一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统及方法

本发明涉及一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统及方法，主要包括抑制电流源型逆变器谐振、提升系统并网动态性能以及解决采用常规控制方法易导致内环饱和的问题，属于并网逆变器控制相关。

背景技术：

1、作为分布式能源与电网之间的接口，并网逆变器的性能将直接决定分布式能源发电的质量。目前，分布式发电大多数采用电压源型逆变器，而对电流源型逆变器的研究相对较少。相比电压源型逆变器，电流源型逆变器具有如下优势：(1)光伏阵列在稳定工作区域表现为电流源特性，故电流源型逆变器更适合光伏并网发电；(2)电流源型逆变器为升压变换器，因此相比电压源型逆变器，对于光伏发电来说可降低直流侧光伏电池串联数目，对于风力发电来说可以降低切入运行的风速，即电流源型逆变器可以增加光伏和风电机组的发电量；(3)电流源型逆变器直流侧大电感可以抑制直流侧电流谐波，同时也能够增加直流侧电流的惯性，能够减缓直流侧电流在系统短路时升高速率，有利于增加保护动作时间的裕度，而且相比于直流滤波电容，直流侧电感的寿命更长，系统可靠性更高。

2、但是，电流源型逆变器采用的是cl型滤波器，而cl型滤波器会导致系统存在一个谐振尖峰，影响系统的稳定性。最简单有效的方法是对滤波电容电压反馈实现有源阻尼，但由于滤波电容电压的幅值相对直流侧电流幅值较大，如果直接对滤波电容电压反馈实现有源阻尼，在系统取得最优阻尼比时易导致内环饱和，进而导致系统失稳。此外，如果降低阻尼支路反馈系数来避免环路饱和会导致系统阻尼不足，在参考电流突变时易导致进网电流和交流侧滤波电容电压持续震荡。

3、因此对于电流源型逆变器来说，在反馈滤波电容电压实现有源阻尼的同时，如果能够解决反馈滤波电容电压实现有源阻尼导致环路饱和的问题，有利于提升系统的动态特性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统及方法，以解决电流源型逆变器采用常规控制方法时系统动态特性以及进网电流质量欠佳的问题。

2、为实现上述目的，本发明将电流源型逆变器传统的单环控制拓展为多环控制，且内环采用一种名为比例-比例-延迟的开环控制器，具体包括以下步骤：

3、一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统及方法，包括第一减法器、电流环控制器、内环比例控制器1、内环比例控制器2、内环内部延迟模块、电网电流前馈模块、第二减法器模块、阻尼支路模块、第三减法器模块和pwm模块；第一减法器和电流环控制器构成电流外环控制回路，内环比例控制器1、内环比例控制器2、内环内部延迟模块、电网电流前馈模块和第二减法器模块构成内环控制回路，阻尼支路模块和第三减法器模块构成阻尼控制回路，其中电流外环控制回路用于控制进网电流跟踪参考电流，电容电流内环控制回路用于控制滤波电容电流，阻尼控制回路用于抑制系统谐振。

4、在一些公开中，所述功率电路中，逆变桥的输入端连接恒流源，输出端并联滤波电容，滤波电容连接滤波电感，滤波电感连接电网；所述控制电路连接如下：

5、1)参考电流、进网电流连接到减法器的输入端，减法器输出连接到电流环控制器的输入端；

6、2)电流环控制器的输出分别连接内环比例控制器1和比例控制器2的输入端，比例控制器2的输出端连接内环控制器内部延迟模块的输入端，比例控制器1与延迟模块输出端均连接到第二减法器的输入端，得到流过滤波电容的电流；

7、3)前馈的电网电流连接到第二减法器的输入端，与内环控制器计算得到的滤波电容电流共同构成逆变电流，并连接到第三减法器的输入端；

8、4)阻尼支路连接到第三减法器的输入端，与逆变电流共同构成调制波，连接到pwm模块的输入端，pwm模块输出驱动信号，控制功率器件通断并产生逆变电流。

9、在一些公开中，所述系统包含多个环路，包括电网电流控制环路、滤波电容电流控制环路以及有源阻尼环路。

10、在一些公开中，所述虚拟电阻支路用来抑制电流源型逆变器的谐振，该虚拟电阻的值是依据系统最优阻尼比得到。

11、在一些公开中，所述内环比例控制器1和内环比例控制器2采用比例-比例-延迟控制器。

12、在一些公开中，所述内环比例控制器1和内环比例控制器2以滤波电容电流为控制目标，能够解决常规控制器以滤波电容电压为控制目标易导致内环饱和造成系统失稳的问题。

13、一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制方法，包括以下步骤：

14、1)：电网电流控制环采用常规的pi控制器，输入为参考进网电流，反馈为采样得到的进网电流，输出为滤波电容电压的参考电压；

15、2)：电容电流控制环采用比例-比例-延迟控制器，输入是滤波电容电压的参考电压，且无需对滤波电容电压进行采样反馈，输出是流过滤波电容的电流；

16、3)：依据最优阻尼比设计出最优反馈系数，采样滤波电容电压，并经过最优阻尼系数反馈至内环输出构成阻尼支路，用于抑制系统谐振；

17、4)：电容电流控制环的输出、阻尼支路的输出和前馈的电网电流构成调制波，连接到pwm模块，产生驱动信号用于控制功率器件的通断。

18、所述步骤1)中，对电网电流进行直接控制，合理地设计控制器的参数，可以确保系统具有合适的带宽以及稳定裕度；

19、所述步骤2)中，电容电流控制环采用比例-比例-延迟控制器，无需反馈滤波电容电压，具有参数设计简单、计算量小的优势；

20、所述步骤3)中，阻尼支路反馈系数依据最优阻尼比得到，能够有效地抑制系统的谐振尖峰，确保系统稳定；

21、所述步骤2)和所述步骤3)中，在设计电容电流控制器参数时结合阻尼支路反馈系数，可滤除阻尼支路反馈滤波电容电压的基波成分而不影响谐振电压，因而能够有效地解决常规控制方法阻尼支路反馈滤波电容电压易导致内环饱和的问题。此外，由于阻尼支路的反馈系数能够确保系统取到最优阻尼比，因此在参考电流突变时，能够快速有效地抑制进网电流和滤波电容电压震荡的问题。

22、有益效果：

23、(1)提供一种设计最优阻尼支路反馈系数的思路，并且能够与电网电流控制器和电容电流控制器实现解耦，具有设计简单的优势；

24、(2)在设计电容电流控制器的参数时，结合阻尼支路的最优反馈系数，电容电流控制环能够近似等效成一个高通滤波器，滤除阻尼支路反馈滤波电容电压中的基波，进而可以解决常规控制方法反馈滤波电容电压实现有源阻尼时易导致内环饱和的问题，同时也能够解决参考电流突变导致进网电流和滤波电容电压持续震荡的问题，而且相比在阻尼支路中串接高通滤波器的方法，不存在参数耦合的问题，具有参数设计简单、环路计算量小的优势。

25、因此，本发明能够有效地提升电流源型逆变器的稳定性、动态特性，进而能够提升电流源逆变器的实用性。

技术特征：

1.一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统，其特征在于：包括功率电路和控制电路；

2.根据权利要求1所述的一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统，其特征在于：所述功率电路中，逆变桥的输入端连接恒流源，输出端并联滤波电容，滤波电容连接滤波电感，滤波电感连接电网；所述控制电路连接如下：

3.根据权利要求1所述的一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统，其特征在于：所述系统包含多个环路，包括电网电流控制环路、滤波电容电流控制环路以及有源阻尼环路。

4.根据权利要求1所述的一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统，其特征在于：所述虚拟电阻支路用来抑制电流源型逆变器的谐振，该虚拟电阻的值是依据系统最优阻尼比得到。

5.根据权利要求1所述的一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统，其特征在于：所述内环比例控制器1和内环比例控制器2采用比例-比例-延迟控制器。

6.根据权利要求6所述的一种提升电流源型逆变器并网动态性能的制电路及方法，其特征在于：所述内环比例控制器1和内环比例控制器2以滤波电容电流为控制目标，能够解决常规控制器以滤波电容电压为控制目标易导致内环饱和造成系统失稳的问题。

7.根据权利要求7所述的一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统及方法，其特征在于：所述内环比例控制器1和内环比例控制器2以滤波电容电流为控制目标，在设计内环控制器参数时，结合阻尼支路的最优反馈系数，解决常规控制策略中反馈滤波电容电压实现有源阻尼导致内环饱和的问题，可有效地提升电流源型逆变器的动态特性。

8.一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统及方法，其特征在于：所述步骤1)中，对电网电流进行直接控制，合理地设计控制器的参数，可以确保系统具有合适的带宽以及稳定裕度；

技术总结
本发明公开一种提升电流源型逆变器并网动态性能的控制系统及方法，包括电网电流控制回路、电容电压控制回路以及有源阻尼控制回路。其中，参考电流与反馈进网电流的差值经过电流环控制器，构成电网电流控制回路；滤波电容参考电压经过比例‑比例‑延迟控制器构成电容电流控制回路；滤波电容电压经虚拟电阻环节反馈至电容电流控制回路的输出，构成有源阻尼控制回路。本发明依据最优阻尼比设计阻尼支路最优反馈系数，能够解决参考电流突变引起电网电流震荡的问题，同时在设计电容电流控制器参数时结合阻尼支路最优反馈系数，能够解决阻尼支路反馈滤波电容电压导致内环饱和的问题，可提升电流源型逆变器并网动态性能。

技术研发人员：肖华锋,李明明,崔磊,牛晨晖,李锋
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12