一种适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法

技术领域

本发明属于新能源并网发电领域，具体涉及一种适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法。

背景技术

近年来，光伏、风电等新型可再生能源发电技术因其具有清洁环保、永不枯竭等优势得到了迅速发展。作为新能源发电与电网的接口装置，三相并网逆变器在现代电力系统中的作用日益凸显，其控制系统中的一个重要组成部分是电网同步技术，通常利用锁相环获取电网电压的相位角来实现并网逆变器与电网的同步运行，而现有研究表明，锁相环性能的好坏会直接影响弱电网条件下并网逆变器的稳定性，因此设计性能优良的锁相环具有重要意义。

目前标准的锁相环是在同步参考坐标系中实现的，但是它容易受到输入电压不平衡和失真的影响，因此一般采用双二阶广义积分器锁相环(DSOGI-PLL)，通过在环路中加入低通滤波器来有效消除谐波干扰，同时还能具备频率自适应能力。然而，现有的DSOGI-PLL设计存在如下问题：

1、当锁相环控制器采用典型PI控制时，DSOGI-PLL在频率检测和相位检测时会存在较大的超调或振荡，动态性能差；

2、现有的DSOGI-PLL设计方法难以实现高阶传递函数设计，因此滤波效果不好，对输入高频谐波的抗干扰性较差；

3、目前的锁相环结构设计只考虑了自身性能，未考虑对系统稳定性的影响。

针对上述提出的问题，现提出一种适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法，从新能源并网系统稳定性的角度出发，反向确定锁相环控制器的结构和参数，不仅能够获得更好的动态响应性能和更高的滤波能力，还能在宽工况范围内保证新能源并网系统的稳定性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法，包括如下步骤：

S1、分析新能源并网逆变器的运行场景，确定电网复阻抗的变化范围；

S2、根据S1中得到的电网复阻抗变化范围，计算新能源并网逆变器阻抗的允许变化范围，使得新能源并网系统在所有运行场景下均保持稳定；

S3、根据S2中新能源并网逆变器阻抗的允许变化范围，设计新能源并网逆变器的阻抗传递函数；

S4、利用S3中设计的新能源并网逆变器阻抗传递函数，求取期望的锁相环传递函数；

S5、根据S4中求得的期望锁相环传递函数，设计出锁相环控制器结构和参数。

进一步的，S1中新能源并网逆变器的运行场景包括电网网架结构改变或电网运行方式变化情况；

S1中的电网复阻抗通过解析推导或阻抗测量等方法获取；

S1中电网复阻抗变化范围的确定方法为：在新能源并网逆变器的不同运行场景下，分别获取特定频段的电网复阻抗，并画出对应的阻抗幅相变化曲线，各运行场景下的阻抗幅相曲线集合的边界即为电网复阻抗的变化范围。

进一步的，S2中新能源并网逆变器阻抗的允许变化范围为：假设新能源并网逆变器阻抗的相频曲线与各运行场景下的电网阻抗相频曲线向上平移180°后的曲线分别相交于频率点f

进一步的，S2中新能源并网逆变器阻抗的允许变化范围通过如下方式确定：

S2.1、基于S1中不同运行场景下的电网复阻抗幅频变化曲线，取出其中测量频段范围内各频率点对应的电网复阻抗幅值的最大值|Z

S2.2、在幅频曲线图上连接S2.1中的|Z

S2.3、在测量频段范围内所有超出S2.2中电网复阻抗幅频正向最大变化边界的区域即为新能源并网逆变器阻抗在幅频图上的允许变化范围。

进一步的，新能源并网逆变器阻抗允许变化范围的确定方法满足以下前提：新能源并网逆变器阻抗的相频曲线在给定频段范围内与电网阻抗相频曲线向上平移180°后的曲线存在至少1个交点。

进一步的，S3中新能源并网逆变器阻抗传递函数的设计方法如下：

S3.1、S1中电网阻抗的测量频段范围为[ω

S3.2、根据S2中新能源并网逆变器阻抗的允许变化范围，确定并网逆变器阻抗传递函数的约束条件如下：

(1)、在频段[ω

∠Z

(2)、对于任意ω∈[ω

|Z

S3.3、基于S3.2中的约束条件，以新能源并网系统阻尼比均值最大为优化目标，求解出能使新能源并网系统最稳定的逆变器阻抗传递函数

进一步的，所述新能源并网系统的阻尼比均值计算过程为：

S3.3.1、令

上式中：Z

S3.3.2：计算S3.3.1中传递函数G(s)的所有极点P

S3.3.3：求得新能源并网系统第t个阻尼比ζ

进一步的，S4中期望的锁相环传递函数计算过程为：根据新能源并网逆变器的阻抗解析模型：

进一步的，利用最小二乘法求解出期望的锁相环传递函数H(s)，过程如下：

S4.1、取出并网逆变器阻抗解析模型中与锁相环传递函数相关的阻抗模型表达式；

S4.2、令S4.1中的相关阻抗模型表达式与S3.3中优化求解的

同时令

S4.3、求出S4.2中函数f(H(s))关于H(s)的一阶导数f’(H(s))；

S4.4、令S4.3中的导数为0，即f’(H(s))＝0，从而解得期望的锁相环传递函数：

p为分子的阶数，q为分母的阶数；b

锁相环传递函数H(s)满足：

(1)p-q≥2；

(2)b

进一步的，S5中锁相环控制器采用双二阶广义积分器锁相环，锁相环控制器的设计过程如下：

S5.1、根据S4中求得的期望锁相环传递函数H(s)，计算标准三相同步锁相环部分的传递函数G

上式中：G

k

S5.2、利用S5.1中计算的传递函数G

本发明的有益效果：

1、本发明提出的适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法，通过从新能源并网系统稳定性的角度出发反向确定锁相环控制器的结构和参数，保证了新能源并网系统在宽工况范围内运行的稳定性；

2、本发明提出的适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法，其中DSOGI-PLL控制器具有高阶特性，因此滤波能力强、对输入高频谐波的抗干扰性强；

3、本发明提出的适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法，频率检测和相位检测时也能获得更好的动态响应性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是本发明实施例的电网复阻抗测量框图；

图3是本发明实施例的新能源并网逆变器阻抗的允许变化范围示意图；

图4是本发明实施例的频率响应对比结果示意图；

图5是本发明实施例的阶跃响应对比结果示意图；

图6是本发明实施例的系统稳定性对比结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例基于直驱风机并网模型仿真系统，通过测量确定电网复阻抗的变化范围，从新能源并网系统稳定性的角度计算直驱风机并网逆变器阻抗的允许变化范围，进而采用智能优化算法设计并网逆变器的阻抗传递函数，并求取期望的锁相环传递函数，最后设计出DSOGI-PLL控制器的结构和参数。

如图1所示，一种适用于新能源并网逆变器的高阶锁相环设计方法，具体包括如下步骤：

S1、分析直驱风机并网逆变器的不同运行场景，包括电网网架结构改变、电网运行方式变化等情况，并在每种运行场景下采用基于dq坐标系的阻抗测量方法获取电网复阻抗，电网复阻抗的测量框图如图2所示；

所述S1具体包括如下步骤：

S1.1、定系统相角，令q轴电流扰动为0，在d轴电流上施加特定频率的正弦扰动信号，并利用逆Park变换将其转换成三相电流扰动；

S1.2、通过受控电流源将S1.1中的三相电流扰动由PCC点(公共连接点)注入系统，测量系统响应，即PCC点电压和网侧电流，并利用Park变换将其转换到dq坐标系中；

S1.3、对于S1.2中dq坐标系下的PCC点电压和网侧电流，利用参数辨识算法分离出扰动频率下的对应电压：u

S1.4、令d轴电流扰动为0，在q轴电流上施加同S1.1中的正弦扰动信号，并将其转换成三相电流扰动；

S1.5、通过受控电流源将S1.4中的三相电流扰动由PCC点注入系统，测量PCC点电压和网侧电流，并将其转换到dq坐标系中；

S1.6、对于S1.5中dq坐标系下的PCC点电压和网侧电流，利用参数辨识算法分离出扰动频率下的对应电压：u

S1.7、利用S1.3和S1.6中得到的电压电流值，计算电网在该频率下的dq坐标系阻抗矩阵Z

在直驱风机并网逆变器的不同运行场景下，分别测得频段2π～2000πrad/s的电网复阻抗，并画出对应的阻抗幅相变化曲线，各运行场景下的阻抗幅相曲线集合的边界即为电网复阻抗的变化范围，如图3所示。

S2、由S1中得到的电网复阻抗变化范围，计算直驱风机并网逆变器阻抗的允许变化范围，使得风机并网系统在所有运行场景下均保持稳定；

直驱风机并网逆变器阻抗的允许变化范围为：假设并网逆变器阻抗的相频曲线与各运行场景下的电网阻抗相频曲线向上平移180°后的曲线分别相交于频率点f

所述S2具体包括如下步骤：

S2.1、基于S1中不同运行场景下的电网复阻抗幅频变化曲线，取出其中测量频段范围内各频率点对应的电网复阻抗幅值的最大值|Z

S2.2、在幅频曲线图上连接S2.1中的|Z

S2.3、在测量频段范围内所有超出S2.2中电网复阻抗幅频正向最大变化边界的区域即为风机并网逆变器阻抗在幅频图上的允许变化范围，如图3中的阴影区域。

其中，并网逆变器阻抗的相频曲线在给定频段范围内与电网阻抗相频曲线向上平移180°后的曲线存在至少1个交点。

S3、根据步骤S2中风机并网逆变器阻抗的允许变化范围，采用遗传算法设计并网逆变器的阻抗传递函数；

所述S3具体包括如下步骤：

S3.1、S1中电网阻抗的测量频段范围为2π～2000πrad/s，该频段内的电网复阻抗与风机并网逆变器阻抗的传递函数分别为Z

S3.2、根据S2中直驱风机并网逆变器阻抗的允许变化范围，确定并网逆变器阻抗传递函数的约束条件如下：

(3)、在频段[2π，2000π]内，至少存在一个ω

∠Z

(4)、对于任意ω∈[2π，2000π]，均满足：

|Z

S3.3、基于S3.2中的约束条件，以风机并网系统阻尼比均值最大为优化目标，采用遗传算法求解出能使直驱风机并网系统最稳定的逆变器阻抗传递函数

上式中：

所述直驱风机并网系统的阻尼比均值计算过程为：

S3.3.1、令

上式中：Z

S3.3.2：计算S3.3.1中传递函数G(s)的所有极点P

S3.3.3：求得风机并网系统第t个阻尼比ζ

S4、利用S3中设计的直驱风机并网逆变器阻抗传递函数

其中：

上式中：U

利用最小二乘法求解出期望的锁相环传递函数H(s)，过程如下：

S4.1、取出并网逆变器阻抗解析模型中与锁相环传递函数相关的阻抗模型表达式：

S4.2、令S4.1中的相关阻抗模型表达式与S3.3中优化求解的

即：

同时令

S4.3、求出S4.2中函数f(H(s))关于H(s)的一阶导数f’(H(s))；

S4.4、令S4.3中的导数为0，即f’(H(s))＝0，从而解得期望的锁相环传递函数：

锁相环传递函数H(s)满足：

(1)p-q≥2；

(2)b

p为分子的阶数，q为分母的阶数；b

上式中：T

S5、根据S4中求得的期望锁相环传递函数，设计出双二阶广义积分器锁相环(DSOGI-PLL)控制器的结构和参数；

所述S5包括如下步骤：

步骤S5.1、根据S4中求得的期望锁相环传递函数H(s)，计算标准三相同步锁相环部分的传递函数G

上式中：G

k

上式中：k

S5.2、利用S5.1中计算的传递函数G

下面结合具体实施例结果对本方法做进一步说明，以传统锁相环设计方法为对比进行了分析，其中传统方法的设计参数为：k

(1)、频率响应与阶跃响应对比

图4和图5给出了传统方法与本方法的频率响应与阶跃响应对比结果。可以看到，与传统方法相比，本发明所设计的H(s)在频率响应中没有共振峰，在阶跃响应中也没有超调。此外由于q＝4，所设计的H(s)具有更好的滤波性能，证明了其对输入高频谐波具有较强的抗干扰性。

(2)、频率变化对比

当输入频率从50Hz变到51Hz时，结果表明传统方法产生的超调量高达42％，稳定时间高达46.24ms，而本方法的稳定时间能够减少27.40ms。

(3)、相位变化对比

当输入相位有0.1rad(5.73°)变化时，本方法的相位检测具有与频率检测相同的动态性能，再次表明所提方法可以实现无超调的快速响应。

(4)、幅度变化对比

当输入幅度有0.1pu变化时，本方法并不影响系统的稳态性能，同时所提方法产生的暂态变化更小，证明了其优越的滤波性能。

(5)、电压不平衡对比

当输入电压变得不平衡时，两种方法均能消除稳态时的不平衡分量。这表明，所提方法在实现所设计的高阶H(s)的同时，不影响DSOGI-PLL的基本功能。

(6)、谐波失真对比

当输入电压因0.1pu5次和0.1pu7次谐波而失真时，与传统方法相比，本发明所提方法由于具有四阶闭环系统传递函数，因此可以在被检测的频率和相位上产生更低的纹波。

(7)、系统稳定性对比

图6给出了基于传统锁相环设计方法与本发明所提锁相环设计方法的系统稳定性对比结果，图中曲线是仿真模型中直驱风机的输出有功功率。可以看到，基于传统锁相环设计方法的直驱风机并网系统难以保持稳定，而本方法所设计的锁相环不会对系统稳定性造成影响。

上述实施例的结果表明，从新能源并网系统稳定性的角度出发，优化求解H(s)并反向设计锁相环的结构和参数，所提方法能够在不影响系统稳定性的前提下，进一步提升锁相环的自身性能，具有同时改善系统动态性能和稳态性能的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。