洪蘆誠,安閃閃,徐佳裕,唐潤悅
基于虛擬阻抗重塑的變壓器耦合逆變器控制策略
洪蘆誠1,安閃閃2,徐佳裕1,唐潤悅1
(1. 東南大學電氣工程學院,南京 210096;2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司,杭州 310020)
隨著能源變革以及新能源技術(shù)的迅猛發(fā)展,三相LCL型并網(wǎng)逆變器被廣泛應用于新能源并網(wǎng).對于通過變壓器耦合并網(wǎng)的逆變器,利用變壓器的自身感抗,LCL濾波器設計時往往省去電網(wǎng)側(cè)的濾波電感,實現(xiàn)變壓器與無源濾波器的集成化設計.傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓全前饋控制策略應用于此系統(tǒng)時,全前饋函數(shù)的一階微分項與電容電流反饋有源阻尼項抵消,使得原來的電容電流內(nèi)環(huán)控制不再起作用.此時,前饋函數(shù)的剩余項可定義為并聯(lián)在電容兩端的虛擬阻抗,為LCL濾波器的諧振峰提供阻尼.然而,該虛擬阻抗的實部在特定的頻率范圍內(nèi)為負將向系統(tǒng)引入負阻尼,嚴重時可能誘發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn).針對該問題,提出了一種虛擬阻抗重塑的方法,對傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓全前饋控制策略進行了修正,修正后的控制策略能夠在保證電網(wǎng)背景諧波抑制能力的基礎上有效抑制LCL濾波器的諧振峰,從而避免了系統(tǒng)可能面臨的失穩(wěn)風險.對阻抗重塑后的逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析,結(jié)果表明阻抗重塑后的逆變器控制策略相比于未重塑的控制策略具有更大的穩(wěn)定裕度.此外分析可知虛擬阻抗重塑的比例前饋項對低頻電網(wǎng)背景諧波具有很好的抑制作用,而二階微分前饋項對高頻的抑制效果明顯.最后基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了系統(tǒng)的仿真模型,驗證了提出方法的有效性.
并網(wǎng)逆變器;電網(wǎng)背景諧波;電網(wǎng)電壓全前饋;穩(wěn)定性
開發(fā)利用基于風能、太陽能等可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)(distributed power generation system,DPGS)是緩解能源危機、減少環(huán)境污染的有效途?徑[1].并網(wǎng)逆變器因具有靈活的運行模式以及良好的可控性,成為分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間功率轉(zhuǎn)換的重要接口[1-3].由于采用正弦脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)逆變器的輸出側(cè)含有大量高次諧波,需要加入濾波器以保證并網(wǎng)電流的質(zhì)量.LCL濾波器屬于三階系統(tǒng),對高次諧波有良好的抑制能力被廣泛地應用于逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中.現(xiàn)實應用中針對通過變壓器并網(wǎng)的逆變器,對參數(shù)進行合理的設計可以將LCL濾波器的電網(wǎng)側(cè)電感作為解耦繞組集成到變壓器中,將變壓器作為濾波器的一部分,實現(xiàn)變壓器與無源濾波器的集成化設計.
由于電力電子變換器在配電網(wǎng)中的廣泛應用及配電網(wǎng)自身可能表現(xiàn)出的弱電網(wǎng)特性,電網(wǎng)背景諧波成為影響配電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要因素[4-5].目前對于直接與電網(wǎng)耦合的逆變器,背景諧波的抑制主要有兩種方法:一種是通過多諧振調(diào)節(jié)器[6]或比例積分器[7-8]增加諧振頻率處的環(huán)路增益.隨著諧波頻率增加,這種方法會降低系統(tǒng)穩(wěn)定裕度[9-10];另一種是引入電網(wǎng)電壓前饋通路實現(xiàn)逆變器輸出阻抗的重塑[11-12].電網(wǎng)電壓比例前饋控制能夠有效抑制低頻諧波,但會放大高頻諧波[13].在不考慮控制延遲的情況下,電網(wǎng)電壓全前饋控制使逆變器的輸出阻抗等效為無窮大,從而能夠完全消除并網(wǎng)電流中電網(wǎng)電壓擾動的影響[14].文獻[15]對級聯(lián)型孤島微電網(wǎng)PCC處電壓諧波抑制問題進行了研究;當考慮控制延遲時,逆變器的輸出阻抗不可能為無窮大,而且延遲環(huán)節(jié)會帶來負的相移,從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度[16].針對這一問題,文獻[17]提出了基于多諧振元件的電網(wǎng)電壓加權(quán)前饋策略,對背景諧波有足夠的抑制能力,且保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度.
對于通過變壓器并網(wǎng)的逆變器,變壓器作為濾波器的一部分,自身的感抗代替了LCL濾波器的電網(wǎng)側(cè)電感,此時電容兩端電壓即為并網(wǎng)點(point of common coupling,PCC)電壓.采用電網(wǎng)電壓全前饋控制策略時前饋函數(shù)的一階微分項與電容電流有源阻尼項抵消,前饋函數(shù)的剩余項等效為并聯(lián)在電容兩端的虛擬阻抗,為LCL濾波器提供阻尼.在1/3~1/2采樣頻率(sam)范圍內(nèi),等效電阻值為負會惡化系統(tǒng)的穩(wěn)定性[18-19].針對這一問題文獻[20]提出虛擬阻抗重塑的方法,能夠保證系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定狀態(tài),但只針對單相逆變器進行了分析.
本文以三相并網(wǎng)逆變器為研究對象,首先在兩相靜止坐標系下建立了基于準比例諧振控制器(quasi-proportional resonance,QPR)的逆變器數(shù)學模型,并推導出電網(wǎng)電壓全前饋傳遞函數(shù);分析了電網(wǎng)電壓全前饋控制策略應用于通過變壓器并網(wǎng)的逆變器時引起的系統(tǒng)失穩(wěn)機理.針對這一問題,提出虛擬阻抗重塑的方法,在前饋函數(shù)中設計低通濾波器使虛擬阻抗實部在控制頻率范圍內(nèi)為正,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.最后在PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建模型驗證了提出的虛擬阻抗重塑方法的有效性.
典型的LCL型并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,VT1~VT6為三相逆變器的橋臂開關,直流側(cè)電壓dc假定為恒定值,LCL濾波器設置在逆變器輸出側(cè),用于抑制高頻次諧波,包括逆變器側(cè)電感1、電網(wǎng)側(cè)電感2以及濾波電容f.g為逆變器阻抗,PCC為PCC點電壓,g為電網(wǎng)電壓,g為逆變器并網(wǎng)電流,C為濾波電容支路電流.
圖1?直接與電網(wǎng)耦合的并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)
對于三相平衡系統(tǒng),兩相靜止坐標系下逆變器數(shù)學模型的與兩相完全對稱且解耦,圖1的拓撲結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化成圖2所示的數(shù)學模型.
圖2?直接與電網(wǎng)耦合的逆變器等效控制框圖
并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的環(huán)路增益、并網(wǎng)電流以及逆變器輸出阻抗表達式[20]分別為
圖3?電網(wǎng)電壓全前饋控制策略
電網(wǎng)電壓全前饋傳遞函數(shù)ff表示為
由于1/d()環(huán)節(jié)無法物理實現(xiàn),考慮到d()的模值為1,因此1/d()通常由1來代替[18].此時,逆變器輸出阻抗表示為
圖4?Zs_ff(s)/Zs(s)的伯德圖
前述分析表明,對于直接與電網(wǎng)耦合的逆變器,采用電網(wǎng)電壓全前饋控制策略能夠有效抑制低頻電網(wǎng)背景諧波的影響,然而對于通過變壓器接入電網(wǎng)的逆變器,并網(wǎng)點位于變壓器與濾波電容之間,電容兩端的電壓即為PCC點電壓,如圖5所示.
圖5?通過升壓變壓器接入電網(wǎng)逆變器拓撲
采用電網(wǎng)電壓(PCC電壓)全前饋控制策略時,前饋點發(fā)生變化,等效控制策略如圖6定義為電容電壓全前饋控制策略.
圖6?電容電壓全前饋控制策略
式中g(shù)_cvff為電容電壓全前饋控制策略下的并網(wǎng)電流.可以發(fā)現(xiàn),通過變壓器并網(wǎng)時雖然前饋點和環(huán)路增益發(fā)生了變化,但同樣能夠完全消除電網(wǎng)背景諧波的影響.1/d()由1代替時并網(wǎng)電流及環(huán)路增益表達式分別為
通過控制框圖的等效轉(zhuǎn)化,電容電流有源阻尼項與前饋函數(shù)的一階微分項抵消如圖7所示.進一步將前饋函數(shù)的剩余項等效為并聯(lián)在電容兩端的虛擬阻抗如圖8所示.
圖7?電容電壓全前饋控制策略展開圖
(12)
圖9?等效電阻隨頻率變化曲線
圖10?二階微分通道加入低通濾波器
式中1和2分別為式(17)分母為0的兩個解.
綜上所述,在∈(r1,sam/3)范圍內(nèi)C_LPF的取值要小于2的最小值,∈(sam/3,sam/2)時大于1的最大值.
結(jié)合表1的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)實例,可以繪制出1和2隨頻率變化的曲線如圖11所示.
表1?并網(wǎng)逆變器關鍵參數(shù)
Tab.1?Key parameters of grid-connected inverter
圖11?f1和f2隨頻率變化曲線
在∈(r1,sam/3)時,C_LPF的取值范圍為(0,1877.0Hz);在∈(sam/3,sam/2)時,C_LPF的取值范圍為(661.7Hz,∞).為了保證諧波的抑制能力此處選取C_LPF=1877.0Hz.
圖12?阻抗重塑后等效電阻隨頻率變化曲線
基于虛擬阻抗重塑的電容電壓全前饋傳遞函數(shù)仍然包括比例項和二階微分項,為了方便對比該前饋策略不同項對電網(wǎng)背景諧波的抑制效果,此處做如下定義.
前饋策略0:即未進行虛擬阻抗重塑的電容電壓全前饋控制策略,包含比例項和二階微分項.
前饋策略1:即電容電壓比例前饋控制策略,前饋函數(shù)只包含比例項.
前饋策略2:即基于虛擬阻抗重塑的電容電壓全前饋控制策略,包含比例項和虛擬阻抗重塑之后的二階微分項.
根據(jù)本文提出的電容電壓全前饋控制策略以及虛擬阻抗重塑的方法,結(jié)合式(3)和式(10)繪制電流環(huán)路增益伯德圖如圖13所示,采用前饋策略0時,系統(tǒng)存在右半平面開環(huán)極點,但相頻特性曲線沒有穿越-180°,此時系統(tǒng)不穩(wěn)定.采用前饋策略2時,系統(tǒng)恢復穩(wěn)定狀態(tài).
圖13?電流環(huán)路增益伯德圖
采用短路比(SCR)表征電網(wǎng)強度[19],當g=7.66mH時短路比達到10,此時為弱電網(wǎng)狀態(tài).為了研究前饋策略2中每一項對電網(wǎng)背景諧波的抑制能力,將式(9)中與g相關的項作為研究對象,得到式(20).
在強電網(wǎng)(g=0)與弱電網(wǎng)(g=7.66mH)兩種情況下繪制采用無前饋控制、前饋策略1以及前饋策略2時g_u()/g()的幅頻特性曲線如圖14所示.
分析可知,前饋策略2中,比例項(1/KPWM)能夠有效抑制電網(wǎng)背景諧波中的低頻分量,但是對部分高頻分量產(chǎn)生了放大作用;二階微分項對高頻諧波有明顯的抑制作用,表明前饋策略2能夠?qū)﹄娋W(wǎng)背景諧波有較好的抑制效果.
為了驗證本文所提虛擬阻抗重塑方法對系統(tǒng)穩(wěn)定性改善以及前饋函數(shù)各項對背景諧波的抑制作用,根據(jù)表1中逆變器的關鍵參數(shù),以圖15所示拓撲為基礎,在PSCAD仿真平臺搭建模型.
圖15?通過變壓器接入電網(wǎng)的電路結(jié)構(gòu)
為驗證虛擬阻抗重塑對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,圖16分別繪制了前饋策略0與前饋策略2的并網(wǎng)電流波形.對比發(fā)現(xiàn),采用前饋策略0時g出現(xiàn)明顯的諧波振蕩,諧波畸變率達到21.33%,不滿足并網(wǎng)標準;而改用前饋策略2后g波形質(zhì)量明顯改善.表明所提的前饋策略2能夠使系統(tǒng)恢復至穩(wěn)定狀態(tài).
圖16 電容電壓全前饋阻抗重塑前后并網(wǎng)電流波形
為分析前饋策略2各項對電網(wǎng)背景諧波的抑制能力,加入不同頻次背景諧波如表2所示.在強/弱電網(wǎng)條件下分析不同控制策略下并網(wǎng)電流波形.
表2?不同頻次背景諧波的幅值和相位
Tab.2?Amplitude and phase of background harmonics
1)強電網(wǎng)(g=0mH)狀態(tài)下
在強電網(wǎng)(g=0)狀態(tài)下對不同前饋策略下并網(wǎng)電流g進行了仿真,如圖17所示,電網(wǎng)中存在背景諧波且無前饋控制時并網(wǎng)電流的諧波畸變率(THD)為12.93%,采用前饋策略1時THD為12.36%,采用前饋策略2時THD為4.34%.
圖17?Lg=0時不同前饋策略下并網(wǎng)電流
2) 弱電網(wǎng)(g=7.66mH)狀態(tài)下
在弱電網(wǎng)(g=7.66mH)條件下,對不同前饋策略下并網(wǎng)電流g仿真如圖18所示,電網(wǎng)中存在背景諧波且采用無前饋控制策略時g諧波畸變率(THD)為17.29%,采用前饋策略1時在一定程度上提升了g的波形質(zhì)量,采用前饋策略2時,并網(wǎng)電流波形質(zhì)量明顯改善,g的THD變?yōu)?.77%.
圖18?Lg=7.66mH時不同前饋策略下并網(wǎng)電流
圖19和圖20分別顯示了兩種電網(wǎng)狀態(tài)下采用不同前饋策略時并網(wǎng)電流中各次諧波的含量.可以發(fā)現(xiàn)前饋策略1能夠在一定程度上抑制電網(wǎng)背景諧波.相比之下,前饋策略2能夠更好地抑制電網(wǎng)背景諧波,明顯地改善并網(wǎng)電流波形質(zhì)量.這也進一步驗證了本文所提的虛擬阻抗重塑方法的有效性.
圖19?Lg=0時并網(wǎng)電流中各次諧波含量
圖20?Lg=7.66mH時并網(wǎng)電流中各次諧波含量
文中對通過變壓器并網(wǎng)的逆變器進行了研究,分析了采用傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓全前饋控制策略時系統(tǒng)的穩(wěn)定特性,針對前饋函數(shù)的一階微分項與電容電流反饋有源阻尼項抵消可能誘發(fā)的系統(tǒng)失穩(wěn)問題.提出了虛擬阻抗重塑的方法,將前饋函數(shù)的剩余項等效為并聯(lián)在電容兩端的虛擬阻抗,在二階前饋通道中設計低通濾波環(huán)節(jié),確保了在控制頻域內(nèi)虛擬阻抗的實部為正.在PSCAD仿真平臺上搭建模型驗證了虛擬阻抗重塑的方法能夠增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性.分別在強/弱電網(wǎng)條件下加入不同頻次電網(wǎng)背景諧波,通過對比前饋函數(shù)不同項控制時并網(wǎng)電流的波形,發(fā)現(xiàn)在強電網(wǎng)與弱電網(wǎng)條件下虛擬阻抗重塑后的全前饋策略都能夠有效地抑制電網(wǎng)背景諧波,進一步驗證了本文提出的虛擬阻抗重塑方法的有效性.
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Control Strategy of a Transformer-Coupled Inverter Based on Virtual Impedance Reshaping
Hong Lucheng1,An Shanshan2,Xu Jiayu1,Tang Runyue1
(1. School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;2. State Grid Hangzhou Power Supply Company,Hangzhou 310020,China)
With the rapid development of energy reform and new energy technology,three-phase LCL grid-connected inverters are widely used in new energy grid-connections. For inverters coupled to the grid through a transformer,using the transformer’s own inductance,the filter inductance on the grid side is often omitted in the design of the LCL filter to realize the integrated design of the transformer and the passive filter. When the traditional grid voltage full feedforward control strategy is applied to this system,thederivative term of the full feedforward function cancels out the capacitive current feedback active damping term,so that the original capacitive current inner loop control no longer works. At this time,the remaining term of the feedforward function can be defined as the virtual impedance connected in parallel across the capacitor to provide damping for the resonance peak of the LCL filter. However,the real part of the virtual impedance is negative in a specific frequency range,which will introduce negative damping to the system. This,in turn,may induce system instability in severe cases. In response to this problem,a virtual impedance reshaping method is proposed to modify the traditional grid voltage full feedforward control strategy. The modified control strategy can effectively suppress the resonance peak of the LCL filter on the basis of ensuring the suppression of the background harmonics of the power grid,thereby avoiding the risk of instability that the system may face. The stability analysis of the inverter grid-connected system after impedance remodeling shows that the inverter control strategy after impedance remodeling has a larger stability margin than previously. In addition,the analysis shows that the proportional feedforward term of virtual impedance reshaping has a good suppression effect on low-frequency power grid background harmonics,while the second-order differential feedforward term has a significant suppression effect on high frequencies. A simulation model of the system was built based on the PSCAD/EMTDC simulation platform,and the effectiveness of the proposed method was verified.
grid-connected inverter;grid background harmonics;grid voltage full feedforward;stability
10.11784/tdxbz202106014
TM712
A
0493-2137(2021)12-1280-09
2021-06-20;
2021-07-20.
洪蘆誠(1985—??),男,博士,副教授,hlc3061@seu.edu.cn.Email:m_bigm@tju.edu.cn
安閃閃,778988424@qq.com.
國家自然科學基金資助項目(52077039).
the the National Natural Science Foundation of China(No. 52077039).
(責任編輯:孫立華)