非理想电网下三相电压源型逆变器谐振抑制和并网电流改善控制策略综述.pdf
《非理想电网下三相电压源型逆变器谐振抑制和并网电流改善控制策略综述.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《非理想电网下三相电压源型逆变器谐振抑制和并网电流改善控制策略综述.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Jun.20232023年6 月JOURNALOFDONGAOFTECHNOLOGYVol.30No.3第30 卷第3期学院学报东莞理非理想电网下三相电压源型逆变器谐振抑制和并网电流改善控制策略综述李义云1,2张志1*陈浩辉(1.东莞理工学院电子工程与智能化学院,广东东莞523808;(2.深圳大学机电与控制工程学院,广东深圳518 0 52)摘要:并网逆变器作为连接可再生能源发电、微电网等大电网的重要接口设备,其网侧并网电流的质量与电网能否稳定运行密切相关。而基于虚拟同步发电机控制的电压源型逆变器连接到非理想电网时,并网电流会产生严重的畸变,并且采用LCL型滤波器的并网逆变器会给系统带来谐振
2、,从而造成并网电流振荡。通过对近年来谐振抑制控制方法以及并网电流质量改善的控制策略文献的梳理,总结出三个研究重点:如何消除LCL滤波器造成的并网电流振荡;如何消除畸变电网造成的并网电流畸变;如何消除不平衡电网造成的负序电流分量。同时对文献中所提到的改进控制策略进行全面总结分析,对各种控制策略改善效果进行比较,对三相并网逆变器输出电流波形实现正弦化提出了展望。关键词:LCL并网逆变器;虚拟同步发电机;非理想电网;并网电流质量;电流改善控制策略中图分类号:TM464文献标志码:A文章编号:10 0 9-0 312(2 0 2 3)0 3-0 0 6 1-0 9近年来,随着石油、煤炭、天然气等传统化
3、石能源的消耗以及人们对环境保护意识的提高,太阳能、风能等可再生清洁能源获得了更加广泛的关注1-2 。电力电子技术的发展也使得新能源发电呈现一片蓬勃发展之势3-4。而并网逆变器作为新能源发电与大电网的接口装置,其在电网中的应用比例也随之增加。并网逆变器的使用能够提高分布式发电和微电网应用中电压和电流等电能质量指标5-6 ,采用并网逆变器抑制谐波是必要和必然的。此外,针对L型滤波器无法在高频段提供良好的衰减特性且动态性能较差以及LC滤波器由于欠阻尼在输出端极易产生较大振荡的问题,选择可以在高频段提供良好的衰减特性,同时保持低频段较好的增益特性的LCL滤波器进行滤波7 。但是LCL滤波器是欠阻尼的三
4、阶系统,在谐振频率处存在谐振尖峰,容易引起并网逆变器振荡,造成系统不稳定,所以需要对谐振尖峰进行抑制。常采用的方法是利用无源阻尼8 】控制方式来抑制谐振,这种方式可以有效抑制谐振尖峰,但是会带来额外的有功损耗,因此需要采用更为合理的控制方式来解决谐振问题。有源阻尼控制方式的提出为解决谐振尖峰抑制问题提供了一个完善的解决方案。并网逆变器在将可再生能源发电并入到电网的同时还需要保证电网的安全稳定运行,需要为电网提供稳定的电压和频率支撑。为了获得稳定的电压和频率,可以采取虚拟同步发电机(Virtu-al synchronous generator,VSG)控制技术9),该控制策略模拟了传统同步发电机
5、的外特性,使得并网逆变器具有惯性和阻尼特性,能够对电网电压和频率进行调节。然而,由于分布式发电系统中变压器数量的增加以及我国新能源发电大多都需要进行长距离输送电能,因此线路等效阻抗较大,这也使得电网呈现出线路阻抗不可忽略的弱电网特性10 。01。电路中大量非线性负载的存在以及电网谐波电压畸变的日益严重都将会导致并网逆变器输出电流中含有大量谐波电流,这也容易造成VSG的并网电流质量严重下降。而当三相电网不平衡时,容易造成并网电流出现负序分量,这收稿日期:2 0 2 2-0 7-10作者简介:李义云(19 9 6),男,江西吉安人,硕士生,主要从事电力电子技术研究,Email:1358 0 7 4
6、8 38 q q.c o m。*通讯作者:张志(19 8 1一),男,湖南岳阳人,副教授,博士,主要从事电气工程、电力电子、新能源发电等研究,Email:Zh a n g z 。622023年东莞理工学院学报也会使得电网不稳定。本文将从LCL滤波器易引发并网电流谐振,电网电压含谐波易造成并网电流畸变以及电网电压不平衡容易导致并网电流含有负序分量这三个问题出发,对给出相应解决办法的文献进行探讨研究,对解决办法进行归纳总结,并针对文献所提控制策略进行评述。一三相电压源型逆变器拓扑三相并网逆变器拓扑结构如图1所示,从并网逆变器拓扑结构可以看出,逆变器侧电感LI、滤波电容C和线路阻抗L。共同组成了LC
7、L滤波器,因此以LCL滤波器的形式进行分析。而图中的R,和R。分别为滤波电感L,和线路电感L,的寄生电阻,Ud为直流侧电压,U(x=、b、c)为逆变器侧输出电压,ix(x=、b、c)为逆变器侧电感电流,i(x=、b、c)为滤波电容电流,U。为滤波电容电压,igx(x=a、b、c)为并网电流,V。为电网电压。并网逆变器输出端电压中含有大量的开关频率以及倍数频率附近的谐波,采用LCL滤波器可以起到一定程度的谐波衰减作用,但仍无法达到IEEEStd929-2000标准规定的并网电流总谐波失真(TotalHarmonicDistor-tion,T H D)小于5%的要求。LCL滤波器的参数设计很复杂,
8、需要综合考虑电流纹波以及谐振频率大小等多方面因素来设置滤波电感L和滤波电容C的数值。最早期的LCL滤波器是文献12提出的根据电磁特性来设计,这种方法是通过大量工程经验总结出来的,没有具体的设计依据。文献13-14利用遗传算法来优化滤波器参数,然而这种方法寻找局部最优解的准确率低,为了更加准确的找到最优解,文献15提出了利用非线性规划寻找滤波器参数最优解。文献16】提出一种采用改进人工蜂群算法(I A BC)来设计滤波器,能够兼顾多约束条件,有效获取滤波器最优参数。文献17 以有源滤波器常用的LCL型无源接口滤波器为模型,推导各无源器件的参数设计方法,对传统LCL滤波器进行改进。JKLIRiRg
9、VUoaiLaeaUobitbibebgbUdcUiecgc图1三相并网逆变器拓扑结构2LCL滤波器谐振抑制方法2.1三相并网逆变器谐振机理分析LCL滤波器被广泛应用于有源电力滤波器和电网的公共接口,能够为电路提供低阻尼损耗和高谐波滤波效果,图1所示的三相并网逆变器拓扑的单相支路s域电路模型可以简化为如图2 所示形式。其中U。(s)为逆变器输出端电压,I(s)为网SLRSLgR1(s)1.(s)U.(s)C V(s)+V.(s)图2三相并网逆变器单相支路s域电路等效模型侧并网电流。根据戴维南等效原理,又可将图2化简为图3所示的戴维南等效电路。R1g(s)U(s)V(s)图3戴维南等效电路其中U
10、。(s)为逆变器侧输出等效电压,其值可用式(1)表示,Ig(s)为并网电流,R为等效输出阻抗,其值可表示为式(2),由此可推导出逆变器侧输出电压U。(s)到并网电流I(s)之间传递函数如式(3)所示。1U(s)(S),(1)L,Cs?+R,Cs+163李义云,等:非理想电网下三相电压源型逆变器谐振抑制和并网电流改善控制策略综述第3期L,L,Cs+(L,R,C+L,R,C)s2+(L,+Lg+R,R,C)s+R,+RR(2)L,Cs2+R,Cs+11GLCI(3)U(s)L,L,Cs3+(L,R,C+L,R,C)s?+(L,+L+R,R,C)s+R,+R通过劳斯判据对式(3)判稳可知,该系统为三
11、阶不稳定系统,可以绘制出G_LCL(s)的伯德图,如图4中的无阻尼曲线所示。从图4可以看出,LCL滤波器的频率响应存在一个谐振尖峰,此谐振尖峰处对应角频率,就是谐振角频率,忽略寄生电阻R,和R。的影响,谐振角频率可用式(4)表示。因此可以确定LCL滤波器能够对系统谐波抑制起到一定效果,但是也会给系统带来谐振【18 ,而谐振会使得系统振荡,因此我们应该采取一定的控制策略来抑制谐振尖峰。L+LW,=L,LC(4)Bode Diagram0无阻尼串联电阻无源阻尼-50*并联电阻无源阻尼:-100:-150:-2000:(op)asud-45-90-135-180-225-27010010110210
12、3104105106107Frequency/(rad s)图4LCL滤波器无阻尼、串串联电阻无源阻尼、并联电阻无源阻尼伯德图2.2谐振尖峰抑制方法谐振尖峰抑制方法主要分为无源阻尼控制19 与有源阻尼控制20两大类。而无源阻尼控制策:略又分为串联电阻无源阻尼控制以及并联电阻无源阻尼控制两类,分别通过在LCL滤波器支路上串联和并联一个阻值较小的电阻实现谐振尖峰抑制,文献2 1-2 3采用的是电容支路串联电阻的无源阻尼控制方式,文献【2 4-2 5分析了如图5所示的滤波电容串联电阻和图6 所示的滤波电容并联电阻的无源阻尼方法。分别使用这两种无源阻尼控制策略之后,其逆变器侧输出电压U。(s)到并网电
13、流I(s)之间传递函数分别表示为式(5)和式(6)。SLRSLR11.(s)1(s)十CV(s)U.(s)V(s)Rs图5滤波电容串联电阻SLsRSLIRI(s)I.(s)1()+十U.(s)C V.(s)RsV(s)图6滤波电容并联电阻U.(s)sCR,+1(5)LL,Cs3+(L,R,C+LR,C+LR,C+L,RC)s?+(L+L+RR,C+R,R,C+R,R,C)s+R+R642023年东莞理工学院学报U(s)RL,L,R,Cs3+(L,L+L,R,R,C+L,R,R,C)s+(L,L+L,R,+LR,+L,R,+R,R,R,C)s+R,R,+R,R,+R,R,(6)通过图4伯德图中串
14、联电阻无源阻尼与并联电阻无源阻尼的曲线对比,可以看出在低频段串联电阻方式和并联电阻方式效果相同,在高频段串联电阻的无源阻尼方式的谐振抑制能力不如并联电阻无源阻尼方式。但是并联电阻的无源阻尼方式所带来的损耗更大,因此无源阻尼更多选择串联电阻方式。尽管无源阻尼控制简单、稳定可靠,能够起到谐振抑制效果,但引人的阻尼电阻会带来有功功率的损耗2 6 ,在小电网中可以选择这种方式,但在大电网中,这种方式带来的功率损耗将是巨大的,因此其使用场合受限有源阻尼控制策略则是通过在电压电流双环控制环节中将某一部分电压或电流进行反馈控制,又或者是多变量反馈形成虚拟阻抗消除LCL滤波器产生的谐振尖峰。有源阻尼控制能够有
15、效解决无源阻尼控制方式所引人电阻发热造成的功率损耗问题【2 7-2 8 。根据反馈变量进行分类,可分为基于电容电流、电容电压、网侧电感电压、逆变器侧电感电流、并网电流的单变量反馈方式,以及多变量组合进行反馈的控制方式。可以将有源阻尼控制下的电压电流双环控制等效电路建模如图7所示,通过将不同的反馈量反馈到电压电流双环控制等效电路中的电压环实现不同有源阻尼控制策略,文献29-30#提出了电容电流比例反馈的有源阻尼方式,从双环控制中引出反馈量电容电流Ic(s),然后经过一个比例环节反馈到电压环PR控制器G(s)前,电容电流有源阻尼控制由于反馈环节是一比例环节,设计相对简单,应用广泛。文献【31-33
16、提出将电容电压反馈的有源阻尼控制方式,但是电容电压反馈容易激发LCL型VSG滤波电路振荡,为了解决这个问题,文献34提出了一种电容电压比例反馈和电容电压微分相结合的有源阻尼谐振抑制策略。文献35-38 提出了并网电流反馈的有源阻尼优化设计方案,该方案调节阻尼比最大化,能够扩大稳态区域,并得以改善系统的动态特性。文献39 提出了一种混合状态变量反馈的有源阻尼控制策略,将并网电流与逆变器侧电感电流的差值,作为状态变量进行反馈控制,能够提供较高低频增益,同时又具有良好的高频抑制性能。文献【40 提出了一种基于逆变器侧电流和并网电流反馈的双电流有源阻尼控制策略,与传统阻尼策略相比,该控制策略能够更好的
17、实现LCL滤波器的谐振抑制,能够提供更大的稳定裕度,并且在弱电网下具有更好的抗干扰能力,能够有效抑制LCL滤波器谐振尖峰。U.(s)IL(s)Ic(s)U.(s)1()SG.(S)PWM/ZLPIU.(s)(s)有源阻尼反馈系数图7有源阻尼控制的电压电流双环控制等效电路有源阻尼控制策略是优于无源阻尼控制策略的,它在保证了向电网注人的几乎是正弦电流的同时,还能够更好的降低THD。此外,无源阻尼控制策略由于引人了真实阻抗元件,会造成有功功率的损耗,进一步降低并网逆变器系统的整体效率41。不同有源阻尼控制策略也有不同效果,电容电流反馈因其设计简单,但能够有效抑制谐振尖峰,成为目前最为广泛使用的方法。
18、在实际系统中,滤波电容电压的采样会有一定的相位延迟,无法做到实时性,因此滤波电容电压微分反馈有源阻尼使用较少。逆变器侧电感电流由于是滤波电容电流与进网电流幅值之差,因此谐振尖峰抑制效果比电容电流有源阻尼方法效果差。如果采用并网电流有源阻尼方法,需要设计二阶微分反馈系数,这在实际工程中较难以实现,因此并网电流有源阻尼控制策略使用受限。而多变量有源阻尼控制策略需要多个传感器对反馈量进行采集,这将大大增加成本,因此也较少使用。总之,不同的有源阻尼控制方法都能够起到谐振尖峰的抑制效果,因此可以根据使用场合选择不同cont65第3期李义云,等:非理想电网下三相电压源型逆变器谐振抑制和并网电流改善控制策略
19、综述的有源阻尼控制策略。3并网电流波形改善控制策略3.1并网电流畸变机理根据图2 所示三相并网逆变器等效电路,运用基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律可得U.(s)-V(s)=l(s)Zu(s),(7)I(s)=I(s)+I,(s),(8)V(s)=I(s)Z,(s)+V,(s),(9)V(s)1.(s)(10)Z.(s)式中,ZLi(s)=sL,+R;Z(s)=1/(sC);Z,(s)=sL,+R。联立式(7)式(10),可以解出网侧电流为(11)Z(s)con2式中,Zcom(s)为逆变器侧阻抗;Zgrid(s)为网侧阻抗,可分别表示为Z.(s)(12)Zu(s)Z.(s)+Z,(s)Z.(
20、s)+Zu(s)Z,(s)Zgria(s)=Z(s)+Z.(s)(13)Zu(s)Z.(s)+Z.(s)Z.(s)+ZL(s)Z,(s)由式(11)可知虚拟同步发电机的并网电流一部分取决于网侧电压和网侧阻抗,另一部分取决于逆变器侧输出电压和逆变器侧阻抗。因此,当电网电压含谐波时,将通过网侧阻抗作用,产生谐波电流并入到电网。此外,当公共电网中非线性负载含量过大时,如果仍然采用理想电网条件下的并网逆变器控制策略,也会产生谐波电流并入到电网中42】,这两个因素是引发并网电流畸变的最大诱因。在网侧电压含谐波及线路中非线性负载含量增加这两个因素共同作用下并网电流谐波畸变43 将会加剧,严重的会导致电网崩
21、溃。然而,有源阻尼控制策略只能抑制电网电压平衡且不含背景谐波条件下LCL滤波器引发的并网电流谐振,无法对电网电压含谐波以及电网阻抗变化较大的非理想电网情况下的并网电流进行改善44。因此,我们需要在有源阻尼改善并网电流的基础上采取其他控制策略来消除并网电流中的谐波畸变3.2并网电流改善控制策略三相并网逆变器并网电流改善控制策略的研究主要围绕电网电压含谐波以及电网电压不平衡这两种情况展开,电网电压含谐波时会导致并网电流中谐波含量过高,从而导致电网振荡,而电网电压不平衡时,会导致并网电流中存在负序分量,从而降低并网电流质量。因此,并网电流改善控制策略主要目标为降低并网电流谐波含量以及消除并网电流中负
22、序电流分量。根据针对目标的不同可以将并网电流改善控制策略分为谐波抑制控制策略以及负序电流消除控制策略,其中谐波抑制控制策略又可以分为电网电压前馈控制策略以及虚拟阻抗控制策略。3.2.1电网电压前馈控制策略针对采用传统控制策略无法消除并网电流中的谐波成分,文献【45提出通过改变电流环基准来矫正人网电流的控制策略,然而入网电流不仅与电流环基准指令有关,还与电网电压本身有很大关系,该控制策略并没有从本质上改善入网电流质量。文献【46-47】通过搭建电容电流反馈的有源阻尼的LCL逆变器模型,推导出控制模型开环传递函数,在此基础上建立如图8 所示的PCC点电压前馈的电压和电流双环等效模型,其中G()为所
23、设计的电网电压前馈系数。Vg(s)G(S)U.(s)IL(s)Ic(s)U.(s)I(s)S十Gu(s)KpWM1/ZLZc/ZU.(s)图:电网电压前馈的电压电流双环控制等效电路文献【44,48 针对电网阻抗和电压畸变引起电网电流不稳定和谐波的问题提出了一种公共耦合点(PCC)处电网电压前馈自适应控制策略,采用谐波频率的带通滤波器检测栅极阻抗变化,在复杂的电网情况下增强系统鲁棒性。然而,在弱电网中,由于时间延迟的影响,PCC电压前馈容易使并网逆变器不稳定,文献【49 提出了使用栅极电压代替PCC电压作为前馈变量来解决这一问题。文献【50 提出一种自适应陷波滤波器同步工具实现电流环控制的改进方
24、式,通过电网20233年66东莞理工学院学报电流反馈修正并网电流。但是,这种控制策略需要用到多个传感器,考虑到经济性,该方法并不太适用。文献51针对电网电压畸变的并网逆变器系统,提出了一种使用谐波提取器提取出电流信号中的基波分量和特定谐波分量的电流改善控制策略。电网电压前馈策略是补偿谐波最直接的方法,但由于电网电压前馈回路的误差,如延迟等,严重影响电网电压前馈策略的有效性。因此,文献52 提出了一种采用开环简化重复控制器来补偿延迟的改进控制策略。电网电压比例前馈、谐波准谐振控制等被广泛应用于实现低电流畸变。然而,由于电网阻抗和并联逆变器数量的增加,系统的稳定性很容易受到挑战。文献53针对这个问
25、题提出了一种基于栅极电感电压差的简化栅极电压全前馈控制策略,在保证谐波抑制的同时保证系统的稳定性。总之,各种电网电压前馈控制策略都是通过将电网电压中的谐波含量提取出来,并将其前馈到双环结构中的电压环进行补偿消除。3.2.2虚拟阻抗控制策略为了应对由于分布式发电机组在地理位置上排布不同而导致的电网电压信号的采集困难,无法实现电网电压前馈控制的问题,提出了虚拟阻抗的控制策略。虚拟阻抗控制策略是通过采集并网电流并提取出其中特定频次的谐波电流,再经过一个虚拟阻抗将其反馈到电压电流双环控制的外环电压环实现谐波补偿,从而改善并网电流。其电压电流双环控制等效电路如图9 所示,其中Zvir(s)为引人的虚拟阻
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 理想 电网 三相 电压 逆变器 谐振 抑制 并网 电流 改善 控制 策略 综述
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。