弱電網下并網逆變器的阻抗相角動態控制方法研究
2017-5-14 19:40:56??????點擊：
江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室(南京航空航天大學)的研究人員張旸、陳新、王昀、龔春英，在2017年第1期《電工技術學報》上撰文指出，由于大功率分布式發電裝置的散落分布，電網表現出弱電網特性，電網阻抗會影響并網逆變器的穩定性，使并網電流發生諧波振蕩，甚至系統失穩。
首先建立了LCL型單相并網逆變器的輸出阻抗數學模型，通過阻抗分析方法研究了弱電網工作條件下并網逆變器的穩定性；然后基于系統相角裕度動態補償控制思路，提出了一種并網逆變器的阻抗相角補償控制策略，給出該阻抗相角動態控制策略的具體實現方法與參數設計過程，并定量分析了鎖相環、數字控制延遲與阻抗相角補償控制對逆變器輸出阻抗數學模型的影響，以及阻抗相角補償控制策略對逆變器并網電流基頻相位的影響；最后結合脈沖響應法在線測量電網阻抗，設計阻抗相角動態控制方案，通過實驗對該方案的有效性進行驗證。
分布式發電系統呈散落分布狀，其需要大量變壓器及較長的輸電線連接入公共電網，使得公共電網存在一個不可忽略且隨電網運行方式發生變化的等效電網阻抗，表現出弱電網特性[1]。同時，在公共連接點(Point of CommonCoupling，PCC)的電壓可能存在較為嚴重的諧波[2]。作為分布式發電系統與電網間接口的并網逆變器，工作在弱電網下時，其系統的穩定性將會受到影響。因此弱電網下并網逆變器的穩定性問題成為國內研究的熱點。
文獻[3]研究了弱電網對并網逆變器電流控制器與鎖相環(Phase LockedLoop，PLL)的影響，通過時域響應分析方法，研究了比例積分(PI)控制器、比例諧振(PR)控制器及滯后控制器在弱電網下的動態性能變化以及系統穩定性問題。文獻[4]分別評估了應用有源阻尼控制、諧波振蕩控制、重復控制及電網電壓前饋控制四種控制方法的單相并網逆變器在弱電網下工作的穩定性問題。
文獻[5]分析了電網阻抗對并網逆變器控制系統的影響，并給出一種改進的電網電壓前饋控制策略用于提高弱電網下并網逆變器的穩定性。文獻[6]研究了在大型光伏電站多逆變器并聯工作情況下電網阻抗對逆變器電流控制的影響，通過建立三相LCL并網逆變器并聯系統等效模型分析在弱電網工作條件下系統穩定性以及諧波放大原因。
通常研究弱電網下并網逆變器的穩定性采用控制系統數學建模的方法[3-6]，即通過分析不同電網條件下開環控制函數的特性研究并網逆變器的穩定性。但該方法將控制參數模型和電網阻抗參數耦合在一起，使得分析和設計過程變得復雜。因此，一種基于阻抗的穩定性分析方法被提出[7]，該方法將并網逆變器與電網視為兩個獨立的子系統，通過獨立控制逆變器的阻抗實現增強系統穩定性的目的。
目前，阻抗控制的方法可以分為三類：1通過改變并網逆變器電流控制器結構及鎖相環的參數實現阻抗控制[8-10]；2通過虛擬無源器件改變并網逆變器濾波器的等效結構與參數實現阻抗控制[11，12]；3通過定義阻抗控制環節直接作用于并網逆變器輸出阻抗實現阻抗控制[13-17]。三類阻抗控制的方法各有其局限性，可能存在控制范圍有限、針對性不強的問題。同時大部分阻抗控制的研究都未考慮鎖相環對逆變器輸出阻抗的影響。
本文以提高弱電網下并網逆變器穩定性為目標，提出一種并網逆變器阻抗相角補償控制方案，實現不同電網阻抗下逆變器阻抗相角的動態補償，有效提高并網逆變器的穩定性。
首先建立考慮鎖相環及采樣與數字控制延遲的LCL型單相并網逆變器輸出阻抗數學模型，并基于阻抗的分析方法分析并網逆變器的穩定性；然后提出一種并網逆變器阻抗相角補償控制策略，給出實現方法與參數設計過程，并分析阻抗相角補償控制策略對并網逆變器輸出阻抗的影響；最后基于提出的控制策略，設計阻抗相角動態控制方案，通過實驗對該方案進行驗證。
圖1 弱電網下考慮鎖相環及采樣與數字控制延遲的單相并網逆變器結構
結論
本文基于阻抗分析方法研究在弱電網下電網阻抗對并網逆變器穩定性產生的影響，獲得以下研究成果：
1）基于阻抗分析方法研究弱電網下并網逆變器的穩定性，并針對交截頻率相角不足的問題提出了阻抗相角補償控制策略，可以在不影響輸出阻抗幅值增益的條件下實現并網系統的相角裕度補償。
2）考慮鎖相環及采樣與數字控制延遲對單相并網逆變器輸出阻抗的影響，建立并網逆變器系統輸出阻抗的數學模型，同時對加入阻抗相角補償控制后并網逆變器的輸出阻抗進行建模分析。
3）結合脈沖響應法在線測量電網阻抗技術，提出并網逆變器阻抗相角動態控制方案，該方案在不同電網阻抗工作條件下實現了并網逆變器的相角主動補償控制，提高了并網電流的電能質量與系統穩定性。
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