基于双重约束的并网逆变器电流自动化控制方法研究

2024-03-06陈志刚杨晓磊

自动化与仪表 2024年2期

陈志刚，高冰，李滨，杨晓磊

（1.黑龙江工程学院理学院，哈尔滨 150050；2.国网哈尔滨供电公司，哈尔滨 150028）

能源需求不断提升，在节能减排的发展理念下，可再生能源大量并网，例如太阳能和风能等。为保证并网后的能源服务质量，会采用并网逆变器对直流电能进行转换[1]。并网逆变器是电力系统中接入光伏系统后，用于实现能量交换的重要装置之一，其能够将光伏系统产生的直流电能进行逆变转换，形成正弦交流电能，并将其反馈至电网中，提供电能服务[2]。但是，并网逆变器在进行逆变转换时，形成正弦交流电能的同时，也会形成大量的谐波，该谐波会导致并网电流发生畸变，直接影响并网的电能质量，导致并网的运行稳定性较差[3]。文献[4]为提升并网逆变器的电流控制效果，采用改进卡尔曼观测器预测逆变器的运行状态，依据预测结果进行控制变量的补偿，实现电流自动化控制；但是该方法在应用过程中，电流发生跳变时，其控制耗时较长；文献[5]为保证并网逆变器的控制精度，引入电容电压反馈谐振抑制方法结合电流反馈控制，实现电流间接控制，但是该方法在应用过程中，如果电流畸变率较高，则控制结果仍旧和理想结果存在一定偏差。双重约束指的是局部-全局双重约束原则，该原则在多影响变量控制中具有较好的应用效果[6]，能够从不同程度或者方向进行相关参数调整或者目标控制。因此，本文为实现并网逆变器电流的有效控制，保证并网的稳定运行，提出基于双重约束的并网逆变器电流自动化控制方法。

1 并网逆变器电流自动化控制

1.1 并网逆变器结构

为实现并网逆变器电流自动化控制，需分析并网逆变器结构，并构建其电路结构数学模型。文中以典型的三相LCL 并网逆变器为例，展开相关研究和分析，该逆变器结构如图1 所示。

图1 三相LCL 并网逆变器结构Fig.1 Structure of three-phase LCL grid-connected inverter

图1 中，在稳压状态下，三相LCL 并网逆变器的电容用Cdc表示；滤波电感用L1、L2表示，前者对应逆变则，后者对应并网侧；C0表示滤波电容；寄生电阻用R1和R2表示；电容的电压和电流分别用vdc和idc表示；逆变器输出电压用vs表示；iLa和iCa均表示电流，前者对应电感，后者对应滤波电容；并网电流用ig表示；公共连接点电压用vg表示；直流电压和电容电压分别用vzc和vCa表示；电阻用Rdc表示；开关函数用ξa表示。以图1 的结构为基础，在其稳态状态下进行谐波的线性化处理，以此获取该逆变器的时域电路方程，其公式为

式中：Δ 表示扰动变量。

上述6 个公式描述了并网逆变器的状态，则构建基于频域的并网逆变器谐波状态空间（HSS）模型，其公式为

式中：Xt表示t 时刻下并网逆变器的状态量；Ut表示输入量；At和Bt分别表示状态矩阵和输入矩阵。

1.2 谐波的电流干扰分析

本文在进行并网逆变器电流自动化控制时，是通过对并网逆变器的谐波进行抑制，实现电流的有效控制[7]，并且该控制主要是依据PI 控制器完成。采用增益KPWM的比例环节描述逆变桥的传递函数。定义调制电压到逆变桥输出电压的传递函数为ξin（s），其计算公式为

式中：vri表示载波幅值。

如果L1、L2和C0的阻抗依次分别用ZL1（s）、ZL2（s）、ZC0（s）表示，则等效变换后传递函数的计算公式为

式中：ξff（s）表示电网电压前馈函数；Hi1表示有源阻尼系数，对应电容电流反馈；Hν（s）表示谐波传递函数矩阵。

在上述内容的基础上，获取并网逆变器环路增益函数ξA（s）和并网侧电流i2（s）的计算结果，两者的计算公式为

式中：i21（s）表示并网电流指令值；i22（s）表示扰动量。

依据式（12）和式（13）可知，并网电流指令值直接影响并网电流结果，同时扰动量也会造成并网电流的干扰，因此，并网逆变器电流质量会直接受到谐波干扰[8-10]，导致并网电流和指令电流之间存在显著的幅值和相位稳态误差，以此导致并网逆变器电流发生畸变，影响并网的运行稳定性。

1.3 并网逆变器电流自动化控制

1.3.1 前馈阻尼控制结构

谐波的干扰会导致并网逆变器电流发生畸变，因此，为有效实现电流自动化控制，采用输出电流直接前馈的改进阻尼控制方法。该方法的控制结构如图2 所示。

图2 输出电流直接前馈的改进阻尼控制方法结构Fig.2 Structure of improved damping control method with direct feedforward of output current

在该控制方法下，并网逆变器阻抗模型的表达公式为

式中：kD表示谐振抑制参数；FDEL表示控制延迟；T 表示阻抗比；Geq表示前馈系数，同时其可描述s域的传递函数；表示逆变器输出阻抗；GPI表示PI 控制器的传递函数；ξVPLL表示比例支路的传递函数；ξDPLL表示积分支路的传递函数；M 表示采样延迟；I 表示总输出电流结果，Gv表示支路控制系数。

1.3.2 基于双重约束的参数整定

依据式（14）和式（15）可知，Geq是依据KPWM完成计算，Rlinev的控制元素则为kD，因此kD的大小对于谐振的抑制效果具有直接影响。如果kD的取值较小，则会导致谐波的抑制能力不足，谐波控制效果较差；如果kD的取值较大，则导致并网前向通道引入扰动量过大，会发生自身谐振失稳，直接影响并网逆变器运行状态。

文中为保证更佳的电流自动化控制效果，需有效实现谐波控制，因此，文中为获取最佳的kD结果，采用全局-局部稳定双重约束原则，对kD进行整定，其整定原则如下：

（1）基于多机并网系统源网阻抗Bode 图，以全局高频谐振治理效果为约束，确定kD的可行最小值。

（2）以单个并网逆变器ξA（s）的极点分布以及其局部运行状态作为第二重约束，确定kD的可行最大值。

在kD的可行最大值的情况下，并网逆变器输出电流直接前馈阻尼控制的闭环传递函数计算公式为

依据式（16）即可确定最佳的kD结果，依据该参数即可获取最佳的谐波控制结果，以此保证电流的有效控制，保证并网逆变器的稳定运行。

2 实验结果分析

为验证本文方法对于并网逆变器电力的控制效果，文中以某电网中的三相LCL 并网逆变器组为例（3 台逆变器），进行相关测试，该逆变器的结构如图1 所示，并网逆变器的相关参数详情如表1所示。

表1 并网逆变器的相关参数详情Tab.1 Details of related parameters of grid-connected inverters

为验证本文方法对于并网逆变器谐波抑制的应用合理性，获取本文方法在不同的谐波次数下，随着滤波电容C0取值的不断增加，并网电流中的谐波含量结果，如图3 所示。依据图3 测试结果可知，在相同的谐波次数下，随着C0取值的不断增加，谐波含量也逐渐增加，C0对于谐波的变化存在直接影响。因此，本文在进行谐波抑制过程中，结合C0进行谐波抑制，具备较好的合理性，表明降低C0的结果，能够提升并网逆变器谐波的抑制效果，具有较好的合理性。

图3 并网电流中的谐波含量结果Fig.3 Results of harmonic content in grid-connected current

为测试本文方法对于并网逆变器电流的控制性能，获取不同的频率下，本文方法控制后，3 个并网逆变器的电流畸变率结果，如表2 所示。期望标准低于5%。依据表2 的测试结果可知，随着频率的逐渐增加，采用本文方法对并网逆变器电流进行控制后，3 个并网逆变器的电流畸变率均低于5%。其中电流畸变率最高值仅为3.25%。因此，本文方法的应用性能较好，能够有效控制并网逆变器电流结果，降低电流畸变率，提升电流稳定性。

表2 并网逆变器的电流畸变率结果Tab.2 Current distortion rate results of grid-connected inverters

为验证本文方法对于并网逆变器电流的控制效果，获取本文方法应用后，电流发生跳变时，逆变器输出电流的动态性能，测试结果如图4 所示。依据图4 测试结果可知，并网运行过程中，电流发生跳变后，从20 A 跳变为10 A 时，在跳变时刻下，逆变器的输出电流结果发生明显波动变化；采用本文方法对其进行控制后，可在电流跳变过程中，有效控制跳变电流结果，并且控制时间低于0.2 s。

图4 逆变器输出电流的动态性能测试结果Fig.4 Dynamic performance test results of inverter output current

为进一步验证本文方法对于并网逆变器电流的控制效果，获取逆变器在不同的谐振幅度下，逆变器并网入网的变流波动结果，如图5 所示。依据图5测试结果可知，本文方法应用后，均能够有效完成并网逆变器电流的有效控制，逆变器的并网入网电流均呈现稳定的正弦波动，并且3 个逆变器的电流波动曲线几乎完全一致，均在-20 A～+20 A 范围内，控制效果较好，满足电流控制需求。