成功案例

基于远宽能源前沿技术的创新探索和经典案例

上海电力大学-基于延时补偿的LCL型并网逆变器电容电压全前馈控制策略

用户与研究成果简介:

上海电力大学杨兴武教授的科研团队提出了一种基于延时补偿的LCL型并网逆变器电容电压全前馈控制策略,该方法将将超前补偿器引入到电容电压前馈项中,并通过相位裕度补偿函数参数设计,在补偿相位裕度的同时使系统输出阻抗幅值增益保持不变。所提控制策略在电网阻抗增加时保证系统的相位裕度大于零,增强了LCL型并网逆变器在电网阻抗变化时的电流控制性能,同时降低电网背景谐波引入的电网电流失真,具有良好的鲁棒性。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出的控制策略正确性及有效性,并把成果总结发表于IET Power electronics:

Yang, X., Wu, G., Meng, Z., Wang, Y., Ji, L., Xue, H., Bian, X.: An improved capacitor voltage full feedforward control strategy for LCL-Type grid-connected inverter based on control delay compensation. IET Power Electron. 14, 2466– 2477 (2021).


课题研究背景



LCL并网逆变器的研究意义与现状

由于当前传统火力发电高能耗和环境污染的局限性,极大地促进了可再生能源发电的发展。 近年来,基于风能和光伏的可再生能源发电方案已得到广泛研究和使用。其中,并网逆变器作为分布式发电与公共电网的接口,已广泛应用于例如光伏电池板,风力涡轮机和储能的分布式发电(DG)系统中。


分布式能源发电在进行并网时,容易产生谐波,故通常需要在逆变端增加滤波装置。与L滤波器相比,LCL滤波器具有比L滤波器更好的谐波衰减能力,并且在实现相同的滤波效果下所需电感更小,其逆变器体积更小、成本更低,因此LCL滤波器在并网逆变器中获得了广泛应用。


然而由于LCL存在固有的谐振特性,需要其他阻尼方法来确保系统稳定性。无源阻尼方法由于实现方法的简单以及对削减谐振峰的显著效果而在业界得到了广泛的应用。但是,这种方法有一缺点,例如高昂的硬件成本和额外的功率损耗导致的传输效率降低,这极大地限制了其适用性。因此基于LCL结构中的附加状态变量反馈的有源阻尼方法得到了国内外学者的广泛研究,如电容电流和电容电压有源阻尼技术。


研究重要内容和创新点



LCL并网逆变器拓扑结构与原理

并网逆变器是分布式能源与电网的接口,LCL型并网逆变器因具有更优的高频谐波衰减性,滤波效果更佳,因此受到了广泛重视。而LCL并网逆变器电容电压前馈技术相较于传统电网电压前馈具有抑制电网背景谐波的优势,成为该领域新的研究方向。


在此研究中,并网逆变器拓扑结构如图所示:


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电容电压全反馈控制利用电容电压前馈项中来抑制由于电网电压中的背景谐波引起的电网电流失真,并且电容电压前馈项中微分分量抵消了电容电流反馈流的电流传感器。根据上图可以得到 LCL 型并网逆变器采用电容电压全前馈控制策略框图,如下所示:


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改进的数字控制延时补偿策略设计与结果

为了提高并网逆变器系统的性能,需要克服控制延时的影响,可以在系统前向通路中引入相位超前补偿器,同时补偿电网电流采样和电容电压采样的延时。现有多种方法可以有效补偿由数字控制延时引入的相位滞后,其中超前补偿法不仅可以有效补偿确定频段内的延时滞后,而且实现简单、易于设计。鉴于以上因素,本文选用超前补偿器(lead compensator,LC)来对数字控制延时的相位滞后进行补偿,其表达式为


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式中α、T和λ均为补偿器参数。此外,超前补偿器在引入超前相位的同时会改变控制环路增益的幅值,因此需要对其引入位置进行合理设计。


式(13)中,Gc(s)可以分为相位补偿环节和增益补偿环节两部分。其中,a用来确定最大相角补偿量,T 为时间常数,它与a共同确定最大相角补偿量所对应的频率点。增益λ则是用来调节相位补偿带来的增益变化。


为了保证并网系统的稳定,延时补偿器需要在穿越频率fcr处提供最大超前相位角φm,使φm能够抵消延时环节Gd(s)引入的相位滞后,即


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根据所需的最大超前相位角φm和超前补偿器的数学特性,令s=jω,可推导出延时补偿器的最大相位补偿角φm


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由此可以推导延时补偿器各参数为


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另外,由于超前校正环节在补偿相角裕度的同时也会对系统开环增益的幅值产生影响,因此需要调整增益λ的大小,令 Gc(s)在最大相位补偿频率处幅值为 1 ,即


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将式(22)带入式(23)并整理之,即可得出参数λ的数学表达式为

 

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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控制策略方法验证

研究在实验验证阶段,模拟了在负载突变、不同IGBT故障情况下,网侧电压、电流、直流侧电压及故障特征信号的变化情况,并验证了所提诊断方法的可行性和鲁棒性。一般来说,IGBT故障这种实验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。 实时仿真器可以同真实控制器连接,又不会有故障实验危险的问题,是IGBT开路故障诊断方法验证的理想测试设备。


任意拓扑小步长实时仿真对于IGBT故障诊断方法验证的重要性

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。


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;上海电力大学的科研团队就采用了StarSim电力电子实时仿真器来进行所提出的改进电容电压全前馈控制的试验验证。  


下图是HIL+DSP测试平台示意图,其包括实时仿真系统HIL和DSP控制器(TMS32028335), 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;控制算法模型运行在控制器上,实时仿真器和快速原型控制器通过真实的物理IO互连。


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下图为在小步长实时仿真实验平台上传统控制策略与改进电容电压全前馈控制策略下的实验波形对比波形。

 

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由图(a)和(b)可以看出,由于电网阻抗的增加,传统控制策略下的并网点电压Upcc含大量的谐波,并网电流ig畸变严重。在采用本文所提的改进的电容电压全前馈控制策略后,可以看出并网电压Upcc谐波大大降低,并网电流也处于稳定的状态。


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另外,上图显示了采用改进的电容电压全前馈方案的动态实验波形,当电流指令值由40A阶跃变化到20A,电网电流ig快速响应,Upcc点电压出现小幅震荡后立刻恢复稳定,没有出现失稳的现象。由此可知,改进后控制方法的电流跟踪效果良好,具有良好的鲁棒性,验证了所提控制方法的有效性。

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