高渗透率下基于并网逆变器阻抗重塑的锁相环设计方法

针对锁相环、电网阻抗与并网逆变器相互耦合所引发的系统稳定性下降问题。首先,建立考虑电网阻抗的锁相环控制结构模型,通过分析锁相环闭环传递函数可知,电网阻抗会使锁相环系统产生右半平面闭环极点,严重影响锁相环与逆变器系统的稳定性。其次,通过分析逆变器系统输出阻抗,说明锁相环所引入的负阻抗是逆变器系统稳定裕度下降的主要原因。鉴于此,该文提出一种新型锁相环设计方法,理论分析表明,所提方法既能够保证高渗透率下锁相环具有高鲁棒性,又能够对逆变器系统输出阻抗进行重塑,有效拓宽系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提新型锁相环设计方法的有效性。

并网逆变器非线性特性建模及稳定性研究综述

并网逆变器作为连接新能源分布式发电和电网之间的关键接口,发挥着将电能高效、高质量馈入电网的重要作用。随着新能源渗透率的持续提高,并网点处电网存在诸如高电网阻抗、丰富的低频谐波、电压幅值/频率波动甚至故障等复杂状况。鉴于并网逆变器本质上是一个多输入、强耦合的非线性系统,沿用传统的线性建模与分析方法已难以解释工程中的复杂谐波振荡现象,并网逆变器的稳定性分析及其稳定运行受到巨大挑战。为此,该文首先具体阐述了线性与非线性和系统受扰大小之间的关系,指出大干扰稳定性分析更依赖于非线性建模及分析方法的应用。在此基础上,对已见诸报道的并网逆变器稳定性分析方法进行了归纳和对比。然后,详细阐述了稳定性分析方法在并网逆变器特定非线性环节中的应用。最后,总结并讨论了现有研究的不足,以期进一步促进“双高”背景下并网装置非线性建模和稳定性分析的研究。

计及锁相环非线性特性的跟网型逆变器暂态稳定性分析

锁相环作为跟网型逆变器实现相位同步的关键环节,由于其本身所固有的非线性特性,在弱电网情况下,传统小信号模型可能存在不能准确预测锁相环暂态稳定性的问题。为保证受扰后锁相环的稳定运行,提出了一种基于非线性数学模型的稳定性分析方法。首先,根据锁相环工作原理,建立其二阶非线性微分方程,通过相平面法对锁相环输出特性进行定性分析,评估不同参数对锁相环暂态特性的影响;然后,基于等面积法则分析锁相环暂态失稳机理,鉴于传统等面积法则可能导致稳定性的误判,采用非线性动力学多尺度法对锁相环受扰后的暂态时域表达式进行求解,明确锁相环暂态稳定边界;最后,通过Matlab仿真和RT⁃LAB半实物平台验证了所得解析解和锁相环暂态稳定域的准确性,为弱电网条件下锁相环控制参数及电路参数选取提供一定参考。

弱电网下基于电网电压前馈的并网逆变器阻抗重塑控制策略

弱电网下,锁相环在基波以上频段引入的负阻特性,会降低系统输出阻抗的相位,严重影响系统稳定性。鉴于此,该文通过系统控制框图等效变换,推导得到可以消除锁相环负阻特性的电网电压前馈函数,进而提出一种基于电网电压前馈控制的并网逆变器阻抗重塑控制策略。同时,为了提高该策略的普适性,该文利用函数近似和多目标约束为电网电压前馈函数的优化提供两种设计方法,并从系统基波电流跟踪性能、并网功率因数等方面进行误差分析,从而证明其函数优化设计方法的可行性。理论分析表明,优化后的电网电压前馈控制策略,可以有效地对系统输出阻抗相位特性进行重塑,很大程度上拓宽了系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提控制策略的有效性。

计及锁相环动态的单相并网逆变器建模及稳定性研究综述

随着可再生能源渗透率的提高,电网呈现出高电网阻抗的弱电网甚至极弱电网特征,锁相环与电网阻抗交互作用将恶化跟网型逆变器低频稳定性。近年来,诸多文献针对单相跟网型逆变器中的低频振荡问题进行了研究,但缺乏对现有成果系统性地梳理和总结,难以明确进一步的研究重点。为此,该文首先梳理和评述现有计及锁相环影响的逆变器建模及稳定性分析方法,直观地阐述锁相环引起的负阻效应对系统低频稳定性的影响机制,并在此基础上,从改进电流控制环和锁相环角度,系统性地归纳和分析现有各种低频鲁棒性提高方法。最后,总结现有研究在稳定性分析及鲁棒性改进上的不足及研究关键点和难点,指出进一步的研究方向。

并网逆变器LVRT同步稳定性分析及其优化策略

针对现有低电压穿越(LVRT)研究难以准确全面评估变流器同步运行能力的问题,首先结合LVRT特性和电网侧特性定量研究不同因素对准静态平衡点的影响,揭示系统准静态平衡点的存在条件。其次,分析LVRT特性对并网逆变器暂态稳定性和小信号稳定性的影响,明晰电网故障期间系统不仅存在暂态失步的风险,而且难以在准静态平衡点稳定运行。基于以上理论分析,提出一种提高并网逆变器LVRT同步运行能力的优化策略。该策略在LVRT期间根据电网运行状态自适应调整锁相环参数,不仅可降低系统暂态失步的风险,还可增强其小信号稳定裕度。最后,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和优化策略的有效性。

基于功率同步控制的逆变器并网相位误差机理

在并网逆变器中,以锁相环(phase-locked loop,PLL)为代表的电网同步技术得到了广泛应用。然而,由于PLL的引入降低了并网系统的稳定性,使得包括功率同步控制(power synchronization control,PSC)在内的无PLL逆变器控制技术逐渐受到重视。针对PSC的同步技术,现有研究缺乏小扰动下的相位误差模型和理论分析,其同步特性与PLL之间的异同也尚未涉及。为此,在小扰动下首先建立PSC的相位误差模型,并对影响PSC相位误差特性的控制参数进行理论分析。利用所建立模型的频率特性,在相等带宽条件下,对比PSC与传统PLL相位误差之间的差异。仿真和实验证明了PSC相位误差模型的准确性,并且在相等带宽下PSC的同步响应速度显著优于PLL。该文结果可为PSC的控制参数设计、同步理论分析提供一定参考。

弱电网下基于导纳合成相量法的单相并网逆变器鲁棒性提升技术研究

为保证并网逆变器的并网电流与电网电压同步,通常采用锁相环获取电网电压相位信息。同时,为提高并网电流质量,常考虑在回路中加入电网电压前馈。然而,当逆变器工作在弱电网下时,它们均有可能对系统的稳定性带来负面影响。该文以单相LCL型并网逆变器为例,旨在研究弱电网下锁相环和电网电压前馈造成系统不稳定的原因并进行优化。针对2 个不稳定因素存在的情况,该文提出一种导纳合成相量法来分析多个导纳共同作用时的影响机理。考虑到带通滤波器可以衰减不稳定因素的影响,文中加入带通环节对系统的鲁棒性进行优化。结合上述导纳合成相量法的分析结果,确定带通环节的设计目标,并进一步给出带通环节参数的具体设计过程。结果表明,并网逆变器加入优化设计的带通环节后,即使在电网阻抗变化范围较大的情况下,系统仍能稳定工作。

计及频率耦合的单相并网逆变器阻抗建模及稳定性分析

随着可再生能源渗透率的提高,电力电子变流器与大电网间的相互作用引发的振荡事故频发。为了研究新能源并网引发的振荡特征,本文通过实信号与复向量的联系解释了计及锁向环(phase⁃locked loop,PLL)影响时单相并网逆变器产生单频率扰动电压输入,双频率扰动电流输出的原因,并进一步解释了弱电网下产生频率耦合现象的机理,建立了自导纳和互导纳模型,进而推导出逆变器等效输出导纳,最后通过MATLAB/Simulink搭建模型进行仿真,验证了自导纳和互导纳模型的正确性,且最终给出的逆变器等效输出阻抗可根据奈奎斯特稳定判据准确判断系统稳定程度。

计及阻尼和角速度的锁相环暂态同步稳定性分析与提升方法

电力电子装置在电网中渗透率的不断提高导致电网强度和惯量降低,电网故障下暂态同步稳定问题日益突出。针对弱电网故障下并网逆变器的暂态失步问题,建立了计及锁相环阻尼和故障瞬间初始角速度的并网逆变器暂态同步模型,分析了锁相环阻尼和初始角速度变化对暂态同步稳定性的影响规律。提出了基于频率偏差反馈矫正的锁相环附加阻尼控制方法,以提升并网逆变器的暂态同步稳定性。针对不存在稳定平衡点的严重电网故障带来的暂态失步问题,提出了锁相环输出角速度动态补偿方法,实现了故障恢复后系统的稳定运行。最后,搭建硬件在环实验平台,对理论分析和控制方法进行了验证。

弱电网下LCL型并网逆变器输出阻抗复合重塑策略

针对电网电压比例前馈和锁相环(PLL)影响下,电网阻抗宽范围变化时易导致并网逆变器失稳的问题,首先建立了考虑电网电压比例前馈和PLL影响的并网逆变器输出阻抗模型,借助阻抗稳定判据对系统稳定性进行了分析;然后提出一种基于电网电压前馈的复合阻抗重塑策略,通过在电网电压比例前馈环节串联低通滤波器以及加入消除PLL影响的电网电压前馈支路,重塑并网逆变器输出阻抗;最后通过仿真和实验验证所提阻抗重塑策略能够有效提升并网逆变器在电网阻抗宽范围变化情况下的稳定性,改善并网电流质量。

基于无网压传感器控制的单相并网逆变器预同步控制策略

针对无网压传感器控制在换流器与电网同步瞬间,可能导致冲击电流过大进而并网失败的问题,提出一种预同步控制策略,在保证跟网型变流器在弱电网下稳定性的前提下,实现基于无网压传感器控制的单相并网逆变器与电网平滑可靠并网。该控制策略通过对开关管施加占空比满足一定约束条件的周期性脉冲,使换流器作为逆变器连接到交流电网之前以单位功率因数运行在整流模式。因此,交流电网的初始相位可通过采样电流来估计,其中电流相位可通过锁相环(Phase⁃Locked Loop,PLL)获取。所提控制器策略无需采集公共耦合点(Point of Common Coupling,PCC)电压,即可实现换流器与电网平滑可靠并网。最后通过半实物实验测试,验证了所提控制策略的有效性。

主从型微电网并离网模式切换及其稳定控制

主从结构是微电网中常用的一种控制结构。在这种结构中,其中一台为主控逆变器,其余的为从逆变器。并网运行时,主控逆变器需要与电网同步;孤岛运行时,它为从逆变器提供电压参考。基于主从控制,此处研究了控制器状态跟随的微电网平滑切换控制方法;同时,提出了一种适用于微电网系统的新型锁相环,可确保微电网运行模式的平滑转化,减少切换时的暂态影响,增强了系统的稳定性。最后,实验结果验证了此处所提控制方法的有效性和可行性。

计及锁相环动态特性的逆变电源双向故障诊断方法

为准确诊断逆变电源故障,提出一种计及锁相环动态特性的逆变电源双向故障诊断方法。考虑到锁相环动态特性,采用时域分析法对逆变电源信号的故障特征参量进行描述,同时对故障信号电压相位进行变换;然后利用对称分量理论确定瞬时值以诊断逆变电源双向故障。实验选择并联逆变电源故障作为测试对象,按照开路故障、短路故障以及负载电阻故障形式进行划分,分别诊断不同故障下的电压数据的波峰系数。实验结果表明,所提方法检测出的波峰系数与正常态波峰系数范围(1.63,1.68)、VT_(1)开路波峰系数(1.80,2.10)、VT_(2)开路波峰系数范围(1.91,1.95)、VT_(2)短路波峰系数(1.65,1.70)、负载电阻开路波峰系数(1.90,1.92)基本一致。证实了所提方法可以实现故障电压波峰数据的精准判断,具有应用价值。

SIT逆变器无相差锁相环控制系统设计与研究

本文通过对SIT逆变器技术特点的分析,采用集成数字锁相环,并根据相位补偿原理,设计了一种无相差锁相环控制系统,解决了SIT逆变器的浪涌冲击和功率因数偏小等问题。

弱电网下考虑锁相环影响的并网逆变器自适应改进前馈策略

LCL型并网逆变器采用网压比例前馈策略可以有效地抑制电网背景谐波,但在弱电网下,随着电网阻抗的增大,系统逐渐失稳,同时再考虑锁相环影响,系统鲁棒性大幅降低。为此,本文首先建立包含锁相环以及网压比例前馈的LCL型并网逆变器阻抗模型,并采用阻抗分析法进行稳定性分析;提出了在锁相环以及网压前馈通道前串联陷波器对逆变器等效输出阻抗相位进行补偿的改进策略,在提升系统鲁棒性的同时保留网压比例前馈策略谐波抑制能力。然而,改进策略无法满足电网阻抗宽范围变化时系统稳定的要求,因此在改进策略的基础上加入了自适应环节,通过电网阻抗测量技术结合粒子群优化算法对陷波器参数进行自适应优化,从而提升系统在电网阻抗宽范围变化时的鲁棒性。最终通过仿真与实验验证了自适应改进策略的正确性和有效性。

基于PI控制器有源阻尼的并网逆变器自适应改进策略

弱电网条件下,随着电网阻抗的增大,网压比例前馈与锁相环会导致系统鲁棒性大幅降低。为此,建立包含锁相环以及网压比例前馈的LCL型并网逆变器阻抗模型,并使用阻抗分析法进行稳定性分析。提出采用PI控制器有源阻尼的改进策略对逆变器等效输出阻抗相位进行补偿,从而扩大系统对弱电网的适应范围。然而,改进策略具有一定的局限性,因此在改进策略的基础上加入自适应环节,通过粒子群优化算法结合电网阻抗测量技术对所加控制器参数进行自适应优化,从而进一步提升系统在电网阻抗宽范围变化时的鲁棒性。最终通过仿真与实验验证自适应改进策略的正确性和有效性。

三相LCL型逆变器序阻抗简化建模方法及并网稳定性分析

随着分布式电源大量接入电网,配电网呈现明显的电力电子化趋势。作为功率变换接口的逆变器,其与电网的交互稳定性问题不可忽视。对三相并网逆变器进行合理的阻抗建模是分析并网系统稳定性和谐振特性的前提,谐波线性化方法作为物理意义明确的阻抗建模方法受到广泛关注。以三相LCL型逆变器为研究对象,建立了典型锁相环的谐波线性化模型,获得了表征频率耦合效应的阻抗矩阵。基于此,提出一种谐波线性化简化建模方法,对采用典型电容电流反馈控制策略的三相LCL型逆变器进行了阻抗建模。进一步,计及电网阻抗与逆变器阻抗矩阵的交互作用,对多输入多输出系统模型进行变换,获得了适用于稳定性判据的单输入单输出正负序阻抗模型。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提谐波线性化简化建模方法及相应阻抗模型的准确性和其用于稳定性分析的有效性。

高渗透率下一种提高LCL滤波并网逆变器鲁棒性的新型锁相环设计方案

高渗透率下LCL滤波并网逆变器可能因锁相环与电网阻抗的交互影响而引发系统失稳问题。基于上述背景,首先建立考虑电网阻抗影响时的锁相环等效控制框图,利用锁相环输出相角与扰动量之间的函数关系揭示系统鲁棒性下降的主要原因,剖析传统前置滤波器锁相环存在的主要弊端。鉴于此,从优化锁相环控制结构角度考虑,提出一种新型锁相环设计方案,并对所提锁相环的等效传递函数进行推导,同时通过设计示例给出具体的参数设计方法。理论分析表明,所提新型锁相环拥有和传统前置二阶低通滤波器锁相环相同的谐波衰减特性,系统鲁棒性得到保证,并且无需额外的相位补偿环节即可实现并网公共点单位功率因数入网。最后,通过仿真和实验结果验证所提新型锁相环设计方案的有效性。