基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，其内容包括：构建一台三相并网逆变器主电路系统；利用锁相环得到电网公共耦合点三相电压的相角，并生成参考电流；将逆变器侧电感电流和电网公共耦合点电压进行坐标变换，并得到αβ坐标系下的主电路模型；将αβ轴的参考电流和αβ坐标变换后逆变器侧电流进行做差，再减去/加上引入的前馈量作为误差输入；误差输入再经过多PR控制补偿器得到Upwm_αβ，再减去内环虚拟阻抗的压降得到最终的调制信号，控制三相半桥逆变器功率管的开通和关断。本发明专利技术方法通过增加前馈降低了入网电流的控制误差，提高了入网电流控制精度。

【技术实现步骤摘要】
基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法
本专利技术涉及一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，这是一种能够提高入网电流控制精度和增加系统阻尼的间接并网电流方法。
技术介绍
随着可再生能源发电技术的发展，分布式发电并网技术应运而生。目前并网逆变器多采用LCL滤波器与电网连接。LCL滤波器是一个三阶模型，对高频信号具有较强的抑制能力，但是理想的LCL滤波器是无阻尼的，如果在谐振频率处存在谐波则会引起此处的谐波放大使系统不稳定。目前针对LCL滤波器不稳定性问题大致分为两种解决方案：无源阻尼和有源阻尼。无源阻尼是在LCL上串联或者并联电阻达到增加阻尼的效果，这种方法不仅带来了额外的损耗而且灵活性不好；有源阻尼的方法比较灵活，既可以模拟无源阻尼法在LCL上串联或并联虚拟阻抗也可以采用控制方案达到增加阻尼的效果。逆变器侧电流反馈控制本质上就是在入网电流反馈基础上又增加了电容电流反馈，改变了系统闭环极点，增加了系统阻尼。传统的逆变器侧电流反馈控制，虽然增加的系统的阻尼，但是阻尼的大小不可控制且同时牺牲了入网电流的控制精度。为解决上述问题本专利技术提出了一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，不仅提高了入网电流的控制精度和降低了入网电流谐波，而且系统的阻尼系数也可以人为控制，达到最佳的阻尼。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，这是一种能够提高入网电流控制精度、降低入网电流谐波和增加系统阻尼的间接并网电流方法。在并网逆变器控制中，为保护功率开关管，一般都需要采集与功率开关管直接相关的逆变器侧电感电流，为减少传感器的使用，本专利技术采用逆变器侧电感电流反馈控制。在传统的逆变器侧电流反馈方法上，为了能够得到最优的系统阻尼而增加了虚拟阻抗，同时为了补偿入网电流控制的误差，增加了前馈补偿，提高了入网电流的控制精度。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，该方法包含以下步骤：步骤1、构建一台三相并网逆变器主电路系统；步骤2、利用锁相环得到电网公共耦合点三相电压的相角，并生成参考电流；步骤3、将逆变器侧电感电流和电网公共耦合点电压进行坐标变换，并得到αβ坐标系下的主电路模型；步骤4、将αβ轴的参考电流和αβ坐标变换后逆变器侧电流进行做差，再减去/加上引入的前馈量作为误差输入；步骤5、误差输入再经过多PR控制补偿器得到Upwm_αβ，再减去内环虚拟阻抗的压降得到最终的调制信号，控制三相半桥逆变器功率管的开通和关断。由于采用上述技术方案，本专利技术与现有技术相比具有这样的有益效果：(1)逆变器侧电流反馈与直接利用入网电流反馈相比，不仅增加了系统阻尼，而且不需要监测入网电流，减少了传感器的使用，降低了成本。(2)相比传统的逆变器侧电流反馈，本专利技术方法又增加了逆变器侧电感上的虚拟阻抗，进一步增大了系统阻尼，提高了系统的稳定性。(3)相比传统的单准PR控制只能很好的跟踪基波电流，本专利技术方法采用的多PR能够很好的抑制电网背景谐波，提高入网电流质量。(4)相比传统的逆变器侧电流反馈，本专利技术方法通过增加前馈降低了入网电流的控制误差，提高了入网电流控制精度。附图说明图1为逆变器的控制策略结构图；图2为PLL的等效框图；图3为αβ坐标系下主电路等效框图；图4为α轴闭环等效框图；图5为β轴闭环等效框图；图6为α轴闭环控制等效电路图；图7为β轴闭环控制等效电路图；图8为传统逆变器侧电流反馈入网电流仿真波形；图9为采用本专利技术控制方案时的逆变器侧电流反馈入网电流波形仿真波形。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明；本专利技术的一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，其具体步骤为：步骤1、构建一台三相并网逆变器主电路系统；其具体实施步骤如下：如图1所示，三相主电路结构主要由三部分组成：功率开关器件、LCL滤波器、网侧电抗；其中6个功率开关器件组成三相半桥结构，LCL滤波器用于滤除功率开关器件输出的高次电压谐波，网侧电抗用于模拟长距离传输的线路阻抗。步骤2、利用锁相环得到电网公共耦合点三相电压的相角，并生成参考电流；其具体实施步骤如下：由如图2所示的锁相环的具体结构，所得到的相角θPLL用于生成参考电流：(1)式中iref_α和iref_β分别为αβ轴的参考电流；iref为参考电流的有效值；θPLL为锁相环输出的相角。步骤3、将逆变器侧电感电流和电网公共耦合点电压进行坐标变换，并得到αβ坐标系下的主电路模型；其具体实施步骤如下：由于三相系统中3k次谐波含量很低，而其他次谐波的三相电压或电流的顺时值之和为零，这里k为整数；因此三相系统中实际上只有两个独立的变量，因此可以结合电机中实际存在的空间位置进行坐标变换；坐标变换一般分为等量变换和等功率变换，本专利技术涉及入网功率，因此选择采用等功率变换，有：(2)式中i1α和i1β分别为αβ坐标系下αβ轴的逆变器侧电感电流；i1a，i1b和i1c分别为abc坐标系下逆变器侧三相电感电流；(3)式中Upcc_α和Upcc_β分别为αβ坐标系下αβ轴的PCC点电压；Upcc_a，Upcc_b和Upcc_c分别为abc坐标系下PCC点电压；由上面坐标变换得到了新坐标系下的变量，从坐标变换可以看出变换过程只涉及数值上的加减，两轴之间变量并不会产生耦合，因此αβ坐标系下的主电路模型和abc坐标系下主电路模型一致，以α轴为例，分别选取电感电流和电容电压为状态变量可以得到(4)式：利用(4)式变量之间的关系可以得到αβ坐标系下主电路结构，如图3所示。步骤4、将αβ轴的参考电流和αβ坐标变换后逆变器侧电流进行做差，再减去/加上引入的前馈量作为误差输入；其具体实施步骤如下：首先用参考电流减去逆变器侧电流作为未补偿前的误差信号：(5)式中ieeα和ieeβ分别为αβ轴参考电流与逆变器侧电流之差；iref_α和iref_β分别为αβ轴参考电流给定；i1α和i1β分别为αβ轴逆变器侧电流；然后对误差信号进行补偿，补偿信号为αβ各轴的电容电流，利用PCC点电压近似得到：icα+jicβ≈sC(Ucα+jUcβ)≈-ωCUpcc_β+jωCUpcc_α(6)结合式(5)和(6)得到最终的控制器输出信号为：(7)式中ieα和ieβ分别为αβ轴控制补偿器的输入；ieeα和ieeβ分别为αβ轴参考电流与逆变器侧电流之差；Gf(s)为前馈补偿函数；Upcc_α和Upcc_β分别为αβ轴公共耦合点电压；其中Gf(s)是为了提前各次谐波：(8)式中ωcut为函数Gf(s)的带宽；ω0为锁相环所检测的角速度，C为主电路电容。步骤5、误差输入再经过多PR控制补偿器得到Upwm_αβ，再减去内环虚拟阻抗的压降得到最终的调制信号，控制三相半桥逆变器功率管的开通和关断；其具体实施步骤如下：为抑制电网背景谐波电流，补偿器需要在低次谐波处有较大的增益，因此本专利技术方法采用多PR并联的方式：(9)式中ωcut为函数GPI(s)的带宽；ω0为锁相环所检测的角速度，s为微分算子，Kr为比例系数；为了增加系统阻尼，本专利技术方法采用逆变器侧串联虚拟阻抗的方法，即在控制器的输出上再减去逆变器侧电感虚拟阻抗产生的压降：(10)式中Upwm_1和Upwm_2分别为αβ轴最终的输出调制信号；Upwm_α和Upwm_β分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：步骤1、构建一台三相并网逆变器主电路系统；步骤2、利用锁相环得到电网公共耦合点三相电压的相角，并生成参考电流；步骤3、将逆变器侧电感电流和电网公共耦合点电压进行坐标变换，并得到αβ坐标系下的主电路模型；步骤4、将αβ轴的参考电流和αβ坐标变换后逆变器侧电流进行做差，再减去/加上引入的前馈量作为误差输入；步骤5、误差输入再经过多PR控制补偿器得到Upwm_αβ，再减去内环虚拟阻抗的压降得到最终的调制信号，控制三相半桥逆变器功率管的开通和关断。

【技术特征摘要】
1.一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：步骤1、构建一台三相并网逆变器主电路系统；步骤2、利用锁相环得到电网公共耦合点三相电压的相角，并生成参考电流；步骤3、将逆变器侧电感电流和电网公共耦合点电压进行坐标变换，并得到αβ坐标系下的主电路模型；步骤4、将αβ轴的参考电流和αβ坐标变换后逆变器侧电流进行做差，再减去/加上引入的前馈量作为误差输入；步骤5、误差输入再经过多PR控制补偿器得到Upwm_αβ，再减去内环虚拟阻抗的压降得到最终的调制信号，控制三相半桥逆变器功率管的开通和关断。2.根据权利要求1所述的一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，其特征在于：在步骤1中，所述构建一台三相并网逆变器主电路系统，其具体实施步骤如下：三相主电路结构主要由三部分组成：功率开关器件、LCL滤波器、网侧电抗；其中6个功率开关器件组成三相半桥结构，LCL滤波器用于滤除功率开关器件输出的高次电压谐波，网侧电抗用于模拟长距离传输的线路阻抗。3.根据权利要求1所述的一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，其特征在于：在步骤2中，所述利用锁相环得到电网公共耦合点三相电压的相角，并生成参考电流；其具体实施步骤如下：利用锁相环所得到的相角θPLL用于生成参考电流：(1)式中iref_α和iref_β分别为αβ轴的参考电流；iref为参考电流的有效值；θPLL为锁相环输出的相角。4.根据权利要求1所述的一种基于前馈补偿和虚拟阻抗的并网控制方法，其特征在于：在步骤3中，所述将逆变器侧电感电流和电网公共耦合点电压进行坐标变换，并得到αβ坐标系下的主电路模型；其具体实施步骤如下：由于三相系统中3k次谐波含量很低，而其他次谐波的三相电压或电流的顺时值之和为零，这里k为整数；因此三相系统中实际上只有两个独立的变量，因此可以结合电机中实际存在的空间位置进行坐标变换；选择采用等功率变换，有：(2)式中i1α和i1β分别为αβ坐标系下αβ轴的逆变器侧电感电流；i1a，i1b和i1c分别为abc坐标系下逆变器侧三相电感电流；(3)式中Upcc_α和Upcc_β分别为αβ坐标系下αβ轴的PCC点电压；Upcc_a，Upcc_b和Upcc_c分别为abc坐标系下PCC点电压；由上面坐标变换得到了新坐标系下的变量，从坐标变换可以...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓寰，杨庆收，张莹，王书光，张纯江，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13