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增强正弦波逆变器对电网阻抗鲁棒稳定性的改进前馈控制方法

随着分布式正弦波逆变器并网功率的逐渐增加及接入点的广泛分布,电网越来越表现出弱电网特性,即电网阻抗相对较大,此时在并网 正弦波逆变器中广泛应用的电网电压前馈控制会严重影响到系统的稳定性。

以L型滤波并网 正弦波逆变器为研究对象,采用框图等效变换的方法分析弱电网情况下前馈控制对并网 正弦波逆变器特性的影响机理,以及电网等值电感和阻感比对系统稳定性的影响规律,并在电压前馈通道中引入一种带通滤波环节,提高弱电网下并网 正弦波逆变器的鲁棒稳定性。分析表明,附加带通滤波环节的电压前馈控制可使得正弦波逆变器在短路比较小的弱电网中仍能够稳定工作。最后,搭建一台66kV·A并网 正弦波逆变器实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性和所提改进策略的有效性。

随着我国智能电网建设的需要,分布式发电系统在未来电网中所占的比例将持续增大[1]。并网 正弦波逆变器作为分布式发电的重要接口及电能质量治理的必要设备,如新能源并网 正弦波逆变器[2]、有源电力滤波器(Active PowerFilter, APF)[3]和静止无功发生器(Static Var Generator, SVG)[4]等,在智能电网建设中起着至关重要的作用。

一方面,并网 正弦波逆变器通常分散地接入低压配电网中,为满足分散用户的需求,低压配电线路往往较长,线路阻抗较大,使得配电网表现为弱电网;另一方面,并网 正弦波逆变器的性能受到电网电压扰动的直接影响,为此常采用前馈控制策略来抑制电网电压波动和畸变对并网电流的影响,增强并网变流器的抗扰能力[4,5]。然而,在弱电网下,电网电压前馈控制的引入将会降低并网 正弦波逆变器的稳定裕量。

已有文献从不同的角度对电网阻抗引起的并网 正弦波逆变器鲁棒稳定性问题进行了研究。文献[6]对L和LCL滤波光伏正弦波逆变器在感性电网阻抗下的稳定性进行了研究。文献[7]基于正弦波逆变器输出阻抗模型研究了电网阻抗对LCL滤波并网逆变系统鲁棒性及抗扰性的影响,并提出虚拟阻抗法对正弦波逆变器输出阻抗进行校正。

文献[8]采用在公共耦合点并联RC支路的方法对电网阻抗进行调节以提高LCL滤波并网 正弦波逆变器对电网阻抗的鲁棒稳定性。此外,文献[9-11]也针对电网阻抗对并网 正弦波逆变器稳定性的影响进行了深入分析,但以上分析中均未考虑电网电压前馈。由于电网电压前馈可减小装置启动时的电流冲击[12,13],而被广泛应用在并网 正弦波逆变器控制中,但在弱电网条件下电压前馈会对系统的鲁棒稳定性造成严重影响。

文献[14]讨论了弱电网下前馈补偿对LCL滤波并网 正弦波逆变器稳定性的影响,指出弱电网情况下前馈补偿将引入额外的电流正反馈通路进而导致并网电流中出现谐波甚至不稳定。文献[15]对弱电网下前馈控制对LCL滤波并网 正弦波逆变器稳定性的影响进行了分析,并提出一种基于电网阻抗测量的自适应电流控制方法,但该方法依赖于准确的电网感抗值,并且需要在线测量电网阻抗,导致算法比较复杂,此外,其补偿项含有微分项,在工程应用中会面临噪声干扰的问题。

文献[16]针对LCL滤波并网 正弦波逆变器提出了利用二阶广义积分器(Second-OrderGeneralized Integrator, SOGI)带通滤波特性的改进前馈控制方法,提高了弱电网下系统的鲁棒稳定性。

滤波器是并网 正弦波逆变器接入电网的必要器件,目前广泛采用的滤波器类型有L和LCL两种。LCL滤波器对网侧电流谐波具有更好的滤波效果,而L滤波器结构简单、稳定性更好,在实际中两者都得到了广泛应用。前述研究主要针对LCL滤波并网 正弦波逆变器,而对L滤波并网 正弦波逆变器中前馈控制引起的稳定性问题研究较少。L和LCL滤波器在结构上的差异导致电压前馈对系统稳定性影响的机理不完全相同,有必要进一步研究L滤波并网 正弦波逆变器中前馈控制引起的系统鲁棒稳定性问题。

本文以L滤波并网 正弦波逆变器为研究对象,通过框图等效变换针对弱电网条件下电压前馈对并网 正弦波逆变器特性的影响机理进行了分析,并采用根轨迹和最小增益定理研究了电网阻抗对并网 正弦波逆变器鲁棒稳定性的影响规律。

为了解决采用传统电压前馈时并网 正弦波逆变器对电网阻抗鲁棒稳定性较低的问题,在前馈通道引入了一种带通滤波环节,分析了带通滤波器不同带宽对系统鲁棒稳定性的影响,并给出带宽的选取原则。最后,通过实验验证了本文理论分析的正确性与所提控制策略的有效性。
L滤波并网 正弦波逆变器及其控制框图

图1 L滤波并网 正弦波逆变器及其控制框图

结论

针对L滤波并网 正弦波逆变器,本文研究了弱电网情况下电网电压前馈对并网 正弦波逆变器特性的影响以及增强正弦波逆变器对电网阻抗鲁棒稳定性的改进前馈控制方法,得出以下结论:

1)由于弱电网条件下电网阻抗的存在使得前馈电压和并网电流控制之间产生了耦合。

2)若前馈通道和PWM控制理想无延时,则L滤波并网 正弦波逆变器的特性不受电网阻抗的影响,且这种耦合有利于增强并网 正弦波逆变器对电网阻抗的鲁棒稳定性。

3)实际上,前馈通道和PWM控制存在延时,这种耦合将导致并网 正弦波逆变器的稳定裕度随电网等值电感的增大而迅速减小,即前馈降低了并网 正弦波逆变器对电网阻抗的鲁棒稳定性。

4)在电网电压前馈通道中引入带通滤波,可以减小弱电网条件下前馈通道和PWM延时对并网 正弦波逆变器稳定性的影响,增强并网 正弦波逆变器对弱电网的适应性。

5)带通滤波器的带宽对系统的鲁棒稳定性有着重要影响,带宽越小则并网 正弦波逆变器对电网阻抗的鲁棒稳定性越强,应根据电网阻抗的变化范围合理选择带通滤波器的带宽。

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