成功案例

基于远宽能源前沿技术的创新探索和经典案例

合肥工业大学-基于自适应复合导纳校正的并网逆变器稳定方法

用户与研究成果简介:

合肥工业大学杜燕副教授的科研团队针对弱网下含锁相环及电网电压前馈的并网逆变系统与电网阻抗相互耦合导致的系统失稳问题,提出基于锁相环等效导纳和电网电压前馈等效导纳的复合导纳校正策略。


研究利用上海远宽的StarSim电力电子小步长实时仿真器进行实验,通过实验结果验证了所提复合导纳校正方案具有自适应、对弱网高适应性等优点,能有效改善系统相位裕度,并把成果总结发表于《高电压技术》:

杜燕,张梦梦,杨向真,言明明,孙青青,苏建徽.基于自适应复合导纳校正的并网逆变器稳定方法[J/OL].高电压技术. 已录用.


课题研究背景



并网逆变器弱网稳定性研究意义与现状

随着分布式电源的位置分布越来越广泛,电网逐渐表现出弱网特性。在弱网情况下,传统电网电压比例前馈的正反馈通道与并网电流内环通过电网阻抗产生耦合,导致系统稳定裕度下降,其影响频段通常为数十到数千赫兹。另一方面,锁相环(phase-locked loop,PLL)对系统稳定性的影响也会随着电网阻抗的不断增大而逐渐加剧,且其影响频段为两倍PLL带宽,与电网电压前馈影响频段交叠。因此,同时解决公共影响频段内电网电压前馈与PLL带来的不稳定问题至关重要。


针对弱网下电网电压前馈对系统的稳定性影响,有学者在正反馈通道上添加多谐振环节,使得正反馈通道只在电网主要背景谐波频率处有反馈作用,在一定程度上提高逆变器的鲁棒性,但在电网电感较大时不能得到改善。也可通过在前馈支路加入比例项以重塑逆变器输出阻抗,从而达到提高系统稳定裕度的目的。有学者则提出用电网电压替代公共耦合点(point of common coupling,PCC)电压作为前馈变量,提高了系统在弱电网中的稳定性。还有学者提出一种基于无源稳定性的电压前馈方法,消除了导致系统不稳定的输出导纳负实部。


针对弱电网下PLL导致的稳定性问题,可采用阻抗重塑法进行改善。对并网逆变器输出阻抗的重塑主要包括两方面:逆变器自身阻抗的调整以及引入额外校正环节。在并网逆变器自身输出阻抗调整方面,有学者基于对考虑PLL影响的并网电流控制系统暂态模型的分析,提出利用多目标函数优化设计电流控制器参数。有学者提出基于二阶低通滤波器的改进型锁相环结构,在不牺牲PLL带宽的情况下改善系统稳定性。在引入额外校正环节方面,有学者从系统相位裕度补偿的角度考虑,在并网逆变器控制环路并联虚拟阻抗,使之作用于逆变器输出阻抗以达到改善逆变器稳定性的目标。


研究重要内容和创新点



并网逆变器等效导纳结构

考虑PLL及电网电压前馈后,并网逆变系统可等效为并联模型。对并联系统而言,导纳建模可将系统分成几个具有明确物理意义的独立子模块,可对每个子模块单独建模,能更直观地观察各部分分量对系统稳定性的影响。本文参照并网逆变系统阻抗模型,根据戴维南和诺顿等效变换原则等效变换成导纳模型,其等效电路如图1所示。


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图1  弱电网下并网系统等效电路


其中Ypll(s)、Yfv(s)、Yout(s)分别为PLL等效导纳、电网电压前馈等效导纳、无前馈及PLL时逆变器输出导纳。三者的表达式分别为:


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并网逆变器总的等效输出导纳Yout-pll-fv(s)为:


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基于图1所示弱网下并网逆变器诺顿模型,应用阻抗稳定性判据分析考虑PLL及前馈后系统稳定性。图2给出了不同SCRs、锁相环带宽及前馈比例系数条件下的系统相位裕度。由图2可以看出,同一PLL带宽或前馈比例系数下,SCR越小PM越小。减小PLL带宽或前馈比例系数对系统相位裕度有一定的调节作用,但在SCR=2的情况下,PLL带宽减小到100Hz,系统PM仍为负值;前馈比例系数减小至0.2,系统PM也仅为十几度,无法满足实际工程需求。由此可见,随着电网的逐渐减弱,其调整效果受限,在极弱电网下,仅通过调整此两项参数无法使系统满足稳定性要求。因此,需合理设计PLL结构及电网电压前馈结构,以满足极弱电网下系统对稳定性的要求。


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图2  受不同参数影响的系统PM


PLL及电网电压前馈等效导纳重塑

针对PLL导纳分量对系统造成的影响,本文提出了含带通滤波器(Band Pass Filter,BPF)的锁相环结构,在滤除并网电流中由PLL引入的低频谐波成分的同时,可实现无相差的提取电网电压基波,保持输入信号幅值无衰减且有相位保持的特性。式(5)为考虑加入BPF的PLL后系统输出导纳:


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其中GBPF(s)为BPF传递函数,表达式如式(6)所示,k1为阻尼系数,w0为基波角频率。


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从重塑电网电压前馈等效导纳Yfv(s)角度出发,以消除电网电压前馈导致的相位超前为目标提出电网阻抗加权自适应的电网电压比例-微分前馈控制环节。其传递函数如式(7)所示:


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式(7)为改进后的前馈环节,其中snCHadKpwm为所加微分项,n为电压微分前馈调节系数,m为加权比例系数。


基于实时仿真器的算法验证



基于任意拓扑小步长实时仿真的导纳重塑验证

研究在实验验证阶段,模拟了电网阻抗突变、电网频率突变、极弱电网工况,测量并网点电压及并网电流的变化情况,验证所提导纳重塑方法的有效性。一般来说,极弱电网工况一般较难在实物系统上实现;纯软件仿真又有无法接入真实控制器的缺点,较难反应出真实控制器中的延迟和有限精度。采用实时仿真器不仅可以模拟主电路,还能复现数字控制器实现方案的效果,保证较高的实验精确性。


任意拓扑小步长实时仿真对于阻抗测量方法验证的重要性

电力电子系统通常含有高速动作的开关元件,其实时仿真有一定挑战,通常有两种方法来实现电力电子系统的实时仿真,一种是基于PWM占空比测量的平均值大步长方法,一种是基于细节模型的小步长实时仿真。对于实时弱网稳定性分析实验来说,它需要以较快的采样频率对PCC点处的电压和电流信号进行实时采样和FFT分析,而不是经过大步长平均的信号。


远宽能源(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,基于电力电子器件的细节模型,利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真,被广泛应用于牵引供电系统故障诊断、控制策略验证、可再生能源并网、电机驱动等的实时仿真中;合肥工业大学科研团队就采用了StarSim电力电子实时仿真器来进行弱网下基于PLL和电网电压前馈导纳重塑的稳定性改进方法的试验验证。  


图3是HIL测试平台示意图,其包括实时仿真系统HIL和DSP控制器。其中电力电子系统是利用StarSim FPGA Solver按1微秒的步长实时仿真;采用TMS320F28335DSP作为核心的控制器硬件结构,实时仿真器和DSP控制器通过真实的物理IO互连。


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图3  基于StarSim的实验平台


下图为在小步长实时仿真实验平台上导纳重塑前后弱网电压及电流的波形情况。


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由图(a)可以看出,在无导纳校正环节时,电网阻抗为5mH时,电网电压与并网电流波形已发生明显畸变,无法到达并网标准;由图(b)可以看出,当电网阻抗为6mH时,单独对PLL导纳进行重塑,电网电压与并网电流波形得到改善,但当电网阻抗进一步增大,波形出现畸变;由图(c)可以看出,同时对PLL和电网电压前馈等效导纳进行重塑,在电网阻抗为17.1mH时,电网电压与并网电流波形依然良好,满足并网标准,验证了所提复合导纳校正方案的有效性。

 


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