光伏并网逆变器的复合控制研究.pdf
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1、101中 国 设 备 工 程C h i n a P l a n tE n g i n e e r i n g中国设备工程 2023.09(上)1 前言作为一种清洁无污染的可再生能源,光伏受到了世界各国的广泛关注。但风能具有间歇性、随机性和不可调控性等特点,大量的风光并网对电力系统的安全稳定运行提出了挑战。同时由于我国风光装机主要在远离用电中心的偏远地区,风光需要长距离传输,此时,电网线路阻抗不可忽略,电网呈弱电网特性。弱电网下,并网点处电压、电流谐波将被进一步放大。为了满足GB/T 14549-1993对新能源并网的谐波含量要求,需要采取措施降低并网电流的谐波含量,而对于并网电流谐波的抑制,主
2、要通过并网逆变器的控制策略来实现,因此,有必要对并网逆变器在弱电网下的控制策略进行深入研究,提高风电并网的电流质量和稳定性。当前,已有多种控制器用于并网逆变器的控制中,如比例积分控制器(PI)、比例谐振控制器(PR)、重复控制器(RC)等。受到控制增益的限制,PI 控制在 a,b坐标系下的跟踪精度低,控制误差大。因此,文献 2提出旋转坐标系下的 PI 控制策略,提高控制系统的跟踪精度,但是在旋转坐标系下研究、设计并网逆变器的控制策略需要进行复杂的解耦变换,这无疑增加了控制策略的复杂性。PR 控制器可以在其谐振频率处提供较大的增益,因此可以对其谐振频率的谐波进行准确跟踪与抑制,但在系统含有多个需
3、要抑制的谐波时,就需要增加谐振控制器的并联个数,这也是当前常用的比例多谐振控制策略。很明显,这种方法的最大缺陷就是数字实现和参数设计的难度随控制精度的增加而增加。RC 基于内模原理,在电网基波及其基波整数倍的谐波频率处具有极高的增益,理论上可以对这些周期信号实现无稳态误差跟踪,且 RC 的结构简单,数字实现以及参数设计也更为容易,适用于弱电网环境下并网逆变器的控制,弱电网的阻抗分析采用的双谐波检测。然而,RC 固有一个基波周期的延迟,动态响应速度慢,为了提基金项目:四川省重点研发项目(2022YFG0300):光伏发电并入弱电网的交互建模方法与适应性控制策略研究。光伏并网逆变器的复合控制研究李
4、林,任晓娜,宋培武,严新发(成都纺织高等专科学校电气信息工程学院,四川 成都 611731)摘要:介于弱电网以及大量非线性负载带来的新能源并网电流质量问题,采用了一种用于光伏并网的LCL型并网逆变器比例谐振(PR)并联重复控制(RC)的复合控制策略。通过并联结构减小 RC 固有的一个基波周期延迟的影响,提高系统动态性能。通过 RC 在基波及基波整数倍谐波频率处的无穷大增益,实现对并网电流谐波的零稳态误差跟踪,抑制并网电流谐波,提高并网电流质量。给出系统稳定性条件,依据稳定性条件提出复合控制策略各个参数的具体设计方法,并对所采用的控制策略在弱电网下的稳定性进行理论分析。最后,通过仿真验证了该复合
5、控制策略在弱电网下的可行性与有效性。关键词:弱电网;并网逆变器;重复控制;谐波中图分类号:TM464;TM615 文献标识码:A 文章编号:1671-0711(2023)09(上)-0101-04高 RC 的动态性能,其常与其他控制器并联使用,形成复合控制策略。为了提高新能源并网的并网电流质量和系统的稳定性,本文采用一种 PR 并联 RC(PRRC)的复合控制策略,通过 PR 在其谐振频率处的极大增益实现对动态过程中的周期信号的精准跟踪。稳态过程通过合理设计 RC的各个参数实现对并网电流谐波的抑制。最后,通过MATLAB/Simulink 以及实验室搭建的并网逆变器实验平台对本文所提控制策略在
6、弱电网下的可行性与适用性进行仿真与实验验证。2 PR 并联 RC 控制策略2.1 新能源并网逆变系统图 1 给出光伏并网逆变器的具体结构及控制方案。V 为直流输入电压;C 为滤波电容,L1和 L2为滤波电感;Zg为电网阻抗;iL、ig、ic分别为逆变器侧输出电流,并网电流和电容电流,vc、vpcc、vg分别为电容电压,公共耦合点处电压和电网电压;PLL 为锁相环,提取与 vpcc同步的相位角;Iref为并网电流参考幅值,iref为并网电流参考信号,GCFAD 为并网电流反馈有源阻尼,用于衰减 LCL 滤波器固有的谐振尖峰。图 1 并网逆变器结构及控制方案2.2 PRRC 控制策略图 2 所示为
7、并网逆变器的控制框图,其中,Gi 为设备9上.indd 1012023/8/30 14:32:25102研究与探索Research and Exploration 工艺流程与应用中国设备工程 2023.09(上)电流控制器的传递函数;kpwm为逆变桥等效增益;H 为GCFAD 的系数。GCFAD 在 s 域的表达式为:()cck sH ss=+(1)由式(1)可知,GCFAD 的反馈系数实则为一个高通滤波器,其中 kc为高通滤波器的增益,c为截止频率。LCL 滤波器在 s 域的传递函数 GLCL(s)见式(2):312121()()LCLGsL L CsLL s=+(2)图 3 为图 2 在
8、z 域的等效变换,本文采用 PR 并联RC 的控制策略,Gpr 为 PR 的传递函数,Grc 为 RC 的传递函数。图 3 并网逆变器在 z 域的控制框图图 3 中,E(z)为电流误差信号,Q(z)是为了提高RC 的稳定性而引入的项,/sNff=为 RC 的阶数;Gc为 RC 的补偿器,用于补偿 RC 等效被控对象的幅值与相位,离散域下 RC 的传递函数如下:()()1()NrccNzGzG zzQ z=(3)P0(z)为 PR 和 RC 在 z 域的被控对象,其具体传递函数如式(4)。0()()()1()()()pwmdLCLpwmdLCLKGz GzP zKGz Gz H z=+(4)3
9、PRRC 的参数设计3.1 PR 和 GCFAD 的参数表 1 给出并网逆变系统以及除 RC 以外其余控制器的各个参数,其中,PR 以及 GCFAD 的控制参数依据给出的设计原理得出。3.2 RC 的参数设计在设计 RC 的参数前,先给出系统稳定性条件。根据图 4 可得系统闭环传递函数,见式(5)。由图 4 可得误差 e(z)的表达式为:01()()1()()()refrcpre zizP zGzGz=+(5)将 Grc的表达式代入式(5),整理可得:0000001()()()1()()()()()()()()1()1()()()()1()()1()()NrefNprcprNprrefNcpr
10、Q z zize zGz P zzQ zG z P zQ z Gz P zQ z zGz P zizP zzQ zG zGz P z=+=+(6)记00()()1()()prP zP zGz P z=+,P(z)也是 RC 的等效被控对象,Gc=krzmS(z),由式(6)可得闭环系统的特征方程:()1()()()NmrG zzQ zk z S z P z=(7)根据控制系统稳定理论,当闭环系统特征方程的 N个根都位于以原点为中心的单位圆内,可判定其是稳定的,但 N 往往都比较大(在本文中 N=240),难以采用常规的稳定性判据来判断系统的稳定性,用 ejwTs替代 z,结合(7)可以利用小增
11、益原理推导出系统稳定的一个充分条件:()()()()10,/sssssj Tj Tj mTj Tj TrsG eQ ek eS eP eT=(8)因此,在 从零频率增加到奈奎斯特频率(1/2 采样频率)的整个过程中,G(ejwTs)的轨迹不超过单位圆,就可保证系统是稳定的。(1)设置 Q(z)。Q(z)是为了提高 RC 的稳定性而引入的项,可以是略小于 1 的常数,也可以是零相移低通滤波器。为了简化参数设计,本文取 Q(z)为略小于1 的常数。当 Q(z)为常数时,其值越小,整个控制系统的稳定性越好,但系统稳定性的提高却是以牺牲 RC的零稳态误差跟踪特性为代价,降低了 RC 的控制精度。因此,
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