一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统

本发明涉及并网逆变器，具体涉及一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统。

背景技术：

1、以电力电子变流器作为接口的新能源发电技术得到了迅猛发展。然而，风、光等典型可再生能源往往远离负荷中心，源-网-荷之间需要较长的输电线路进行电气连接，导致电网越来越弱，即电网阻抗对接口变流器稳定性的影响无法忽略，严重时甚至诱发并网逆变器系统失去稳定，威胁新型电力系统的安全运行。

2、目前，针对弱电网下并网逆变器稳定性提升方法的研究，主要包含增加辅助控制环路、提出新型锁相环结构、控制器参数自适应调整等方法。其中，增加辅助控制环路的方法往往需要引入新的反馈环路，极有可能会引入新的反馈变量，不仅增加了电压或电流传感器的数量，而且也导致辅助反馈环路参数的设计变得更加复杂。利用新型锁相环结构提升并网逆变器对电网阻抗适应范围的方法本身设计难度大，而复杂的锁相环结构往往导致考虑锁相环影响的并网逆变器小信号模型构建难。虽然采用控制器参数自适应调整控制方法能够提升并网逆变器系统的稳定性，但是自适应控制方法往往需要检测电网阻抗数值，需要增加额外的电网阻抗检测算法，而且电网阻抗检测误差的存在有可能导致自适应参数调整控制方法的控制效果变差。

3、因此，如何在不增加额外辅助控制环路的基础上，以一种简单可行的方法提升并网逆变器对电网阻抗的适应能力是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，用以至少解决现有技术中由锁相环经电网阻抗作用给并网逆变器稳定性带来不稳定影响的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，基于并网逆变器系统，并网逆变器系统包括逆变器主电路、锁相环pll、电流环和调制采样模块，其中逆变器主电路通过公共点pcc接入电网，公共点pcc电压经过pll输出相角，电流环获取并网电流实际值和相角经过dq变换，并将变换后的并网电流实际值与参考值比较，比较后经过电流环中的pi控制后输出电压控制信号，经过调制采样模块后生成控制逆变器主电路的pwm信号，电流环包括：相位补偿单元、电流环q轴控制环路和电流环d轴控制环路；

4、相位补偿单元与电流环q轴控制环路相连，用于补偿电流环q轴控制环路的相位，经过相位补偿传递函数输出至电流环q轴控制环路；其中，相位补偿传递函数为：

5、

6、其中k1和k2为相位补偿单元超前滞后环节的调节系数；s为拉普拉斯算子；

7、电流环q轴控制环路和电流环d轴控制环路的传递函数gidq(s)为：

8、

9、式中kpd、kid分别表示d轴电流环pi控制器的比例系数与积分系数；kpq、kiq分别表示q轴电流环pi控制器的比例系数与积分系数。

10、优选的，pll的传递函数gpll(s)为：

11、

12、其中，um0表示pcc公共点电压幅值，hpi(s)＝kp-pll+ki-pll/s为pll内部pi控制器的传递函数，kp-pll为比例系数，ki-pll为积分系数。

13、优选的，当考虑pll小信号扰动对并网逆变器稳定性的影响时，状态变量x在电网dq坐标系与控制器dq坐标系下的等量关系为：

14、

15、式中上标“s”代表电网dq坐标系下的状态量，上标“c”代表控制器dq坐标系下的状态量，x为状态变量x的稳态值，“δ”代表扰动，upcc为并网点电压，hpi(s)为pll内部pi控制器的传递函数。

16、优选的，调制采样模块生成的调制信号与三角波载波信号进行比较产生逆变器功率半导体器件的占空比开关信号，其中调制信号与三角波载波信号在进行脉宽调制时产生采样与占空比计算延时，延时环节的等效传递函数gde(s)为：

17、

18、式中ts表示采样时间；kpwm表示调制增益。

19、优选的，逆变器主电路中包括lcl滤波器和阻尼电阻rd，其中阻尼电阻rd与lcl滤波器中的滤波电容cf串联形成电容支路，逆变器主电路控制环的等效传递函数g1(s)与g2(s)为：

20、

21、

22、式中im表示2阶单位矩阵，yl1(s)、yl2(s)和zcf(s)分别表示滤波电感l1、l2和电容支路在dq坐标系下的矩阵表达式：

23、

24、

25、

26、式中，ω1表示电网角频率的额定值。

27、优选的，考虑pll输出相角扰动，结合状态变量x在电网dq坐标系与控制器dq坐标系下的等量关系，得到系统dq坐标系下并网电流及调制信号分别装换到控制器dq坐标系下并网电流及调制信号时所引入的反馈回路，其矩阵表达式分别为：

28、

29、

30、式中，i2d0和i2q0分别为并网逆变器输出电流在d与q轴上的稳态值；hpi(s)为pll内部pi控制器的传递函数；vmd0和vmq0分别为电流环pi调节器输出调制信号在d、q轴上的稳态值：

31、

32、式中，l1和l2均为滤波电感，cf为滤波电容，阻尼电阻rd，kpwm表示调制增益。

33、优选的，并网逆变器的等效输出导纳矩阵模型为：

34、yinvdq(s)＝[im+g2(s)g1(s)kpwmgde(s)gi(s)]-1·g2(s)·[im-g1(s)kpwmgde(s)·

35、(gpf2(s)+gi(s)·gpf1(s))](14)

36、并网逆变器的稳定性根据回率矩阵l(s)＝yinvdq(s)zgdq(s)的特征值曲线是否包围(-1，j0)点来进行判定。

37、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，具有以下有益效果：

38、(1)针对弱电网下电网阻抗对并网逆变器稳定性带来的不利影响，提出电流环d轴与q轴控制器参数不对称控制方式，抑制由锁相环经电网阻抗作用带来的负面影响；

39、(2)在电流环控制器参数不对称调控的基础上，在q轴电流环中增加相位补偿控制环节，与不对称电流环控制器共同作用大大提升了并网逆变器对电网阻抗的适应范围；

40、(3)本发明所公开的该系统具有控制结构简单，无需增加额外辅助控制环路的优势，易于逆变器厂家控制程序编译与集成。

技术特征：

1.一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，基于并网逆变器系统，并网逆变器系统包括逆变器主电路、锁相环pll、电流环和调制采样模块，其中逆变器主电路通过公共点pcc接入电网，公共点pcc电压经过pll输出相角，电流环获取并网电流实际值和相角经过dq变换，并将变换后的并网电流实际值与参考值比较，比较后经过电流环中的pi控制后输出电压控制信号，经过调制采样模块后生成控制逆变器主电路的pwm信号，其特征在于，电流环包括：相位补偿单元、电流环q轴控制环路和电流环d轴控制环路；

2.根据权利要求1所述的一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，其特征在于，pll的传递函数gpll(s)为：

3.根据权利要求1所述的一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，其特征在于，当考虑pll小信号扰动对并网逆变器稳定性的影响时，状态变量x在电网dq坐标系与控制器dq坐标系下的等量关系为：

4.根据权利要求1所述的一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，其特征在于，调制采样模块生成的调制信号与三角波载波信号进行比较产生逆变器功率半导体器件的占空比开关信号，其中调制信号与三角波载波信号在进行脉宽调制时产生采样与占空比计算延时，延时环节的等效传递函数gde(s)为：

5.根据权利要求1所述的一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，其特征在于，逆变器主电路中包括lcl滤波器和阻尼电阻rd，其中阻尼电阻rd与lcl滤波器中的滤波电容cf串联形成电容支路，逆变器主电路控制环的等效传递函数g1(s)与g2(s)为：

6.根据权利要求5所述的一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，其特征在于，考虑pll输出相角扰动，结合状态变量x在电网dq坐标系与控制器dq坐标系下的等量关系，得到系统dq坐标系下并网电流及调制信号分别装换到控制器dq坐标系下并网电流及调制信号时所引入的反馈回路，其矩阵表达式分别为：

7.根据权利要求1所述的一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，其特征在于，并网逆变器的等效输出导纳矩阵模型为：

技术总结
本发明公开了一种电流环控制器参数不对称的相位补偿系统，基于并网逆变器系统，并网逆变器系统包括逆变器主电路、锁相环PLL、电流环和调制采样模块，其中逆变器主电路通过公共点PCC接入电网，公共点PCC电压经过PLL输出相角，电流环获取并网电流实际值和相角经过dq变换，并将变换后的并网电流实际值与参考值比较，比较后经过电流环中的PI控制后输出电压控制信号，经过调制采样模块后生成控制逆变器主电路的PWM信号，电流环包括：相位补偿单元、电流环q轴控制环路和电流环d轴控制环路。

技术研发人员：高家元,谭军咏,兰梓轩,黄帅,谭思艳,崔炳烨
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/29