电源学报

电路参数	数值
电网电压${U}_{\mathrm{g}}/\mathrm{V}$	220
采样频率${f}_{\mathrm{s}}/\mathrm{{Hz}}$	9600
额定功率${P}_{\mathrm{o}}/\mathrm{{kW}}$	22
滤波电感$L/\mathrm{{mH}}$	0.25
直流侧电容$C/\mu \mathrm{F}$	2820
滤波电感等效电阻${R}_{\mathrm{L}}/\Omega$	0.01

电路参数	数值
电网电压${U}_{\mathrm{g}}/\mathrm{V}$	220
采样频率${f}_{\mathrm{s}}/\mathrm{{Hz}}$	9600
额定功率${P}_{\mathrm{o}}/\mathrm{{kW}}$	22
滤波电感$L/\mathrm{{mH}}$	0.25
直流侧电容$C/\mu \mathrm{F}$	2820
滤波电感等效电阻${R}_{\mathrm{L}}/\Omega$	0.01

一种提高变流器弱电网适应能力的虚拟阻抗控制策略

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杨树德 ¹ , 李旺 ¹ , 张新闻 ² , 蔡长虹 ³ , 高雄鹰 ³ , 周鑫 ³

电源学报 | 新能源系统 2024,22(2): 158-166

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电源学报 | 新能源系统 2024, 22(2): 158-166

一种提高变流器弱电网适应能力的虚拟阻抗控制策略

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杨树德¹, 李旺¹, 张新闻², 蔡长虹³, 高雄鹰³, 周鑫³

作者信息

¹ 扬州大学电气与能源动力工程学院扬州 225127

² 北方民族大学电气信息工程学院银川 750021

³ 扬州华鼎电器有限公司扬州 225127

杨树德(1986-),男,中国电源学会会员,通信作者,博士,讲师。研究方向:可再生能源发电系统并网控制及稳定性分析。E-mail: 358060069@qq.com。

李旺(1996-),男,硕士研究生。研究方向:弱电网下并网变流器系统的稳定性分析与增强控制。E-mail:735987495@qq.com。

张新闻(1976–),男,博士,副教授。研究方向:电能质量控制技术。E-mail:cindazm@126.com。

蔡长虹(1965-),男,高级工程师。研究方向:机电工程与智能配电网。E-mail: yzcch8128@sina.com。

高雄鹰(1970-),男,副高级工程师。研究方向:机电工程与智能电网。E-mail: yzgaoxy@163.com。

周鑫(1983-),男,本科,工程师。研究方向:电子信息与智能电网。E-mail: zhouxin_cn@163.com。

Virtual Impedance Control Strategy for Improving the Adaptability of Converter to Weak Grid

Shude YANG¹, Wang LI¹, Xinwen ZHANG², Changhong CAI³, Xiongying GAO³, Xin ZHOU³

Affiliations

¹ College of Electrical, Energy and Power Engineering Yangzhou University Yangzhou 225127 China

² School of Electrical and Information Engineering North Minzu University Yinchuan 750021 China

³ Yangzhou Hua Ding Electric Appliance Co., Ltd. Yangzhou 225127 China

出版时间: 2024-03-30 doi: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.158

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摘要

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弱电网下较大的电网等值电感可能引起并网变流器失稳,为此,首先,建立了并网变流器的阻抗模型,根据阻抗比判据分析了电网等值电感对并网变流器稳定性的影响;其次,针对并网变流器对感性电网阻抗适应能力较低的问题,提出了一种基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略,并研究了虚拟电阻值对变流器弱电网适应能力的影响,给出了虚拟电阻的选取原则;最后,搭建了系统仿真模型,仿真结果验证了文中理论分析的正确性和控制策略的有效性。

关键词

弱电网 / 并网变流器 / 虚拟阻抗 / 带通滤波 / 稳定性

Abstract

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The large grid inductance in weak grid may cause a grid-connected converter to be unstable. Therefore, an impedance model of grid-connected converter is built at first, and the influence of grid inductance on the stability of grid-connected converter is analyzed according to the impedance ratio criterion. Then, aimed at the problem of low adaptability of the grid-connected converter to inductive grid impedance, a virtual impedance control strategy based on band-pass filter is proposed, and the influence of virtual resistance value on the adaptability of grid-connected converter to weak grid is studied. Furthermore, a selection principle for the virtual resistance value is also given. Finally, a system simulation model is built, and simulation results verify the correctness of theoretical analysis and the effectiveness of the proposed control strategy.

Key words

Weak grid / grid-connected converter / virtual impedance / band-pass filter / stability

引用本文

杨树德, 李旺, 张新闻, 蔡长虹, 高雄鹰, 周鑫. 一种提高变流器弱电网适应能力的虚拟阻抗控制策略. 电源学报, 2024 , 22 (2) : 158 -166 . DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.158

Shude YANG, Wang LI, Xinwen ZHANG, Changhong CAI, Xiongying GAO, Xin ZHOU. Virtual Impedance Control Strategy for Improving the Adaptability of Converter to Weak Grid[J]. Journal of Power Supply, 2024 , 22 (2) : 158 -166 . DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.158

正文

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并网变流器被广泛应用于新能源并网发电、输电和电能质量治理领域。然而, 由于电网阻抗的不确定性, 近年来国内外由并网变流器与电网交互作用引发的失稳振荡现象频发,范围涉及到风电^[1] 、光伏并网系统^[2] 和高速铁路牵引供电系统^[3] 等多个应用领域, 已经成为影响电网安全运行的重要因素。由于我国可再生能源分布地区偏远且电力用户分散,变流器并网点与电网主线距离远、输电距离长, 导致电网等值阻抗较大^[4],电网可能表现为弱电网特性,严重威胁到并网变流器的稳定运行。光伏电站接入电网技术规定指出, 新能源并网逆变器需能适应的最小短路比为${10}^{\left\lbrack 5\right\rbrack }$,因此,研究如何提高变流器对弱电网的适应能力具有重要的实际意义。

不少学者对如何提高变流器的弱电网适应能力进行了研究, 主要围绕主电路和控制参数的优化设计以及控制策略的改进等方面。针对主电路的参数优化设计方面, 文献[6]给出了以弱电网下并网变流器的稳定性为约束, 以阻尼损耗最小、制造成本最低以及跟踪性能最佳为目标的 LCL 滤波器参数优化设计方法;文献[7]进一步研究了容性电网阻抗下 LLCL 型并网变流器的输出滤波器、EMI 滤波电容以及 RC 无源阻尼支路的参数设计方法。针对控制参数的优化设计方面,文献 [8] 基于 D 分割法, 借助于图形实现了逆变器同时满足相角裕度、幅值裕度、电流环带宽和短路比等多性能指标下 PI 参数稳定域的可视化; 文献[9]给出的 PLL 控制器参数优化设计方法不仅提高了变流器对弱电网的适应能力, 而且保证了系统的快速性。针对控制策略的改进方面,文献[10]提出一种基于电网电流前馈的 PLL, 使得单相并网逆变器在极弱电网下仍能稳定运行; 通过实时估测电网的阻抗值, 文献[11]提出了基于系统敏感度和相位裕度的自适应控制策略；针对弱电网下电网电压前馈对变流器稳定性的不利影响, 文献[12]和[13]分别在电网电压前馈通道中引入带通滤波器和衰减因子提高变流器对弱电网的适应能力。从阻抗的角度讲, 提高弱电网下并网变流器稳定性实际上是对电网阻抗或变流器输出阻抗的调节,文献 [14]通过在公共耦合点并联 RC 无源支路的方式对电网阻抗进行调节; 而文献[15]基于对谐振电压或谐振频率的实时测量实现对变流器输出阻抗的调节; 文献[16]则根据实时检测的电网阻抗值对变流器输出阻抗进行重塑, 在电网阻抗宽范围变化时能够保证系统具有恒定的稳定裕度; 文献 [17]提出了基于有源阻尼与虚拟导纳相结合的阻抗重塑控制策略, 通过对控制参数的统一迭代优化设计对不同频带下阻抗的相位进行补偿,实现对直驱风电机组接入弱电网宽频带振荡的抑制。

综上所述, 现有的虚拟阻抗控制通常基于对电网阻抗大小、谐振电压或谐振频率的实时检测, 算法较复杂, 本文建立了并网变流器的阻抗模型, 根据阻抗比判据分析了电网等值电感对并网变流器系统稳定性的影响, 针对变流器对感性电网适应能力较低的问题, 提出了一种基于带通滤波 BPF (band-pass filter) 的虚拟阻抗控制策略, 进一步研究了虚拟电阻值对变流器弱电网适应能力的影响, 给出了虚拟电阻的选取原则。基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略可显著提高变流器对弱电网的适应能力,而且算法简单、易于实现,在诸如有源滤波器、静止无功补偿器和光伏并网逆变器等系统中置入文中虚拟阻抗控制策略时所增加的运算量很小,且无需对现有设备的控制参数进行修改,也不需要增加额外的硬件资源, 便于应用在并网变流器的研发和升级中。最后, 仿真结果验证了文中理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。

1 并网变流器的输出阻抗模型

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考虑电网阻抗时并网变流器的主电路及控制原理如图1 所示。

其中:${U}_{\mathrm{{dc}}}$ 为直流侧电压;${u}_{\text{inv }}$ 为变流器逆变输出电压;${u}_{\mathrm{g}}$ 为电网电压;${u}_{\mathrm{{pcc}}}$ 为并网点电压;$L$ 为并网变流器的输出滤波电感;${R}_{\mathrm{L}}$ 为其等值电阻;${L}_{\mathrm{g}}$ 为电网等值电感, 考虑到电网等值电阻可为系统提供一定的阻尼,有利于系统稳定,考虑到最恶劣情况,文中假设电网等值阻抗为纯感性^[18] 和${i}^{* }$ 分别为并网电流及其参考值; 图中$f$ 为改善系统启动性能而引入的电网电压前馈支路; LPF 为电网电压采样前置二阶低通滤波器。并网电流的参考值${i}^{* }$ 与其实际值$i$ 做差后作为电流调节器${G}_{\mathrm{i}}\left( s\right)$ 的输入,电流调节器的输出与并网点电压相加后得到调制信号${u}_{\mathrm{M}}$, 再与三角载波比较后产生各开关管的开关信号。

影响弱电网下并网变流器稳定性的因素较多, 比如锁相环和维持直流电压稳定的直流电压外环, 但考虑到在控制系统参数设计时通常锁相环和直流电压外环的穿越频率远小于电流内环, 此时两者与电流内环的耦合较小, 因此文中在分析弱电网下并网变流器的稳定性时忽略直流电压外环和锁相环的影响^[19]。根据图1 可得以并网点电压${u}_{\mathrm{{pcc}}}$ 为扰动时并网变流器的电流控制框图如图2 所示。

目前常见的电流控制器主要有比例积分控制器、重复控制器以及比例谐振控制器。比例积分控制器在同步旋转坐标系下可以实现对交流量的无静差控制, 但在自然坐标系对交流量的稳态跟踪误差较大；重复控制器在自然坐标系下对周期性交流信号具有较强的跟踪能力, 但其中存在的延时环节会影响到系统的快速性; 基于内模原理的谐振控制器在其谐振频率下具有很大的增益, 在自然坐标系下即可实现对谐振频率下交流信号较小的稳态跟踪误差, 近年来在并网变流器控制中得到广泛应用。考虑到谐振控制器对电网频率波动的适应能力, 本文采用具有一定带宽的准比例谐振控制器, 其传递函数为

(1)

${G}_{\mathrm{i}}\left( s\right)= {k}_{\mathrm{p}}+ \frac{2{k}_{\mathrm{r}}{\omega }_{\mathrm{c}}s}{{s}^{2}+ 2{\omega }_{\mathrm{c}}s +{\omega }_{0}^{2}}$

式中:${k}_{\mathrm{p}}$ 为比例系数;${k}_{\mathrm{r}}$ 为谐振系数;${\omega }_{0}$ 为谐振频率;${\omega }_{\mathrm{c}}$ 为控制器带宽。图2 中${G}_{\mathrm{d}}\left( s\right)$ 为数字控制和 PWM 比较所引入的延时, 在 PWM 采用一拍滞后装载模式下该环节引入的延时约为 1.5 个开关周期^[20],可表示为

(2)

${G}_{\mathrm{d}}\left( s\right)= {\mathrm{e}}^{-{1.5}{T}_{\mathrm{s}}s}\approx \frac{1 -{0.75}{T}_{\mathrm{s}}s}{1 +{0.75}{T}_{\mathrm{s}}s}$

式中,${T}_{\mathrm{s}}$ 为采样时间。图2 中${G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)$ 和${G}_{\mathrm{F}}\left( s\right)$ 分别为并网变流器输出滤波器和电压采样二阶低通滤波器的传递函数, 具体表达式为

(3)

${G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)= \frac{1}{{R}_{\mathrm{L}}+ {Ls}}$

(4)

${G}_{\mathrm{F}}\left( s\right)= \frac{1}{\frac{1}{{\omega }_{\mathrm{f}}^{2}}{s}^{2}+ \frac{1}{{Q}_{\mathrm{f}}{\omega }_{\mathrm{f}}}s + 1}$

式中:${\omega }_{\mathrm{f}}$ 为低通滤波器的截止频率;${Q}_{\mathrm{f}}$ 为其品质因数。由图2 可导出并网变流器的输出电流为

(5)

由式 (5) 可得并网变流器的诺顿等效电路如图3 所示。

图中${G}_{\mathrm{z}}\left( s\right)$ 和${Z}_{\mathrm{o}}\left( s\right)$ 的表达式分别为

(6)

${G}_{\mathrm{z}}\left( s\right)= \frac{{G}_{\mathrm{i}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)}{1 +{G}_{\mathrm{i}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)} $

(7)

${Z}_{\mathrm{o}}\left( s\right)= \frac{1 +{G}_{\mathrm{i}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)}{{G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)\left\lbrack {1 -{G}_{\mathrm{F}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right)}\right\rbrack }$

由式 (5) 可知${Z}_{0}\left( s\right)$ 实际上反映了并网点电压${u}_{\mathrm{{pcc}}}$ 与并网电流$i$ 之比,定义为并网变流器的输出阻抗。

2 电网等值电感对并网变流器稳定性的影响

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采用阻抗比判据分析并网变流器系统的稳定性时可将变流器和电网分成 2 个子部分进行建模, 尤其是在分析多变流并网系统稳定性时, 可大幅简化建模过程, 目前在并网变流器系统稳定性分析中应用广泛。阻抗比判据指出并网变流器系统稳定的充要条件为^[21] 在理想电网下,即电网等值阻抗为零时并网变流器系统稳定; 2) 电网阻抗${Z}_{\mathrm{g}}\left( s\right)$ 和式 (7) 给出的并网变流器的输出阻抗${Z}_{\mathrm{o}}\left( s\right)$ 之比, 即${Z}_{\mathrm{g}}\left( s\right)/{Z}_{\mathrm{o}}\left( s\right)$ 满足 Nyquist 判据,电网阻抗${Z}_{\mathrm{g}}\left( s\right)$ 可表示为

(8)

${Z}_{\mathrm{g}}\left( s\right)= {L}_{\mathrm{g}}s $

为了具体分析电网等值电感对并网变流器稳定性的影响,表1 给出了文中并网变流器的主电路参数。根据表1 所示的并网变流器主电路参数, 综合考虑系统的快速性、稳态误差和对电网频率波动的适应能力,选择比例谐振控制器的参数为:${k}_{\mathrm{p}}= 2$;${k}_{\mathrm{r}}= {80};{\omega }_{\mathrm{c}}= {4\pi };{\omega }_{0}= {100\pi }$; 电网电压采样前置二阶低通滤波器 LPF 的截止频率取$2\mathrm{{kHz}}$,品质因数取 0.707。

实际中电网的强弱通常用短路比 SCR (short current ratio), 即电网短路容量与装置额定容量之比来反映^[22],对于同一并网变流器,电网等值电感越大则 SCR 越小, 说明电网越弱, 反之则说明电网越强, 短路比具体可表示为

(9)

$\mathrm{{SCR}}= \left\lbrack {{U}_{\mathrm{g}}^{2}/\left({{\omega }_{1}{L}_{\mathrm{g}}}\right)}\right\rbrack /{P}_{\mathrm{o}}$

式中:${U}_{\mathrm{g}}$ 为电网电压;${\omega }_{1}$ 为电网角频率;${P}_{\mathrm{o}}$ 为并网变流器额定容量。通常在控制系统参数设计时已保证并网变流器在理想电网情况下稳定, 即阻抗比判据的第一个条件已经满足, 此时分析变流器在含电网阻抗工况下的稳定性只需判断阻抗比判据的第二个条件是否满足。根据表1 中给出的并网变流器主电路参数, 结合式 (8) 和式 (7) 可得不同 SCR 下阻抗比${Z}_{\mathrm{g}}\left( s\right)/{Z}_{\mathrm{o}}\left( s\right)$ 的 Nyquist 曲线及(-1,0)点附近的放大图如图4 所示。

图4 表明,当SCR=15.6时,阻抗比的 Nyquist 曲线不包含(-1,0)点,系统稳定。然而,随着 SCR 的减小,阻抗比的 Nyquist 曲线迅速向(-1,0)点移动, 说明并网变流器的稳定性随电网等值电感的增大迅速降低, 当 SCR 减小至 12.5 时, 阻抗比的 Nyquist 曲线穿越(-1,0)点,此时系统开始进入不稳定状态, 进一步分析表明 Nyquist 曲线在频率为${500}\mathrm{\;{Hz}}$ 时穿越(-1,0)点,说明系统失稳时的谐振频率在${500}\mathrm{\;{Hz}}$ 附近。上述结果表明,随着电网等值电感的增大, 并网变流器系统的稳定性迅速降低, 即变流器对弱电网的适应能力较低, 此时并网变流器所能适应的最小 SCR 为 12.5, 并不能满足分布式电源并网标准要求的并网变流器应在短路比大于 10 工况下能够稳定运行的条件^[5]。

3 基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略

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第 2 节的分析表明,传统控制下并网变流器对弱电网的适应能力较低。通过仿真研究发现, 通过在并网点并联阻尼电阻可大幅提高并网变流器在弱电网下的稳定性, 然而电网电压会在该电阻上产生电流从而引入较大的损耗, 因此, 为了在提高变流器对弱电网的适应能力同时避免引入损耗, 本文提出一种基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略,其控制原理如图5 所示。

图中:${R}_{\mathrm{v}}$ 为虚拟阻尼电阻的阻值;${G}_{\mathrm{B}}\left( s\right)$ 为允许基波通过的带通滤波器, 其传递函数为

(10)

${G}_{\mathrm{B}}\left( s\right)= \frac{\frac{{\omega }_{\mathrm{b}}}{{Q}_{\mathrm{b}}}s}{{s}^{2}+ \frac{{\omega }_{\mathrm{b}}}{{Q}_{\mathrm{b}}}s +{\omega }_{\mathrm{b}}^{2}}$

式中:${\omega }_{\mathrm{b}}$ 为$\mathrm{{BPF}}$ 的中心角频率,设置为基波角频率${100\pi };{Q}_{\mathrm{b}}$ 为其品质因数,取 0.157。基于带通滤波的虚拟阻抗控制的具体思路为:通过带通滤波器提取并网点电压中的基波成分, 再利用并网点电压减去其中的基波成分得到谐波成分, 最后将该谐波电压除以虚拟阻尼电阻${R}_{\mathrm{V}}$ 叠加至并网电流参考值上。这种做法使得虚拟阻尼电阻具有一定的 “选频” 特性, 即在基波频率下的阻值表现为无穷大, 避免基波电压产生不必要的电流, 同时在谐波电压下的阻值为${R}_{\mathrm{V}}$,为系统提供阻尼,抑制系统失稳引发的振荡。

根据图5 可导出引入虚拟阻抗后并网变流器的输出电流为

(11)

$ i =\frac{{G}_{\mathrm{i}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)}{1 +{G}_{\mathrm{i}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)}{i}^{* }- \frac{{R}_{\mathrm{v}}{G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)- {R}_{\mathrm{v}}{G}_{\mathrm{F}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)+ {G}_{\mathrm{F}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{i}}\left( s\right)\left\lbrack {1 -{G}_{\mathrm{B}}\left( s\right)}\right\rbrack }{{R}_{\mathrm{v}}\left\lbrack {1 +{G}_{\mathrm{i}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)}\right\rbrack }{u}_{\text{pcc }}$

由式(11)可知,引入虚拟阻抗后并网变流器的输出阻抗为

(12)

${Z}_{\mathrm{o}}\left( s\right)= \frac{{R}_{\mathrm{v}}\left\lbrack {1 +{G}_{\mathrm{i}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)}\right\rbrack }{{R}_{\mathrm{v}}{G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)- {R}_{\mathrm{v}}{G}_{\mathrm{F}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{L}}\left( s\right)+ {G}_{\mathrm{F}}\left( s\right){G}_{\mathrm{d}}\left( s\right){G}_{\mathrm{i}}\left( s\right)\left\lbrack {1 -{G}_{\mathrm{B}}\left( s\right)}\right\rbrack }$

保持其他参数与第 2 节中相同, 根据式 (12) 可得,在阻尼电阻为${10\Omega }$,即${R}_{\mathrm{V}}= {10}$ 时,不同 SCR 下阻抗比的 Nyquist 曲线及(-1,0)点附近的放大图如图6 所示。

需要指出的是,虚拟阻尼电阻${R}_{\mathrm{V}}$ 的取值对阻尼控制效果有着重要影响,为了进一步分析${R}_{\mathrm{V}}$ 对阻尼控制效果的影响,图7 给出了不同${R}_{\mathrm{V}}$ 下变流器能够适应的最小 SCR。

different SCRs with virtual impedance control based on band-pass filter

图6 表明, 采用基于带通滤波的虚拟阻抗控制后, 随着 SCR 的减小, 阻抗比的 Nyquist 曲线向 (-1,0)点的移动速度明显放缓,并网变流器能够适应的最小短路比为 4.96, 说明变流器对弱电网的适应能力得到显著提高。

由图7 可见, 变流器对弱电网的适应能力随${R}_{\mathrm{V}}$ 的减小而增强,且两者近似呈线性关系。需要注意的是, 当电网电压中含有背景谐波时, 该谐波电压同样会在${R}_{\mathrm{V}}$ 上产生不必要的谐波电流,较小的${R}_{\mathrm{V}}$ 意味着系统对电网电压背景谐波扰动的抑制能力降低, 因此虚拟阻尼电阻应在满足变流器弱电网适应能力的前提下尽可能取大值, 以便最小限度地牺牲系统对背景谐波电压扰动的抑制能力, 比如要求变流器能够适应的最小 SCR 为 5, 首先在图7 中作纵坐标为 5 的水平线, 该水平线与图中关系曲线交点的横坐标即为虚拟电阻${R}_{\mathrm{V}}$ 可取的最大值。根据满足弱电网适应能力前提下虚拟阻抗电阻尽可能取大值的原则,由图7 可知,此时可选择${R}_{\mathrm{V}}= {10\Omega }$,同理,若要求变流器能够适应的最小 SCR 为 6, 可选择${R}_{\mathrm{V}}= {12.3\Omega }$。

4 仿真结果

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为了验证文中理论分析的正确性和基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略的有效性, 在 PLECS 下搭建了系统仿真模型,仿真中主电路和控制参数均与文中所给出的值相同。图8 给出了采用传统控制策略时不同 SCR 下的仿真结果。

图8(a)表明,在电网较强,即SCR=12.5时,并网变流器的输出电流正常, 电流 THD 为 1.5%。由图8(b)可知,当 SCR 下降至 10 时, 并网变流器输出电流出现大幅振荡,电流 THD 高达 20.2%,系统呈现出不稳定状态。图8(c)的进一步分析表明此时输出电流的振荡频率在${500}\mathrm{\;{Hz}}$ 附近,这与前文图4 中的分析结果一致。

保持其他参数相同,取${R}_{\mathrm{V}}= {10\Omega }$,图9 给出了采用基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略时不同 SCR 下的仿真结果。可见, 引入虚拟阻抗控制后并网变流器在 SCR 为 10 和 5 时均能稳定运行, 这符合文中第 3 节的理论分析结果。分析表明,并网变流器在 SCR 为 10 和 5 时输出电流的 THD 分别为 1.3%和 0.8%,可见,系统稳定时相同负载下 SCR 越小输出电流的 THD 越小, 这主要是因为较小的 SCR 对应较大的电网等值电感, 其滤波作用使得输出电流中的开关纹波减小,因此总谐波畸变率越小。

为了观察引入虚拟阻抗控制后对系统动态响应的影响,图10 给出了$\mathrm{{SCR}}= {15}$ 工况下引入虚拟阻抗控制前后并网变流器输出电流由半载阶跃变化至满载时的暂态过程。结果表明,引入虚拟阻抗控制前后系统的上升时间基本相同,均为${0.5}\mathrm{\;{ms}}$, 但引入虚拟阻抗控制后系统的调节时间大幅减小, 由${23}\mathrm{\;{ms}}$ 减小至${7.3}\mathrm{\;{ms}}$,这说明引入虚拟阻抗控制后不仅提高了系统的稳定性, 而且不会影响到系统的响应速度。

上述仿真结果表明,传统控制策略下随着 SCR 的减小, 并网变流器系统的稳定性迅速降低, 引入基于带通滤波的虚拟阻抗控制后,并网变流器对弱电网的适应能力显著增强, 验证了文中理论分析的正确性和所提虚拟阻抗控制策略的有效性。

5 结论

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本文首先建立了并网变流器的阻抗模型, 根据阻抗比判据分析了电网等值电感对并网变流器系统稳定性的影响; 然后, 针对传统控制下变流器的弱电网适应能力较低的问题, 提出了基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略, 该控制策略可显著提高变流器在弱电网下的稳定性, 而且算法简单易于实现；最后,仿真结果验证了文中理论分析的正确性和所提控制策略的有效性, 基于上述结果得出以下结论。

(1)电网等值电感对并网变流器的稳定性有较大影响, 并网变流器系统的稳定性随着电网等值电感的增大而降低。

(2)通过将并网点电压与带通滤波器所提取的并网点电压中的基波分量作差, 再除以虚拟电阻系数后叠加至并网电流参考值上, 可在保证系统快速性的同时显著提高变流器对弱电网的适应能力。

(3)在基于带通滤波的虚拟阻抗控制下,变流器所能适应的最小 SCR 随着阻尼电阻值的减小而减小,且两者近似呈线性关系。

(4)阻尼电阻值的选择需综合考虑变流器的弱电网适应能力和系统对背景谐波电压扰动的抑制能力,在满足变流器所能适应的最小$\mathrm{{SCR}}$ 前提下应尽可能取大值, 从而最小限度地牺牲系统对背景谐波电压扰动的抑制能力。

基金

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江苏省高等学校自然科学研究资助项目(19KJB470038)
宁夏自然科学基金资助项目(2020AAC03210)
国家自然科学基金资助项目(51867001)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2024年第22卷第2期

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doi: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.158

接收时间：2021-08-02
首发时间：2025-07-21
出版时间：2024-03-30

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作者

出版历史

收稿日期：2021-08-02
修回日期：2021-08-26
录用日期：2021-09-03

基金

Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions(19KJB470038)

江苏省高等学校自然科学研究资助项目(19KJB470038)

Ningxia Natural Science Foundation(2020AAC03210)

宁夏自然科学基金资助项目(2020AAC03210)

National Natural Science Foundation of China(51867001)

国家自然科学基金资助项目(51867001)

作者信息

¹ 扬州大学电气与能源动力工程学院扬州 225127

² 北方民族大学电气信息工程学院银川 750021

³ 扬州华鼎电器有限公司扬州 225127

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/dyxb/CN/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.158

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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