弱电网下并网逆变器的阻抗相角动态控制方法研究
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学)的研究人员张旸、陈新、王昀、龚春英，在2017年第1期《电工技术学报》上撰文指出，由于大功率分布式发电装置的散落分布，电网表现出弱电网特性，电网阻抗会影响并网逆变器的稳定性，使并网电流发生谐波振荡，甚至系统失稳。
首先建立了LCL型单相并网逆变器的输出阻抗数学模型，通过阻抗分析方法研究了弱电网工作条件下并网逆变器的稳定性；然后基于系统相角裕度动态补偿控制思路，提出了一种并网逆变器的阻抗相角补偿控制策略，给出该阻抗相角动态控制策略的具体实现方法与参数设计过程，并定量分析了锁相环、数字控制延迟与阻抗相角补偿控制对逆变器输出阻抗数学模型的影响，以及阻抗相角补偿控制策略对逆变器并网电流基频相位的影响；最后结合脉冲响应法在线测量电网阻抗，设计阻抗相角动态控制方案，通过实验对该方案的有效性进行验证。
分布式发电系统呈散落分布状，其需要大量变压器及较长的输电线连接入公共电网，使得公共电网存在一个不可忽略且随电网运行方式发生变化的等效电网阻抗，表现出弱电网特性[1]。同时，在公共连接点(Point of CommonCoupling，PCC)的电压可能存在较为严重的谐波[2]。作为分布式发电系统与电网间接口的并网逆变器，工作在弱电网下时，其系统的稳定性将会受到影响。因此弱电网下并网逆变器的稳定性问题成为国内研究的热点。
文献[3]研究了弱电网对并网逆变器电流控制器与锁相环(Phase LockedLoop，PLL)的影响，通过时域响应分析方法，研究了比例积分(PI)控制器、比例谐振(PR)控制器及滞后控制器在弱电网下的动态性能变化以及系统稳定性问题。文献[4]分别评估了应用有源阻尼控制、谐波振荡控制、重复控制及电网电压前馈控制四种控制方法的单相并网逆变器在弱电网下工作的稳定性问题。
文献[5]分析了电网阻抗对并网逆变器控制系统的影响，并给出一种改进的电网电压前馈控制策略用于提高弱电网下并网逆变器的稳定性。文献[6]研究了在大型光伏电站多逆变器并联工作情况下电网阻抗对逆变器电流控制的影响，通过建立三相LCL并网逆变器并联系统等效模型分析在弱电网工作条件下系统稳定性以及谐波放大原因。
通常研究弱电网下并网逆变器的稳定性采用控制系统数学建模的方法[3-6]，即通过分析不同电网条件下开环控制函数的特性研究并网逆变器的稳定性。但该方法将控制参数模型和电网阻抗参数耦合在一起，使得分析和设计过程变得复杂。因此，一种基于阻抗的稳定性分析方法被提出[7]，该方法将并网逆变器与电网视为两个独立的子系统，通过独立控制逆变器的阻抗实现增强系统稳定性的目的。
目前，阻抗控制的方法可以分为三类：1通过改变并网逆变器电流控制器结构及锁相环的参数实现阻抗控制[8-10]；2通过虚拟无源器件改变并网逆变器滤波器的等效结构与参数实现阻抗控制[11，12]；3通过定义阻抗控制环节直接作用于并网逆变器输出阻抗实现阻抗控制[13-17]。三类阻抗控制的方法各有其局限性，可能存在控制范围有限、针对性不强的问题。同时大部分阻抗控制的研究都未考虑锁相环对逆变器输出阻抗的影响。
本文以提高弱电网下并网逆变器稳定性为目标，提出一种并网逆变器阻抗相角补偿控制方案，实现不同电网阻抗下逆变器阻抗相角的动态补偿，有效提高并网逆变器的稳定性。
首先建立考虑锁相环及采样与数字控制延迟的LCL型单相并网逆变器输出阻抗数学模型，并基于阻抗的分析方法分析并网逆变器的稳定性；然后提出一种并网逆变器阻抗相角补偿控制策略，给出实现方法与参数设计过程，并分析阻抗相角补偿控制策略对并网逆变器输出阻抗的影响；最后基于提出的控制策略，设计阻抗相角动态控制方案，通过实验对该方案进行验证。
图1 弱电网下考虑锁相环及采样与数字控制延迟的单相并网逆变器结构
结论
本文基于阻抗分析方法研究在弱电网下电网阻抗对并网逆变器稳定性产生的影响，获得以下研究成果：
1）基于阻抗分析方法研究弱电网下并网逆变器的稳定性，并针对交截频率相角不足的问题提出了阻抗相角补偿控制策略，可以在不影响输出阻抗幅值增益的条件下实现并网系统的相角裕度补偿。
2）考虑锁相环及采样与数字控制延迟对单相并网逆变器输出阻抗的影响，建立并网逆变器系统输出阻抗的数学模型，同时对加入阻抗相角补偿控制后并网逆变器的输出阻抗进行建模分析。
3）结合脉冲响应法在线测量电网阻抗技术，提出并网逆变器阻抗相角动态控制方案，该方案在不同电网阻抗工作条件下实现了并网逆变器的相角主动补偿控制，提高了并网电流的电能质量与系统稳定性。