LCL型逆变器并网适应性主动提升控制系统.pdf

ElectricalAutomation73AutomaticControlSySystem&Equipment自动控制系统与装置电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期LCL型逆变器并网适应性主动提升控制系统史沁鹏，王亮，贾江涛，张楠（中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京10 0 12 0）摘要：为提升LCL型逆变器在不同电网短路比下的并网适应性，通过阻抗分析方法，揭示了LCL型逆变器系统在低电网短路比工况下的不稳定机理。提出了一种基于并网电流反馈的虚拟阻抗控制策略，有效改善了LCL型逆变器输出阻抗在面对不同电网短路比下的阻抗稳定裕度。所提出的控制策略在实现方法上仅需引人一个高通滤波器，具有实现简单、抗噪声能力强等特点。最后基于所搭建的5kW单相LCL型并网逆变器样机，充分验证了所提控制系统对于提升LCL型逆变器并网适应性的正确性和有效性。关键词：并网适应性；并网逆变器；虚拟阻抗；电网短路比；稳定性分析；相位补偿；控制策略D0I:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.023中图分类号TM614文献标志码A文章编号10 0 0-38 8 6（2 0 2 3)0 4-0 0 7 3-0 4LCL Inverter Grid-connected Adaptive Active Lifting Control SystemShi Qinpeng,Wang Liang,Jia Jiangtao,Zhang Nan(North China Power Engineering Co.,Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Bejing 100120,China)Abstract:In order to improve the grid-connected adaptability of LCL-type inverters under different grid short-circuit ratios,the instabilitymechanism of LCL-type inverter systems under low grid short-circuit ratios was first revealed through impedance analysis.A virtualimpedance control strategy based on grid-connected current feedback was proposed,which effectively improved the impedancestability margin of the LCL inverter output impedance in the face of different grid short-circuit ratios.The proposed control strategyonly needed to introduce a high-pass filter in the implementation method,and had the characteristics of simple implementation andstrong anti-noise ability.Finally,based on the built 5 kW single-phase LCL grid-connected inverter prototype,the correctness andeffectiveness of the proposed control system for improving the grid-connected adapt ability of the LCL inverter were fully verified.Keywords:grid-connection adaptability;grid-connected inverter;virtual impedance;grid short circuit ratio;stability analysis;phasecompensation;control strategy0引言随着分布式电源接人电网的增多，高渗透率的电网越来越呈现短路比下降的特征，即电网电压背景谐波大且电网阻抗不可忽略。为了抑制电网电压背景谐波的影响，电网电压前馈控制被广泛应用于单相或三相并网逆变器系统2。在电网短路比较大（即强电网条件下），电压前馈控制不仅能够很好地抑制背景谐波，同时还能有效地改善动态性能3。然而，在电网短路比下降（即弱电网条件下），电压前馈会在逆变器控制环路中引人一条正反馈通路，从而恶化系统稳定性4-5。为了提升并网逆变器在不同电网短路比下的并网适应性和稳定性，有诸多方法被提出，大致可以分为三类：在电流控制环路中引人额外的补偿环节、改变电压前馈通路以及引入虚拟阻抗。其中，文献6-7 分别在电流环中引人窄带滤波器和超前滞后补偿环节来提升阻抗交截点处的相角裕度，这些方法能够有效改善稳定性，但是电流和补偿环节相互影响，其参数设计变得尤为复杂。文献8 提出自适应电压前馈的控制方法来提高相角裕度，但是这类方法的有效性受限于电网阻抗的精确估算，在一些背景谐波很大的实际电网中，很难精确估算电网阻抗。文献910 提出定稿日期：2 0 2 2-0 1-2 1基金项目：国网总部科技项目（52 46 0 8 192 2 0 4）虚拟阻抗控制策略来改善系统鲁棒稳定性，然而，文献中所提到的方法均需要在反馈回路中引入高阶微分环节，这些高阶微分环节会引人额外的噪声，影响并网电流的质量。因此，尽管能够提高稳定性，现有的方法仍具有实现复杂、依赖于实际电网阻抗估算和抗噪声能力弱等缺点。本文通过阻抗分析方法，指出在电网短路容量相对较小时，电网电压前馈带来的系统不稳定工作机理。基于此，提出一种基于并网电流反馈的虚拟阻抗控制系统，并同时引人相位超前补偿环节以补偿电压前馈引人的输出阻抗相角滞后，有效改善了并网逆变器在各种电网短路比条件下的并网适应性和系统稳定性。最后通过5kW试验样机验证了本文所提出LCL型逆变器并网适应性提升控制策略的有效性和正确性。1LCL型并网逆变器稳定性分析1.1输出阻抗建模图1分别给出了单相LCL型并网逆变器拓扑及其控制框图。图1（a)中：L、L,分别为机侧和网侧的滤波电感；C,为交流滤波电容，当电网短路比较小时，电网可用理想电网电压源u串联电网阻抗Z.模拟；Upcc为公共连接点PCC的电压。图1（b）中：G（s）为电流外环PI调节器；KpwM为PWM增益；Hi为电容电流反馈系数；G(s）为电网电压前馈系数；irer（s)为参考电流峰值。74ElectricalAutomationAutomaticControlSSystem&Equipment电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期自动控制系统与装置十Q本LL2+VinynVpCCQ3Q4(a)单相LCL型并网逆变器拓扑G(s)/sL1/sL2Hie（b）控制框图图1单相LCL型并网逆变器及其控制框图根据控制框图等效变换，可以将并网电流（s）表示为Upcc(s)pcc(s)i(s)=i.(s)(1)Z.(s)Z,(s)式中：i（s）为等效受控电流源；Z。（s)为未加前馈时逆变器的输出阻抗;Z,(s)为由电压前馈引人的阻抗。其中Z。（s）和Z,（s）表示式为：G,(s)+KpwmG,(s)Z.(s)L,Cfs+H,KpwMCs+1(2)G(s)+KpwMG,(s)Z(s)KpwMCs其中：G,(s)=L,L,C,s+H,KpwmL,C,s?+(L,+L,)s(3)通过以上的建模分析，可以得出并网逆变器的等效电路，如图2 所示。虚框部分可视为输出阻抗Z。（s）和Z（s）并联，即：Z.(s)Z,(s)Z。Z.(s)+Z,(s)(4)此处可定义Z。（s）为加人电压前馈后的逆变器等效输出阻抗。1.2系统稳定性分析并网逆变器由阻抗稳定性判据进行系统稳定性分析。根据该判据，可将并网逆变器系统分为两部分：并网逆变器子系统和电网子系统。通过检验逆变器输出阻抗Z。（s）与电网阻抗Z。（s)两者的阻抗比Z。（s)/Z。（s）是否满足奈奎斯特稳定性判据，即可判定系统是否稳定。换言之，在逆变器输出阻抗Z。（s）与电网阻抗Z。（s）相交截的频率f处，其相角裕度PM必须保证为正值。考虑到电网中的阻尼对稳定性有利,最恶劣的情况对应于电网阻抗为纯感性，此时电网阻抗的相角为90，从而有相角裕度表达式为：PM=90+argZ。(j 2 m f.)(5)Zoeg(s)Zg(s)i(s)S）PCC.(s)Z(s)图2单相LCL型并网逆变器等效电路式(5)表明，相角裕度由逆变器输出阻抗在交截频率点处的相角决定。要改善稳定性，就需要尽可能地提升逆变器输出阻抗在交截频率点处的相角。从以上分析可知，加入电压前馈，相当于在原逆变器输出阻抗Z。（s)上并联一个额外的阻抗Z（s）。联立式（2）、式（4)可得加入电压前馈后的逆变器等效输出阻抗表达式，如式（5）所示。Z,(s)Zoeg(s)=Z。(Z。(s)G,(s)(6)Z.(s)+Z,(s)其中：1G(s(7)L,C2+H,KpwMCfs图3为阻抗Z。（s）和Z。g（s)的幅频特性曲线。图3表明：在低频段，Z。的幅值大于乙。，意味着电压前馈引人有利于抑制低频谐波；随着电网阻抗L。增大，逆变器等效输出阻抗Z。e 与电网阻抗Z,交截频率f.和相角裕度PM也随之减小。由阻抗稳定性判据可将图3清晰地划分出并网逆变器工作的不稳定区域：由电压前馈引入的不稳定区域主要位于低频段，此时交截频率点位于临界稳定频率f,以下，此时相角裕度PM为负值。100NN80稳定边界60-8P/早q4020-0-20L,增大138（。）/胖900PM,0-90KPM,0-180110102103104J/Hz图3Z.s）和Z。（s)的幅频特性曲线需要指出的是，本节在关于并网逆变器的阻抗建模与系统稳定性分析中并未考虑到数字控制的延迟环节对模型精确性的影响。数字控制延迟影响与逆变器开关频率呈反比，开关频率越高，数字控制延迟对控制影响的效果越小。故在单相中小功率高开关频率并网逆变器应用场景下，后续讨论中暂且忽略数字控制的延迟环节对控制系统的影响。2基于并网电流反馈的虚拟阻抗控制系统根据上述分析可知，电压前馈引人了很大的滞后相角，从而导致相角裕度急剧下降造成逆变器并网系统的不稳定性。因此，本文提出一种基于并网电流反馈的虚拟阻抗控制策略，即通过构建并网电流前馈通路，并引人相位超前环节来补偿逆变器输出阻抗滞后相角，以提升LCL型逆变器在不同电网短路比情况下的并网适应性和工作稳定性。本文所提出的虚拟阻抗控制系统如图4所示。图4所显示的并网电流反馈通路（虚线框）中，虚拟阻抗Z,（s）及超前相位补偿传递函数G,（s）表示为：ElectricalAutomation75下转第7 8 页）AutomaticControlSystem&Equipment自动控制系统与装置电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期G(s)Si.(s)G()1/sL,1/sLSCZ.(s)G,(s)Hie图4虚拟阻抗控制系统框图Z,(s)=sL,L,Cs+H,KpwMCs+1(8)G,(s)KpWM令所引人的反馈支路传递函数定义为G（s），从而有：LCs+H.KpwMCs+1Gm(s)=Z,(s)G,(s)KpwM(9)由式(9)可以看出，所提出的反馈传递函数G（s)存在多个微分项，在实际系统中会放大采样电流的噪声，从而影响并网电流质量。结合表1所示的并网逆变器参数，且考虑是在低频段，传递函数G（s）可近似表示为：L,C,s?+H,KpwMCs+1G,(s)KpwM二7.5 109s2+1.08 10*s+11(10)KpWMKpwM为了进一步抑制虚拟阻抗Z，（s）所含有的微分环节对控制环路的影响，继续引人低通滤波器G,（s）,因此,联立式（8）最终有反馈支路传递函数G%（s）为：SL,Gh(s)=Z,(s)G,(s)Gp(s)KpwMOip+s(11)式中：l为低通滤波器的转折频率。当采用改进的虚拟阻抗控制策略时，反馈支路的传递函数CG%（s)表征为高通滤波器的特性。相比较多个微分项反馈的控制策略，本文所提出的基于并网电流反馈的虚拟阻抗控制方法具有实现简单、抗噪声能力强和不受主电路参数影响等优点。3试验验证为验证控制系统的可行性，在实验室搭建了一台5kW单相LCL型并网逆变器试验样机。为抑制锁相环对稳定性带来的影响，将锁相环带宽设计为2 0 Hz。同时，电流环带宽设计成1.1kHz,相角裕度48 从而保证良好的动态性能与稳定性。主电路及控制参数如表1所示表1逆变器参数参数数值参数数值额定功率P。/k W5PWM增益400直流电压/V400电流调节器K,0.018机侧滤波电感L,/mH0.75电流调节器K,30网侧滤波电感L/mH0.35电容电流反馈因数H0.027开关频率/kHz20滤波电容C/uF10在本文中，为保证良好的抗噪声能力，将低通滤波器的转折频率设计为2.5kHz。一般并网逆变器需要保证在电网短路比为3的弱电网条件下稳定工作。此时，电网阻抗变化范围为03.2mH。为保证电网阻抗在该范围内变化时，并网逆变器输出阻抗与电网阻抗交截频率处的相角裕度始终不低于30，从而有最小的虚拟阻抗值,为8 40 H。引人虚拟阻抗后，逆变器等效输出阻抗Z（s）与电网阻抗的幅频特性曲线如图5所示。图5可以看出，在电网阻抗为3.2 mH,即电网强度最弱条件下（短路比为3)时，相角裕度依然能够保证在30。因此，并网逆变器在本文所提出的虚拟阻抗控制策略下依然能够稳定工作。10080NN60AP/早eq40200-20L=3.2 mH-40180（。90-90FPM=300-180l10102103104J/Hz图5等效输出阻抗频率特性曲线图6 分别给出电网阻抗为3.2 mH时，并网逆变器在加人虚拟阻抗控制策略前后的试验结果。从图6（a）可以看出：当前电网短路比下，未加入虚拟阻抗控制策略时,PCC点电压Upcc和并网电流i出现较明显畸变，系统甚至发生谐波振荡。40080300PCC6020040100入/审2000-100-20-20040-300-60-400-80t/ms(10 ms/格)（a）未加入虚拟阻抗控制40080300VpCC6020040入/审10020V/申0-100-20-200-40-300-60-400-80t/ms(10 ms/格）)（b）加入虚拟阻抗控制图6引入虚拟阻抗前后的系统试验波形78ElectricalAutomation本AutomaticControlSystem&Equipment自动控制系统与装置电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期120010008006004002000推出滑出进跑道起飞落地脱离进停开车等待跑道机位管控指令图4管制指令数据分布在训练过程中，SCD算法参数为:=0.9,学习率=110-2。模型训练结果如图5所示，在经过2 0 0 轮的训练之后，训练误差收敛至2.32%，使用测试集进行验证，测试误差为2.45%。仿真结果可验证该管制信息抽取模型的有效性。1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10050100150200训练次数/次图5模型训练结果4丝结束语文提出一种基于SAN和LSTM网络的管制信息抽取模型（上接第7 5页）当加入虚拟阻抗控制系统后，在相同电网阻抗条件下，并网电流的THD得到明显改善,如图6(b)所示。试验结果验证了所提出的虚拟阻抗控制策略对于提高LCL型逆变器系统在弱电网条件下并网适应性、工作稳定性和有效性。4绍结束语（1）当电网短路容量相对较小时，传统电网电压前馈控制引人的不稳定区域主要位于低频段，严重影响了LCL型逆变器的并网适应性和系统控制稳定性。（2）提出一种基于并网电流反馈的虚拟阻抗控制系统，并通过在低频段引入超前相角以补偿电压前馈引人的相角滞后（3）5k W单相LCL并网逆变器原理样机试验充分验证了本文所提出的控制策略的有效性和正确性。后续拟进一步针对数字控制的延时环节和不同电网电压前馈比例因数等因素，对所提出的LCL型并网逆变器虚拟阻抗控制系统的适应性进行深人分析和研究。参考文献：【1】陈新，韦徽，胡雪峰，等三相并网逆变器LCL滤波器的研究及新型有源阻尼控制J.电工技术学报，2 0 14，2 9（6）：7 1-7 9.【2 李建文，阮筱菲，李永刚，等。弱电网下多LCL型并网逆变器谐振模态分析J太阳能学报，2 0 2 1，42（2）：346-355.表1训练参数参数数值参数数值批次大小16学习率1 10-2输入句子长度40随机丢弃率0.1在管制指令结构受随机扰乱，信息间依赖距离增加的情况下，仍能精准抽取管制信息。该模型可辅助空管系统解析管制指令，为管制辅助决策和场面冲突告警等应用提供有效支撑参考文献：【1王爱国陆空通话与飞行安全J：中国民用航空，2 0 0 6（1）：6 9-70.【2 陈亚青，蒋豪，韩丹管制指令语音识别在模拟飞行界面的实现J.计算机系统应用，2 0 16，2 5（11）：2 6 5-2 6 9.【3李春利，董冠灵，郭倩：基于HMM的空管指令语音识别研究C】/智能运输系统学术研讨会，天津：2 0 0 7.【4杨金锋，卢薇冰，贾桂敏，等基于深度卷积神经网络的陆空通话语义一致性校验J中国民航大学学报，2 0 18，36（1）：37 41.5 LU Y J,SHI Y H,JIA G M,et al.A new method for semanticconsistency verification of aviation radiotelephony communication basedon LSTM-RNN C.IEEE International Conference on Digital SignalProcessing(DSP),2016:422-426.6 JIAG M,LU Y J,LU W B,et al.Verification method for Chineseaviation radiotelephony readbacks based on LSTM-RNNJ.ElectronicsLetters,2017,53(6):401-403.【7 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