現(xiàn)，PLL和GVF會(huì)將逆變器的q軸輸出阻抗塑造成一個(gè)負(fù)電阻，造成了逆變器在弱電網(wǎng)條件下的不穩(wěn)定。因此，本文提出了一種通過q軸阻抗重塑的并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性控制策略，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1?帶PLL和GVF的并網(wǎng)逆變器的建模

本節(jié)將依次對(duì)PLL、GVF建模以得到并網(wǎng)逆變器的整體小信號(hào)模型，為后面的穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)。

1.1?并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1是以L型濾波器為研究對(duì)象的三相并網(wǎng)逆變器及其典型的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中Vdc為直流電壓，Lc為逆變器濾波電感，ig為電網(wǎng)電流，egabc代表電網(wǎng)電壓。Igdref和igqref分別為d軸和q軸電網(wǎng)電流的參考值。Igd和igq是ig在同步dq坐標(biāo)系中的d軸和q軸分量。θ是PLL根據(jù)PCC電壓uPCCabc得到的相位。UPCCd和uPCCq是uPCCabc在同步dq坐標(biāo)系中的d軸和q軸分量。本文只分析了電網(wǎng)阻抗的電感分量Lg，它決定了并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。

對(duì)并網(wǎng)逆變器的q軸輸出阻抗進(jìn)行建模，帶有數(shù)字控制器的并網(wǎng)逆變器的q軸控制框圖如圖2。

比例積分（PI）控制器通常被用于電流調(diào)節(jié)器。PI控制器的離散化策略是Tustin變換，它給出了轉(zhuǎn)移等效的離散時(shí)間電流控制器的函數(shù)為：

PI（z）=KP+Kl+Gint（z）（1）

其中KP和KI分別是PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。Gint（z）代表一個(gè)離散的積分器，其表達(dá)式為：

Gint（z）=Ts2（z+1）（z－1）（2）

其中，Ts是逆變器的采樣周期。

1.2?PLL的建模

PLL的輸出閉環(huán)傳遞函數(shù)：

GPLL（z）=Δθ（z）ΔuPCCq（z）=GPLL_PI（z）Gint（z）1+GPLL_PI（z）Gint（z）UPCCd（3）

其中θ表示PLL的輸出角度，GPLL_PI（z）表示PLL的PI調(diào)節(jié)器，其表達(dá)式為：

GPLLPI（z）=KPLLP+KPLLIGint（z）（4）

其中KPLL_P和KPLL_I分別是GPLL_PI（z）的比例系數(shù)和積分系數(shù)。UPCCd表示d軸PCC電壓的幅值。

1.3?GVF的建模

GVF的小信號(hào)模型：PCC電壓通過GVF傳輸后，其d軸和q軸電壓分量經(jīng)歷了PLL的角度變換。因此：

ΔuPCCd_PLL（z）

ΔuPCCq_PLL（z）=1－UiqGPLL（z）

0Gf（z）［1－UPCCdGPLL（z）］ΔuPCCd（z）

ΔuPCCq（z）

=HVPLLΔuPCCd（z）

ΔuPCCq（z）（5）

其中HVPLL是小信號(hào)擾動(dòng)的矩陣模型。

ΔuPCCd_PLL（z）和ΔuPCCq_PLL（z）分別代表PCC電壓在PLL?dq坐標(biāo)系中的d軸和q軸。ΔuPCCd（z）和ΔuPCCq（z）分別代表PCC電壓在逆變器dq坐標(biāo)系中的d軸和q軸。

1.4?整體小信號(hào)模型

逆變器的整體q軸小信號(hào)模型如圖3所示。在圖3中，GINV（z）代表的是離散化模型。L型濾波的并網(wǎng)逆變器其表達(dá)式為：

GINV（z）=TsLc（z－1）（6）

逆變器的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以表示如下：

Gcl（z）=igq（z）igqref（z）=z－1PI（z）GINV（z）1+z－1PI（z）GINV（z）（7）

因此，逆變器Yoq（z）的q軸輸出導(dǎo)納可由圖3表示為：

Yoq（z）=1Zoq（z）

=－igq（z）uPCCq（z）

=Gcl（z）z－1PI（z）YINV（z）－Gcl（z）GPLL（z）Igd+UidPI（z）YINV（z）

－Gcl（z）PI（z）Gf（z）1－GPLL（z）UPCCdYGVF（z）

=YINV（z）+YPLL（z）+YGVF（z）（8）

其中YPLL（z）表示由PLL引入的q軸輸出導(dǎo)納，YGVF（z）表示由GVF引入的q軸輸出導(dǎo)納，YINV（z）表示不考慮PLL和GVF的逆變器輸出導(dǎo)納。

由（8）可知，YPLL（z）和YGVF（z）通過閉環(huán)傳遞函數(shù)GPLL（z）耦合，因此，PLL的PI參數(shù)值會(huì)影響PLL和引入逆變器的GVF的q軸輸出阻抗，從而進(jìn)一步擴(kuò)大逆變器q軸輸出阻抗在低頻段的負(fù)阻區(qū)域，逆變器的穩(wěn)定性將受到進(jìn)一步影響。

2?擬定的穩(wěn)定性控制策略

本文提出了一種考慮GVF的弱電網(wǎng)下變頻系統(tǒng)的新型穩(wěn)定性方案。該方案的原理是通過改變逆變器q軸電壓前饋傳遞函數(shù)從Gf（z）到Gf_Pro（z）來(lái)抵消PLL和GVF的輸出導(dǎo)納，從而消除PLL和GVF引入的負(fù)電阻特性對(duì)逆變器穩(wěn)定性的影響。圖4展示了所提方法應(yīng)用的原理框圖。

首先，使PLL和GVF的輸出導(dǎo)納相互抵消，因此：

YPLL（z）+YGVF（z）=0（9）

將YPLL（z）和YGVF（z）代入（9）解得Gf_Pro（z）的表達(dá)式為：

Gf_Pro（z）=GPLL（z）IgdPI（z）+UidGPLL（z）UPCCd－1（10）

將式（1）、式（3）和式（4）代入式（10），Gf_Pro（z）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

Gfpro（z）=－IgdPI（z）+UidGPLLPI（z）Gint（z）

=－αGint（z）+βG2int（z）+γG3int（z）（11）

其中：

α=（KPIgd+Uid）KPLL_P

β=（KPIgd+Uid）KPLL_I+KIIgdKPLL_P

γ=KIIgdKPLL_I（12）

（12）中的參數(shù)可以分為兩類：第一類是電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器和PLL的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，它們是固定值；第二類是逆變器的工作點(diǎn)Igd和Uid，它們?cè)谶\(yùn)行過程中不斷更新。事實(shí)上，Uid是d軸調(diào)制電壓的幅值，它與Igd的值有關(guān)，并滿足下列條件：

Uid=?U2PCCd+（ω0LcIgd）2（13）

3?仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文理論分析的正確性與所提控制策略的合理性，利用Matlab軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。得到了圖5采用擬定控制策略的q軸輸出阻抗Zoq（z）的波德圖。從圖5可以看出，逆變器q軸輸出阻抗在低頻段的負(fù)阻特性完全消失，說(shuō)明所提出的控制策略消除了由PLL和GVF引入的不穩(wěn)定特性。

結(jié)語(yǔ)

本文分析了弱電網(wǎng)下的并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PLL和GVF帶來(lái)了系統(tǒng)中的負(fù)阻區(qū)域。為了解決PLL和GVF造成的不穩(wěn)定問題，本文提出了一種通過q軸阻抗重塑的并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性控制策略，直接將q軸電壓加到傳輸環(huán)節(jié)的q軸電流調(diào)節(jié)器輸出，抵消了PLL和GVF對(duì)并網(wǎng)逆變器的輸出阻抗的影響。最后，通過仿真驗(yàn)證了本文理論分析的正確性和所提控制策略的有效性。

參考文獻(xiàn)：

［1］張燁，田慕琴，宋建成，等.弱電網(wǎng)下計(jì)及鎖相環(huán)影響的并網(wǎng)逆變器輸出阻抗重塑［J］.高電壓技術(shù)，2021，47（11）：40334044.

［2］徐海亮，張偉杰，林鴻彬.一種提高并網(wǎng)逆變器無(wú)源性的阻抗重塑方法［J/OL］.電源學(xué)報(bào)，2022：115［20230506］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.TM.2022090?8.1534.006.html.

［3］郭學(xué)迪.基于有源阻尼器的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)諧振抑制方法［D］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2022.

［4］高家元，肖凡，姜飛，等.弱電網(wǎng)下具有新型PLL結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)逆變器阻抗相位重塑控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2020，40（20）：66826694.

作者簡(jiǎn)介：劉振武（1988—?），男，漢族，江蘇徐州人，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。