弱电网下基于权重因子的并网变流器前馈控制研究

罗廷安

（攀钢矿业技改设备部，四川 攀枝花 617063）

根据电网公司光伏电站接入电网技术相关规定，对并网变流器的电网阻抗适应能力进行研究，以改善并网变流器的气动性能，将电网电压前馈引入电流正反馈通路中，仅仅围绕在弱电网下并网变流器的前馈控制问题展开研究，分析在弱电网下，电网电压前馈对系统所带来的影响，提出一种关于电网阻抗的前馈控制策略，根据电网阻抗值对其前馈控制值进行修改，消除并网电流对前馈电压的影响。

1 模型建立

弱电网下并网主流器的电路控制原理如图1。

图1 弱电网下并网变流器主电路控制原理结构图

直流侧电压Udc；交流侧电压uinv；电网电压ug；并网滤波电感L；等值电阻RL。

根据图1，得到各个电网之间的关系：

upcc表示公共并网点电压；Lg表示电网电感；iL表示并网电流。

2 电网阻抗适应能力分析

图2 重复控制器结构图

电流调节器与并网电流的控制性能有直接的联系，目前应用较为广泛的调节器有PI、谐振等，PI 调节器在自然坐标系中无法实现实时跟踪；谐振调节器可以进行无静差跟踪，在实现跟踪之前，要保证系统对电网电压谐波造成一定的抑制效果，让多个谐振调节器发生并联，但是这种算法比较复杂。基于内模原理的重复控制器的算法简单，也可以进行无静差跟踪，在并网变流器的控制中起到了一定的应用效果。在弱电网的条件下，经常会出现比较丰富的电网电压背景谐波，电流调节器与重复控制器结合下的结构控制图如图2。

E（z）表示并网电流误差；C（z）表示控制量；kp 表示增益；q（z）表示跟踪误差，取值越接近1 则误差越小，但是稳定性较差。K 表示因子，主要用于进行补偿数字控制。数字控制系统具有离散特点，采用双线性变换法得到域表达式，得到并网电流的误差传递关系为：

根据公式得到并网电流的误差传递框架结构，如图3。

图3 并网电流的误差传递框架

要想让系统的误差能够得到收敛，需要让图3 中的各个部分保持稳定，根据上述表达式可知，由于q（z）设置为小于1 的数值，在周期延时时不会对其他部分造成影响，也不会造成系统失稳。图3 中，T3 是负反馈环节，采用根轨迹的研究方式，使该阶段可以保证一定的稳定性，而T5 是一个正反馈环节，阶数较高，根据周期延时的环节，采用跟轨迹的分析方式确定其复杂性。根据小增益定理可以得到T5 的稳定性条件，需要满足1的条件。短路比表示为电网短路容量与装置额定容量之间的关系，可以直接反映出电网强度的值，如果短路比小，说明电网越弱。根据并网变换器的参数，将对应的电网电阻值设置为0.7mH，对传统电网电压前馈的电网阻抗适应能力进行重点分析，并根据上述的参数推导得到特定的方程。

3 基于权重因子的并网变流器前馈控制分析

本文研究的重点就是基于权重因子的并网变流器的前馈控制策略分析。

图4 不同权重因子下变流器的最大电网电感

wf表示前馈权重因子。基于权重因子的并网变流器前馈控制与传统的电网电压前馈不同，基于权重因子的前馈控制不会直接将采集到的电压作为前馈量，而是将获取的其他电压作为前馈量，为了保证前馈通道中的信号得到衰减，以达到提高系统稳定性的目的，权重因子的正确选择十分重要。对变流器的电网感性阻抗适应能力进行改善，可以获取前馈对装置启动性能的改善，如图4。权重因子越小，则电网感性的阻抗适应效果越强，正是因为权重因子小，说明前馈电压在并网点电压的所占比例也就越小，造成前馈对装置的性能改善效果较差，因此，在选择权重因子时要充分考虑到系统的稳定性，为了满足稳定性工作的相关要求，可以将前馈权重因子设置为0.7，最大化地保证系统的稳定运行。

4 并网变流器的控制策略分析

4.1 基于电路前馈解耦的PWM 控制

在数学模型的基础上，两相dq 坐标系下的耦合明显减少，为了更好地对并网逆变器进行控制，减小电网波动对电路造成的影响，可以使用电流前馈解耦控制策略。为了对控制原理图进行深入的分析，需要对控制算法进行分析，对有功和无功控制策略进行推到，得到有功电流的控制算法为：

图5 有功电流数学模型框架图

id表示有功电流。根据公式得到有功电流的数学模型图例，如图5。

无功电流的控制算法为：

iq表示无功电流。

根据公式得到无功电流的数学模型图例，如图6。

图6 无功电流数学模型框架图

4.2 PI 调节器

对并网逆变器的静止坐标进行变换的主要目的就是为了更好地设计PI 调节器，通过变换使耦合交流转换为直流，三相转换为两相。锁相环在d 轴和q 轴分别进行电压空间矢量合成与磁链矢量的合成。因此，对有功和无功进行解耦控制时需要对有功和无功进行独立设置。在实际的应用中，对PI 参数进行调节，需要充分考虑滤波器的实际参数值，并根据其特性进行适当的调节，通过反复操作直到系统达到稳定。

5 仿真分析

为了验证上文中关于权重因子的电网电压前馈控制策略是否有效，在plecs 环境下搭建弱电网下的仿真模型，对其参数进行描述。当变流器为0.31mH 时可以稳定工作，当超过0.31mH 时，变流器会发生振动，导致系统出现不稳定的情况，当变流器进入不稳定的状态时，输出的电流频谱的分析结果与理论分析的结果一致。不管是在0.33mH 还是0.7mH，并网变流器都可以安全稳定地运行，验证了控制策略的有效性。

6 结语

建立弱电网下电网电压前馈系统的数学模型，并对传统的电网电压前馈并网变压器的运行效果以及稳定性功能进行了研究，针对传统电网电压前馈导致系统出现的适应能力差的问题，提出了一种关于权重因子的前馈控制策略，引入前重因子对前馈电压进行分析，保证并网变流器在弱电网下的稳定性，从而保证前馈控制的电压扰动，通过搭建的系统仿真模型验证该控制策略的有效性。仿真结果表明，基于权重因子的电网电压前馈控制能够有效地提高系统的稳定性，增强并网变流器在实际运行中的适应能力。