基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法技术方案

本发明专利技术公开了基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法，当逆变器并网运行时，由于电网的频率突变使逆变器输出畸变使谐波失真继而出现电流震荡的情况，在此种情况下，系统的不稳定性会对用电设备、逆变器模块本身产生很大影响，为了满足市场需求，实现电网频率在更宽范围(45Hz‑55Hz)内突变，逆变器系统具有良好稳定性，本发明专利技术在考虑了电网频率突变的前提下，提出了宽范围频率自适应控制(Frequency Adaptive)策略，以实现系统稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法
本专利技术属于电气控制领域，尤指一种基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法。
技术介绍
随着传统化石能源的日益枯竭，光伏发电、风力发电等新能源发电系统异军突起，成为近年来研究的热点。新能源发电系统通常经逆变器接口实现并网运行，为提高逆变器入网电流的电流质量和系统稳定性，根据不同电网状态及电网频率突变情况，合理设计逆变系统控制方案具有重要的意义。单相并网逆变器使用电流环控制方式，对于电网频率突变的情况，国内外学者有过深入研究，但是通常情况下，电网频率在49.5HZ-50.5HZ之间变化，保持45HZ-55HZ之间宽范围的电网频率变化，很少有人涉及。大部分学者使用重复控制对电网频率自适应，如：2020年李伟峰等人在《电力系统保护与控制》上发表的：“新型频率自适应复合重复控制及并网逆变器应用”及2017年陈磊等发表的“LCL型并网逆变器新型频率自适应重复控制方法”均使用了重复控制，而这种方法通常会使控制系统性能下降，因为取值参数精度限制，使重复控制内模的谐振频率偏离电网基波和谐波频率的实际值，同时控制复杂且大大增大程序内存，需要内模滤波器提高鲁棒性，一般使用低通滤波器或低通滤波器和陷波滤波器的合成、抑或巴特沃斯滤波器抑制高频谐波，且用巴特沃斯滤波器一般使用2阶以上，由于使用了滤波器对相位的影响，需要额外设计相位超前补偿器来补偿低通滤波器引起的相位滞后等问题。
技术实现思路
综合考虑以上问题，本专利技术在考虑了更宽的电网频率(45HZ-55HZ)波动范围的前提下，使用了简单的二阶低通滤波器，巧妙的运用了二阶低通滤波器本身具有滤波功能及相位延时，避免使用二阶低通滤波器后的相位补偿环节，同时使形成的β坐标系具有不受外界电网谐波的影响，避免q轴锁相后将电网谐波影响到锁相后的相角，只是用了查表与曲线拟合相结合的方式，提高精度，将β坐标系准确拟合，有效解决了电网频率突变引发的输出电流震荡问题，真正意义上实现频率自适应。1.1并网逆变器阻抗建模根据图1中，通过对电网电压Vpcc采样后锁相处理,锁相环采用传统的PLL，使用拟合的β坐标系，进行dq变换后，以0为基准q轴值为采样进行闭环，得到电网角频率wt，而后使用获得的角频率wt对输出电流采样i2进行αβ--dq变换，将d轴电流采样i2d与电流基准i2*作比较，将q轴电流采样i2q与电流基准0作比较，分别经过比例积分调节器(PI调节)后将PI调节后输出作为电容电流ic内环基准，对电容电流采样做dq变换后得到icd、icq，分别与电容电流内环基准作比较进行比例(P)调节，最后进行dq--αβ反变换后，与PWM比较后形成占空比驱动开关管，整个过程实现了输出电流外环电容电流内环的闭环处理，内环使用电容电流内环的有源阻尼方案目的是：增大逆变器阻尼。将电网电流外环电容电流内环双闭环环路进行模型化处理，构建网逆变器小信号模型，可以推导出开环传递函数T、闭环传递函数GCL及闭环输出导纳YCL如公式1、2、3所示：其中为输出电流，i2*为输出电流基准，Vpcc为电网公共耦合点电压，逆变器电压为VM，使用PI调节器Gc(s)进行电流环控制，Gd(s)为逆变器增益，K是电容电流内环的有源阻尼，ZL1、ZCf、ZL2分别为LCL滤波器逆变器侧电感L1及其寄生电阻R1的电抗、电容Cf及其寄生电阻Rd的电抗、电网侧电感L2及其寄生电阻R2的电抗。具体模型整体循环描述如下：过程与图1一致，电流基准i2*与输出电流采样i2做比较，经过PI调节器Gc(s)得到逆变器电压VM，与电容电流ic经过比例(P)调节器(参数为K)后的数值求差后，经过逆变器增益后得到逆变器侧电感L1其寄生电阻R1的电压，与电网侧电感L2及其寄生电阻R2电压求差后，得到电容Cf及其寄生电阻Rd的电抗的电压值，此电压值与电网公共耦合点电压Vpcc求差后，得到电网侧电感L2及其寄生电阻R2电压，然后经过电网侧电感L2及其寄生电阻R2获得输出电流i2。对并网系统进行稳定性分析，电流环开环T的频率响应如图3所示，电流环开环T稳定，则闭环系统在右半平面没有零极点。上述可以看出，在理想情况下，系统稳定，然而，非理想情况下，若电网存在谐波，则VPCC会因为电网谐波的影响，引入谐波，导致锁相环引入谐波，从而引发新的谐波扰动，导致输出电流震荡问题、系统不稳定问题，因此传统的锁相环方式不能够满足需求，需要一种能够滤波且稳定性强的锁相方式，而研究锁相方式首要的任务是β坐标系拟合，因此β坐标系拟合成为研究的重点。1.2单相逆变器β坐标系拟合本专利技术以单相并网逆变器为例，在单相逆变器中，我们认为电网采样是α轴，此时需要拟合一个与α轴相差90°的β坐标系，通常这个β坐标系以全通滤波器来拟合，全通滤波器的传递函数如公式4所示，其中ω0为电网实际角频率。使用全通滤波器后，β轴能够实现与α轴相差90°的效果，仿真图如图4所示。若处于弱电网状态，谐波含量较大，使用全通滤波形成的β轴，就会因为α轴的谐波而产生相应的谐波，不能够有效的抑制电网产生的干扰，而β轴的谐波直接影响系统的角频率，从而导致系统震荡问题。基于上述因素，需要对电网谐波进行处理，在β轴形成后进行滤波处理后又会引入新的相角延时，就会需要人为的加入相角补偿环节，增大了工作量，使程序编写复杂度高，内存占用量大。因此在β轴形成过程中加入合适的滤波环节，该滤波环节不仅能够实现滤波功能避免电网谐波的引入，也能够实现相移功能实现与α轴的相角差。其中二阶低通滤波器如公式5所示：对所选的二阶低通滤波与全通滤波器进行Bode图比较，发现二阶低通滤波器的幅值特性在高频域内以40dB/dec衰减，这也是能够有效抑制高频谐振的原因,同时实现与β相移90°的结果，如图5所示。在在电网质量良好情况下，使用二阶低通滤波器与使用全通滤波器后，形成β坐标系的仿真波形分别如图6所示。可以看出，在电网质量良好的情况下，无论是二阶低通滤波器还是全通滤波器，均能形成完美的β坐标系。在电网质量恶劣的情况下，人为模拟给电网加入谐波，比较带通滤波器和二阶低通滤波器形成的β坐标轴的仿真图形，如图7所示。可以看出，二阶低通滤波器即使在电网谐波很大的情况下，依旧能够准确模拟出β坐标系，不受谐波干扰，而全通滤波器则不然，已经导致β坐标系的严重畸变。上述可以看出，使用二阶低通滤波器拟合β坐标轴，明显优于全通滤波器，但是针对不同的电网频率二阶低通滤波器的系数不同，如何确定准确的系数成为研究的难点。1.3β坐标系拟合方式选择在45HZ-55HZ的宽频率的电网波动情况下，需要实现针对不同电网频率下的β轴拟合，而拟合后二阶低通滤波器的参数会相应的发生变化，对二阶低通滤波器进行离散化处理可得公式6。其中k＝1.4,ξ＝0.7,f0＝50HZ时可得：针对不同频率下的参数，以0.1Hz为步进值，可进行曲线拟合，其中f为当前频率，曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法，其特征在于：通过对电网电压采样后锁相处理，锁相环采用传统的PLL，使用拟合的β坐标系，进行dq变换后，以0为基准q轴值为采样进行闭环，得到电网角频率wt，而后使用获得的角频率wt对输出电流采样i

【技术特征摘要】
1.基于电流型并网系统的宽范围频率自适应控制方法，其特征在于：通过对电网电压采样后锁相处理，锁相环采用传统的PLL，使用拟合的β坐标系，进行dq变换后，以0为基准q轴值为采样进行闭环，得到电网角频率wt，而后使用获得的角频率wt对输出电流采样i2进行αβ--dq变换，将d轴电流采样i2d与电流基准i2*作比较，将q轴电流采样i2q与电流基准0作比较，分别经过比例积分调节器(PI调节)后将PI调节后输出作为电容电流ic内环基准，对电容电流采样做dq变换后得到icd、icq，分别与电容电流内环基准作比较进行比例(P)调节，最后进行dq--αβ反变换后，最后与PWM比较后形成占空比驱动开关管，整个过程实现了输出电流外环电容电流内环的闭环处理，内环使用电容电流内环的有源阻尼方案目的是：增大逆变器阻尼。
将电网电流外环电容电流内环双闭环环路进行模型化处理，构建网逆变器小信号模型，具体为：电流基准i2*与输出电流采样i2做比较，经过PI调节器Gc(s)得到逆变器电压VM，与电容电流ic经过比例(P)调节器，参数为K，后的数值求差后，经过逆变器增益后得到逆变器侧电感L1其寄生电阻R1的电压，与电网侧电感L2及其寄生电阻R2电压求差后，得到电容Cf及其寄生电阻Rd的电抗的电压值，此电压值与电网公共耦合点电压Vpcc求差后，得到电网侧电感L2及其寄生电阻R2电压，然后经过电网侧电感L2及其寄生电阻R2获得输出电流i2；
可以推导出开环传递函数T、闭环传递函数GCL及闭环输出导纳YCL如公式1、2、3所示：









其中为输出电流，i2*为输出电流基准，Vpcc为电网公共耦合点电压，使用PI调节器Gc(s)进行电流环控制，Gd(s)为逆变器增益，K是电容电流内环的有源阻尼，ZL1、ZCf、ZL2分别为LCL滤波器逆变器侧电感L1及其寄生电阻R1的电抗、电容Cf及其寄生电阻Rd的电抗、电网侧电感L2及其寄生电阻R2的电抗。


2.如权利要求1所述的控制方法，其特征为：还包括使用单相并网逆变器，在单相逆变器中，我们认为电网采样是α轴，拟合一个与α轴相差90°的β坐标系，这个β坐标系以全通滤波器来拟合，全通滤波器的传递函数如公式4所示，其中ω0为电网实际角频率





3.如权利要求1所述的控制方法，其特征为：若处于弱电网状态，对电网谐波进行处理，在β轴形成过程中加入滤波环节，该滤波环节不仅能够实现滤波功能避免电网谐波的引入，也能够实现相移功能实现与α轴的相角差，其中二阶低通滤波器如公式5所示：





4.如权利要求1所述的控制方法，其特征为：在45HZ-55HZ的宽频率的电网波动情况下，对二阶低通滤波器进行离散化处理可得公式6



其中k＝1.4,ξ＝0.7,f0＝50HZ时可得：



针对不同频率下的参数，以0.1Hz为步进值，进行曲线拟合，曲线拟合后如公式8所示：





5.如权利要求4所述的控制方法，其特征为：将曲线拟合变为精度更高的查表与曲线拟合相结合的方式，为避免细微的电网变化，引发β轴频繁误动作，以0.1HZ为步进，对不同b0与a2参数进行查表与曲线拟合相结合的方式处理,其中为了减少DSP-TMS320F28033中CLA浮点型运算内存的占用率，在整型运算区域内设定b0和a2的表格，b0扩大1012,a2扩大108。b0与a2表格如下：
b0[]＝{44415476,44612313,44809581,45007281,45205412,45403975,45602970,48023970,46002255,46202544,46403265,46604418,46806002,47008018,47210465,47413343,4761...

【专利技术属性】
技术研发人员：马群，曹会平，张浩，赵子龙，逯曼，吴彦，
申请(专利权)人：石家庄通合电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13