阅读说明：本技术 一种抑制并网逆变器频率耦合效应的低带宽对称锁相方法 (Low-bandwidth symmetrical phase locking method for inhibiting frequency coupling effect of grid-connected inverter ) 是由 徐海亮 聂飞 王诗楠 李志� 严庆增 赵仁德 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抑制并网逆变器频率耦合效应的低带宽对称锁相方法,该方法构建了一种低带宽且控制结构对称的锁相环小干扰模型,通过鉴相器、环路滤波器和压控振荡器实现,鉴相器将输入的三相扰动电压经过正反Park变换,环路滤波器将鉴相器输出的电网电压d、q轴小扰动分量分别经过比例积分调节器,输出的两角频率经积分环节后反馈给鉴相器,压控振荡器对环路滤波器输出的角频率分量求平均值并积分运算,获得小扰动输出。本发明能够明显降低锁相环回路带宽且控制结构对称,当电网电压出现次同步扰动分量时,能够明显抑制并网逆变器电流响应中的频率耦合分量的幅值,进而增强系统稳定性,对于开展系统的稳定性分析具有较好的借鉴意义。(The invention discloses a low-bandwidth symmetrical phase-locking method for inhibiting frequency coupling effect of a grid-connected inverter, which constructs a phase-locked loop small interference model with low bandwidth and symmetrical control structure, and is realized by a phase discriminator, a loop filter and a voltage-controlled oscillator, wherein the phase discriminator converts input three-phase disturbance voltage by positive and negative Park, the loop filter respectively passes power grid voltage d and q-axis small disturbance components output by the phase discriminator through a proportional-integral regulator, two output angular frequencies are fed back to the phase discriminator after passing through an integral link, and the voltage-controlled oscillator calculates the average value of the angular frequency components output by the loop filter and performs integral operation to obtain small disturbance output. The invention can obviously reduce the bandwidth of the phase-locked loop and has symmetrical control structure, and when the sub-synchronous disturbance component occurs to the grid voltage, the amplitude of the frequency coupling component in the current response of the grid-connected inverter can be obviously inhibited, thereby enhancing the stability of the system and having better reference significance for developing the stability analysis of the system.)

一种抑制并网逆变器频率耦合效应的低带宽对称锁相方法

技术领域

本发明属于分布式发电并网逆变器、锁相环研究领域，尤其涉及一种抑制并网逆变器频率耦合效应的低带宽对称锁相方法。

背景技术

近些年来，随着新能源分布式发电的飞速进展，三相并网逆变器得到了广泛的应用。然而并网逆变器与电网之间的相互作用对整个系统的稳定性提出了巨大的考验，目前常见的稳定性分析方法主要是通过建立阻抗模型，利用相关判据进行判稳。此时，整个系统被视作是一个单输入单输出的系统，即当电网电压出现某一频率的扰动时，与之相对应的时同一频率的电流扰动。

但是，当并网逆变器中锁相环带宽较大、电流控制器不对称、直流母线电容容量较小时，原有的单输入单输出系统便转换成为单输入双输出系统，也就是说当电网电压出现某一频率的扰动时，对应的电流响应除了原有的同一频率扰动分量外，还包含有另一频率的电流扰动分量。这种现象被定义为频率耦合效应，此时，原有的稳定性判据便不再适用。

基于上述问题，国内外专家学者通过对并网逆变器系统进行建模，并指出可能导致频率耦合效应出现的多种原因，并推导出对应阻抗模型来描述频率耦合效应。除此之外，还有文献推导了锁相环造成频率耦合效应的并网逆变器解析阻抗模型，但其并未对针对锁相环带宽及其控制不对称进行改进。因而从锁相环结构入手对其进行改进，得到一种能够有效降低带宽且控制结构对称的锁相方法对抑制频率耦合效应有着至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种抑制并网逆变器频率耦合效应的低带宽对称锁相方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种抑制并网逆变器频率耦合效应的低带宽对称锁相方法，通过鉴相器、环路滤波器和压控振荡器实现；

所述鉴相器将输入的三相扰动电压经过正反Park变换得到控制坐标系下采用d轴定向时的并网点扰动电压q轴分量和采用q轴定向时的并网点扰动电压d轴分量送入环路滤波器：

式中，上标“c”表示控制坐标系，即锁相环所在坐标系；V₁为电网电压静态工作点；为系统坐标系下采用q轴定向时的扰动电压d轴分量；为系统坐标系下采用q轴定向时的扰动电压q轴分量；Δθ_q表示电网电压实际相位与采用q轴定向时锁相环输出相位的差值；Δθ_d表示电网电压实际相位与采用d轴定向时锁相环输出相位的差值；

所述环路滤波器将鉴相器输出的电网电压d、q轴小扰动分量分别经比例积分调节器后，得到采用d轴定向时的角频率分量Δω_d和采用q轴定向时的角频率分量Δω_q：

式中，k_pp表示锁相环路滤波器中比例参数，k_pi表示锁相环路滤波器中积分参数；为系统坐标系下采用d轴定向时的扰动电压d轴分量，为系统坐标系下采用q轴定向时的扰动电压q轴分量；

两角频率Δω_d、Δω_q经积分环节后，得到鉴相器正反Park变换中所需角度Δθ_q、Δθ_d：

所述压控振荡器对环路滤波器输出的角频率分量Δω_d与Δω_q求平均值并进行积分运算，获得压控振荡器小扰动输出Δθ：

本发明的有益效果是：本发明所提出的一种抑制并网逆变器频率耦合效应的低带宽对称锁相方法中的模型结构简单，各物理量及表达式含义清晰。经理论分析及仿真验证，能够明显降低锁相环回路带宽且控制结构对称，能够明显抑制并网电流响应中频率耦合分量的幅值，进而增强系统稳定性。尽管本发明在并网逆变器环境下进行仿真验证，但是本发明中的低带宽对称锁相环结构仍可用于其他需要抑制频率耦合效应的场合，具有较强的适用性。

附图说明

图1为低带宽对称锁相环控制结构图；

图2为SRF-PLL控制结构图；

图3为两锁相环传递函数对比Bode图；

图4为并网逆变器系统结构控制框图；

图5为两锁相环对应输出导纳对比Bode图；

图6为并网电流FFT分析结果示意图。

具体实施方式

为了更加具体地描述本发明，下面结合附图和具体推导过程对本发明作进一步说明。

本发明一种抑制频率耦合效应的低带宽对称锁相方法，首先通过对低带宽对称锁相环进行小干扰建模，得到低带宽对称锁相环的小干扰模型；然后对并网逆变器系统进行建模，得到对应得能够反应频率耦合关系的导纳矩阵；随后通过对导纳矩阵的分析验证本发明提出的低带宽对称锁相环建模能够明显抑制频率耦合效应；最后仿真结果显示此锁相方法能够明显抑制并网点电压出现次同步扰动分量时的耦合频率电流响应分量，具体步骤如下：

1、求解送入环路滤波器的电网电压的q、d轴小扰动分量包括以下子步骤：

(1.1)低带宽对称锁相环控制结构图如图1所示，将三相对称电网电压视为实际电网电压空间矢量v在电网电压三相静止坐标系上的投影，并将其通过3s/2s变换，得两相静止坐标系下电压分量v_αβ：

式中T_abcαβ为3s/2s变换矩阵。

(1.2)对步骤(1.1)得到的两相静止坐标系下电压分量v_αβ分别进行Park变换和反Park变换，其中Park变换采用电网电压d轴定向，反Park变换采用电网电压q轴定向，得电网电压空间矢量投影到两相旋转坐标系下dq轴电压分量：

式中，上标“c”表示控制坐标系，即锁相环所在坐标系；V₁为电网电压静态工作点，V₁ ^c+为控制坐标系下采用q轴定向时的电网电压静态工作点，V₁ ^c-为控制坐标系下采用d轴定向时的电网电压静态工作点；为控制坐标系下采用q轴定向时的扰动电压d轴分量，为控制坐标系下采用q轴定向时的扰动电压q轴分量，为控制坐标系下采用d轴定向时的扰动电压d轴分量，为控制坐标系下采用d轴定向时的扰动电压q轴分量，为系统坐标系下采用q轴定向时的扰动电压d轴分量，为系统坐标系下采用q轴定向时的扰动电压q轴分量，为系统坐标系下采用d轴定向时的扰动电压d轴分量，为系统坐标系下采用q轴定向时的扰动电压q轴分量；Δθ_q表示电网电压实际相位与采用q轴定向时锁相环输出相位的差值；Δθ_d表示电网电压实际相位与采用d轴定向时锁相环输出相位的差值。

进一步的，将上述二式化简得到控制坐标系下，采用d轴定向时的并网点电压q轴分量和采用q轴定向时的并网点电压d轴分量

当并网点电压采用d轴定向时，其q轴分量在数值上与采用q轴定向时的d轴分量在数值上式相等的，其物理含义的区别仅在于相角旋转方向的不同。

(2)推导抑制频率耦合效应的低带宽对称锁相环小干扰输出Δθ，包括以下子步骤：

(2.1)参照图2的SRF-PLL控制结构图，可得SRF-PLL在时域状态下的动态方程为：

式中，Δθ_q表示采用q轴定向时扰动电压相位；k_pp表示锁相环路滤波器中比例参数，k_pi表示锁相环路滤波器中积分参数。

(2.2)由式(5)所致，当采用图1所示锁相环结构时，经环路滤波器后两角频率输出Δω_d、Δω_q为：

两角频率经积分环节后，可得正反Park变换中所需角度Δθ_d、Δθ_q，：

(2.3)对步骤(2.2)得到的两角频率取平均值后送入压控振荡器，得到对应小扰动输出Δθ为：

其中，为所述低带宽对称锁相环小扰动模型；由式(5)及式(7)可得两锁相环对应的bode图如图3所示，可知式(7)对应的对称锁相环能明显降低原SRF-PLL的带宽。

(3)并网逆变器系统控制结构框图如图4所示，其中v_i表示公共耦合点电压，下标i＝a,b,c，代表相序a,b,c；v表示电网电压；i表示并网电流；v_d、i_d和v_q、i_q分别表示并网点电压、并网电流的dq轴分量；i_dref、i_qref分别表示dq轴参考电流；m_i表示三相调制信号，m_d、m_q分别表示三相调制信号的dq轴分量；V_dc表示直流母线电压；H_di、H_qi分别表示电流内环比例积分PI调节器传递函数；K_d表示电流内环解耦系数；K_m表示电流内环调制系数；θ_PLL表示锁相环输出电网角度。

锁相环带宽较大、电流控制器不对称、直流母线电容较小，均为造成频率耦合效应的原因，当考虑上述情况时并网逆变器输出导纳Y_inv表示为：

式中，Y₁₁表示正序电压扰动对正序电流响应的导纳，Y₁₂表示耦合频率电压扰动对正序电流响应的导纳，Y₂₁表示正序电压扰动对耦合频率电流响应的导纳，Y₂₂表示耦合频率电压扰动对耦合频率电流响应的导纳，V_p表示扰动电压扰动频率分量，V_c表示扰动电压耦合频率分量，I_p表示电流响应扰动频率分量，I_c表示电流响应耦合频率分量

但是当仅考虑锁相环带宽及其控制不对称对频率耦合造成影响时，需作出如下假设：电流控制器是完全对称的，且直流母线电容值较大并将其视为一电压源；此时频率耦合效应仅与锁相环有关，并网逆变器输出导纳矩阵表示为：

式中，Z₁₁表示正序电压扰动对正序电流响应的阻抗，Z₂₂表示耦合频率电压扰动对耦合频率电流响应的阻抗；P₁₁表示正序电压扰动对并网逆变器输出端口正序电压产生的影响，P₁₂表示耦合频率电压扰动对并网逆变器输出端口正序电压的产生影响，P₂₁表示正序电压扰动对并网逆变器输出端口耦合频率电压的产生影响，P₂₂表示耦合频率电压扰动对并网逆变器输出端口耦合频率电压的产生影响；H_i(s)＝H_di(s)＝H_qi(s)表示电流控制器对称时的电流内环PI调节器传递函数；T_PLL(s)为锁相环传递函数；M₁表示三相调制信号的基频分量，表示M₁的共轭；f₁表示电网电压基波频率。

由式(9)-式(12)可知，当不考虑电流控制器不对称及直流母线电压对频率耦合效应造成的影响时，T_PLL(s)出现在输出导纳分子上，且对对角线元素及非对角线元素有着相反的影响。当锁相环带宽越大，T_PLL(s)在高频时的幅值也就越大，此时表征频率耦合关系的非对角线元素幅值也就越大，进而导致输出阻抗的幅值减小，使得系统稳定性受到影响。由式(7)可知本发明提出的低带宽对称锁相环能够明显降低锁相环带宽，除此之外，此锁相环的对称结构还避免了由于dq轴控制不对称对频率耦合效应造成的影响。结合上述分析及图5所示两锁相环对应输出导纳对比Bode图，此锁相环结构应用在并网逆变器系统时，能够明显抑制频率耦合效应。

根据上述理论分析及推导，在MATLAB/Simulink软件中搭建图4所示并网逆变器系统仿真模型，其中：V₁＝311V，f₁＝50Hz，I₁＝50A，V_dc＝650V，L＝0.42mH，K_d＝0.13，K_m＝0.0014，k_p＝0.48，k_i＝603，k_pp＝0.079，k_pi＝4.95。

当电网电压注入20Hz正序扰动后，对并网电流进行FFT分析，其结果如图6所示。从图6可以发现当采用原有传统锁相环时，并网点电流明显出现20Hz及80Hz的扰动分量，且THD值大于5％，并不满足并网准则中要求的THD值小于5％。当采用本发明提出的锁相方法时，20Hz扰动下降了24.67％，80Hz扰动分量下降了54.57％，此时THD值为3.19％，满足并网要求。

上述仿真结果与理论分析预测结果相符，证明了本发明能够明显降低锁相环带宽且实现了dq轴控制结构的对称，并能明显抑制频率耦合效应。