弱电网下提高并网逆变器稳定性的相角方法

昂）Ｚ罨界４别　２０１８年４月　ＶＯ１．３Ｚ．　Ｏ．ｔ４　

Ａｐｒｉｌ　２０１８　

弱电网下提高并网逆变器稳定性的相角方法　范路。李彦哲　（兰州交通大学，自动化与电气工程学院，甘肃兰州　７３００７０）　

摘要：电网阻抗不断增加，其与并网逆变器阻抗频率交截处相角会越来越低，基于电容电流反馈有源阻尼法抑　制谐振尖峰可能失效，容易发生低次谐波振荡，并网逆变器趋于不稳定。从阻抗法的角度，建立ＬＣＬ型单相并　网逆变器系统阻抗模型。提出电网电压前馈相角提升方法．提高电网阻抗与逆变器输出阻抗频率交截处的相　角达到稳定裕度的要求，采用该方法能有效提高并网逆变器系统在阻抗变化下的稳定性　关键词：逆变器：电网阻抗：相角　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１８）０４—００４６—０５　

Ｐｈａｓｅ　Ａｎｇｌｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　Ｉｎｃｒｅａｓｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　Ｗｅａｋ　Ｇｒｉｄ　Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ＦＡＮ　Ｌｕ．ＬＩ　Ｙａｎ—ｚｈｅ　（Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｇｒｉｄ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ａｎｇｌｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｌｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ．Ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ￣ｅｄｂａｃｋ　ｏｃｃｕｒｅｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｔｏ　ｄａｍｐ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ＬＣＬ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ．Ｌｏｗ　ｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｅａｓｉｌｙ　ｏｃｃｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｕｎｓｔａｂｌｅ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＬＣＬ　ｆｉｌｔｅｒｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ·ｐｈａｓｅ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ，ａ　ｇｒｉｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ　ｐｈａｓｅ　ａｎｇｌｅ　ｐｒｏｍｏ—　ｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ａｎｇｌｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｔａｂｌｅ　ｍａｒｇｉｎ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｙｉｎｇ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｇｒｉｄ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｐｈａｓｅ　ａｎｇｌｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．６１２６３００４）　

１　引　言　随着分布式发电系统接入公共电网的容量不　断提高．理想的公共电网己然变成了阻抗较大的　弱电网Ⅲ。并网逆变器作为分布式发电系统与电　网之间能量转换的重要环节。若并网逆变器接入　弱电网仍然采取忽略电网阻抗的控制方法抑制并　网电流谐波及不平衡分量．可能会导致并网逆变　器无法稳定工作　ＬＣＬ型并网逆变器采用电容电　流反馈有源阻尼方法后，较大的电网阻抗会降低　ＬＣＬ型并网逆变器控制系统的环路增益和带宽，　从而谐振尖峰发生偏移，有源阻尼不能够有效阻　尼谐振尖峰．同时还会减弱并网逆变器抗电网扰　动能力，引起并网电流谐波振荡【　。因此，提高　ＬＣＬ型并网逆变器对弱电网阻抗变化稳定运行的　能力显得尤为重要。　

基金项目：国家自然科学基金（６１２６３００４）　定稿日期：２０１７—０６—２７　作者简介：范　路（１９９１一），男，甘肃武威人，研究生，研究　方向为电力电子与电气传动。　４６　

文献『４１分析了电网阻抗对并网逆变器控制系　统的影响．指出在低频区域内电网阻抗减小了谐　振控制带宽。系统的响应速度变慢无法实现并网　电流稳态跟踪．高频区域内降低ＬＣＬ型滤波器的　谐振频率，发生谐波振荡。文献［５］采用在控制系　统中增加超前滞后环节提高并网逆变器输出阻抗　的相角．但该方法会减小并网逆变器的阻抗值，减　弱系统抗干扰的能力。文献［６］通过在系统中加入　阻抗提高并网逆变器的模值并引入校正环节提高　相位．但校正环节含有微分．会带来噪声干扰。　针对上述问题，以单相ＬＣＬ型并网逆变器为　研究对象．采用电容电流反馈有源阻尼方法抑制　谐振尖峰．加入电网电压前馈相角提升方法，补偿　电网阻抗与逆变器输出阻抗频率交截处的相角达　到稳定裕度的要求，可以在不改变并网逆变器输　出阻抗幅值的前提下最大程度提高并网逆变器阻　抗交截处的相角。利用电网阻抗在线检测技术，将　检测到的电网阻抗作为调整前馈控制参数的依　据，实现电网阻抗变化补偿控制。最后，用仿真验　证所提控制策略的正确性。　弱电网下提高并网逆变器稳定性的相角方法　２　ＬＣＬ型并网逆变器数学模型　图１为单相电容电流反馈的有源阻尼ＬＣＬ型　并网逆变器及控制框图。　为直流输入电压，弱　电网模型采用理想的电压源　和电网阻抗　串　联等效代替，其中电网阻抗是感性成分。运用锁相　环（ＰＬＬ）技术获得与电网电压同步相位０，该相位　与外部电压环生成并网电流的幅值ｒ共同构成并　网电流的参考值　，经过与并网电流ｉ　比较后，通　过电流调节器Ｇｉ（ｓ）调节，将输出的信号减去电容　电流ｉ。反馈后的信号，从而得到调制波信号　，　最后与三角载波比较得到控制信号。　为直流侧　稳压电容，　，Ｃ，　：共同构成滤波器；Ｈ　为电容电　流反馈的有源阻尼系数。　

图１　ＬＣＬ并网逆变器及其控制示意图　Ｆｉｇ．１　ＬＣＬ　ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｉａｇｒａｍ　简化图１得ＬＣＬ并网逆变器控制框图如图２。　由于开关频率远大于电网基波频率，将逆变环节　等效为增益环节Ｋ酬。　

图２　ＬＣＬ并网逆变器控制框图　Ｆｉｇ．２　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＬＣＬ　ｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　

若忽略电网电压对控制环路的扰动，根据图２，　可得考虑电网阻抗时的谐振角频率为：　∞瑚＝ｘ／（　１＋　２＋　）／　１（　２＋　）Ｃ１】　（１）　由式（１）可得系统谐振频率随电网阻抗变化　的波特图如图３所示。　

∞　趔　

一　乙　

罂　

一一　￡　／＿－　。　

电网阻　堰犬　／ｔ｜　—￡　０　３４ｍＨ　＼＼　～　上　

．１　ｒｎＨ　ｇ＝Ｏ　Ｈ　

ｆ／Ｈｚ　图３系统谐振频率随电网阻抗变化图　Ｆｉｇ．３　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｇＩｉｄ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　可见，电网感性成分增加，ＬＣＬ谐振频率趋于　降低，当电网感性成分增加到一定程度，谐振频率　会降低到谐波含量较大的低频区，此时有源阻尼　

抑制谐振尖峰失效，系统发生不稳定现象，低频谐　波被放大。由于电网阻抗表现为纯阻性时一定程　度上会提高系统的稳定性，为研究电网感抗对控　制系统稳定性影响关系。此处只考虑电网阻抗是　纯感抗性情况。　可见，由于在弱电网下电网阻抗是时变的．引　起控制系统的带宽减小和谐振频率下降．使得有　源阻尼抑制谐振尖峰失效，低频区的谐波被放大．　通常情况下并网逆变器控制系统各参数都是基于　强电网下设计的。因此在强电网下并网逆变器控　制系统各个参数已经不能再适应于弱电网。　

３并网逆变器控制策略研究　３．１　并网逆变器系统输出阻抗　为得到并网逆变器系统的输出阻抗．将图２　进一步等效变换得到如图４所示的等效模型。　

焉　（ａ）等效模型ｌ　（ｂ）等效模型２　图４逆变器等效模型控制图　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｉａｇｒａｍ　

其中：　ｆＧｌ　ｓ）＝Ｋ　Ｇｉ／［Ｌ１Ｃｓ　＋ｃ日１ＫｐｗＭｓ＋１】　，＾、　【Ｇ２（ｓ）＝［　１Ｃｓ　＋Ｃ日ＩＫ￣ｃＭｓ＋１］／Ａ　式中：Ａ＝　１（Ｌ￣－Ｌ　）Ｃｓ　（　）ＣＨ　Ｋ　ｚ＋　）ｓ】。　则逆变器环路增益为：　Ｇ　ｓ）＝Ｇ１　ｓ）Ｇ２　ｓ）＝Ｋ　Ｇｉ（ｓ）　（３）　将并网电流的反馈点从Ｇ　（ｓ）的输入端移动　到Ｇ　ｓ）的输入端，即可得到如图４ｂ虚线框所示　的并网逆变器输出阻抗ｚｏ，Ｚｏ＝［Ｉ＋Ｇ（ｓ）／Ｇ：］。　３．２基于阻抗法分析并网逆变器稳定性　并网逆变器可用理想的电流源ｉ。及ｚｎ并联的　方式代替；弱电网可用等效的理想电压源Ｕ　和电　网阻抗　串联的方式组成，得到图５所示电路图。　

图５逆变器接入弱电网的等效电路　Ｆｉｇ．５　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｅａｋ　ｇＩｉｄ　

由图５可推导出并网电流为：　ｚ　ｓ）＝Ｚｏ（ｓ）　ｓ）／［Ｚｏ（ｓ）＋ｚｇ　ｓ）－ｕ　（ｓ）Ｉ［Ｚｏ（ｓ）＋　（ｓ）］　（４）　由式（４）可知，并网电流由并网电流参考分量　和电网电压引起的扰动分量两部分组成，要保证　并网逆变器能够稳定工作，就需提高ＪＺｏ＋Ｚ￣Ｊ的模　４７