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光伏并网逆变器扫频与稳定性分析：从理论到实践

创作时间:

作者:

@小白创作中心

光伏并网逆变器扫频与稳定性分析：从理论到实践

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/qq_46009436/article/details/146101589

光伏并网逆变器是连接光伏系统与电网的关键设备，其稳定运行对整个电力系统的安全性和可靠性至关重要。本文将详细介绍光伏并网逆变器的扫频与稳定性分析方法，包括阻抗建模、扫频法验证、锁相环（PLL）建模以及电流环控制策略等内容。

1 概述

光伏并网逆变器扫频与稳定性分析（含锁相环、电流环）研究框架主要包括以下几个方面：

一、阻抗建模基本原理与方法

光伏并网逆变器阻抗建模的基本原理主要包括以下几个方面：

小扰动线性化：阻抗建模的核心是通过小扰动线性化方法，将逆变器和电网视为两个独立子系统，分别建立其阻抗模型。这种方法通常在dq坐标系下进行电压和电流的扰动-响应分析。
谐波线性化：为了简化建模过程，许多研究采用谐波线性化方法。通过在系统中添加谐波扰动信号，利用傅里叶变换提取对应频率分量，在频域中建立线性化传递函数模型。这种方法可以有效减少变量个数，提高建模效率。
状态空间模型：建立并网系统的状态空间模型是阻抗建模的重要步骤。状态空间模型能够描述系统的动态行为，但其计算复杂度较高，因此需要结合现代控制理论进行简化。
锁相环（PLL）的影响：锁相环的动态特性对系统中的坐标变换有重要影响，尤其是在低频段。因此，在建模时需要考虑PLL的动态特性，以确保模型的准确性。
耦合项和电网阻抗：在建模过程中，需要考虑逆变器输出阻抗与电网阻抗的交互作用。通过分析耦合项和电网阻抗的相互影响，可以更准确地描述系统的谐振特性。
稳定性分析：基于奈奎斯特判据等稳定性判据，对建模后的阻抗特性进行分析，以评估系统的稳定性。这一步骤对于设计有效的控制策略至关重要。
仿真验证：通过仿真工具（如PSCAD/EMTDC或MATLAB/Simulink）对建模结果进行验证，确保模型的准确性和有效性。

二、扫频法验证与稳定性判据

扫频法在电力电子系统中的验证方法主要包括以下几个方面：

阻抗建模与验证：扫频法通过改变信号频率并测量电路响应，用于分析电路的特性。阻抗扫描是通过在不同频率点上进行激励响应测试，获得系统的阻抗变化规律。阻抗建模则通过数学模型帮助工程师理解电路特性并进行优化。正负序阻抗和逆变器在阻抗建模中起重要作用，虚拟同步控制（VSG）和逆变器共同作用于模拟实际运行情况下的电路响应，提高阻抗建模的准确性。
虚拟同步发电机（VSG）仿真模型：VSG扫频法通过设置扫描范围和扫描点数，生成系统的阻抗响应曲线，为逆变器的全面评估、虚拟同步控制的有效性验证以及VSG的性能分析和优化提供了基础。程序注释使操作更加便捷，适合无基础用户使用。
直流充电桩测试：基于扫频校准分流器阻值的方法，通过采集电流和电压信号，实时校准分流器阻值，提高测试精度。该方法适用于直流充电桩的有功电能误差试验，并通过延长充电线的结构设计，实现长期运行并测试直流充电桩的有功电能误差。
变压器绕组故障检测：扫频法结合短路阻抗法和频响法，提高了检测灵敏度，能够准确判断变压器绕组变形。该技术已在多个电网的电力变压器抽检中得到应用，并成功检测出变压器绕组变形的情况。
电容电流测量：基于谐振原理的扫频法可用于测量电网对地电容，通过选定电网的一个消弧线圈低压侧进行测量，简单方便。该方法已在实际测试中验证了其准确性。
幅频特性测试：扫频法通过逐一发出特定频率的正弦波，测量待测网络对这些频率信号的幅度响应和相位响应，绘制出幅频特性曲线。该方法广泛应用于科研和生产领域。
仿真验证：扫频法在Simulink仿真环境中用于光伏并网逆变器的序阻抗扫描与稳定性分析，结合锁相环与电流环，是新能源变流器研究的重要手段。

三、锁相环（PLL）建模与参数设计

锁相环（PLL）在逆变器中的数学模型及稳定性条件涉及多个方面，包括PLL的数学模型、传递函数、稳定性分析以及对系统稳定性的影响。以下是基于我搜索到的资料的详细回答：

锁相环（PLL）的数学模型

锁相环是一种闭环控制系统，用于跟踪输入信号的相位和频率。其基本组成包括鉴相器（PD）、低通滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。数学模型通常通过传递函数来描述，具体形式如下：

鉴相器（PD） ：将输入信号与VCO输出信号进行比较，生成相位误差信号。
低通滤波器（LF） ：滤除高频噪声，平滑相位误差信号。
压控振荡器（VCO） ：根据滤波后的相位误差信号调整输出频率和相位。

传递函数可以表示为：

锁相环的传递函数

在逆变器中，PLL的传递函数通常与系统的开环传递函数结合，形成闭环系统。例如，三相并网逆变器的正负序输出阻抗模型中，引入PLL后，等效阻抗会增加一个额外的阻抗。具体传递函数可以表示为：

稳定性条件

锁相环的稳定性条件主要依赖于其传递函数的极点分布。根据李雅普诺夫能量函数分析，PLL的稳定性条件可以总结为以下几点：

极点位于左半复平面：这是系统稳定的必要条件。
闭环传递函数的增益和相位裕度：增益裕度和相位裕度应满足一定的约束条件，以确保系统的鲁棒性和稳定性。

锁相环对系统稳定性的影响

锁相环在逆变器中的作用不仅限于同步电网电压，还对系统的阻抗特性和稳定性有重要影响。例如：

阻抗特性：引入PLL后，逆变器的输出阻抗会增加一个额外的阻抗，这会影响系统的低频特性。
低频特性：PLL的带宽越大，系统的低频振荡频率越高，但稳定性裕度越低。
参考电流的影响：参考电流越大，系统控制裕度越低，稳定性越差。

实际应用中的优化

为了提高PLL在逆变器中的性能，研究者提出了多种优化方法：

参数优化：通过建立PLL参数之间的数学关系，优化开环传递函数，提高系统的动态性能和稳定性。
滤波器设计：在传统PLL中加入低通滤波器（LPF），以降低PLL对系统稳定性的影响。
改进算法：如基于二阶双广义积分器的SOGI-PLL，能够更好地适应弱电网条件。

结论

锁相环在逆变器中的数学模型和稳定性条件涉及其传递函数、极点分布、阻抗特性和参考电流等多个方面。通过优化PLL参数和设计改进算法，可以显著提高逆变器在弱电网条件下的稳定性和鲁棒性。

四、电流环控制策略对阻抗特性的影响

控制结构分析

虚拟阻抗法：在电流环中引入虚拟电阻Rv和电感Lv，重塑输出阻抗特性，抑制谐振。
有源阻尼设计：电容电流反馈控制通过调节系数Kd，抑制LCL滤波器谐振峰，表达式为：

其中ωr为谐振频率。

参数敏感性与稳定性

比例系数Kp：增大Kp可提升电流环带宽，但可能导致高频段阻抗负阻尼。
延时效应：控制链路延时超过100μs时，需采用多速率采样或前馈补偿，避免相位滞后引发振荡。

五、典型案例与实验验证

Simulink仿真流程

步骤1：搭建含PLL和电流环的LCL型逆变器模型，设置扫频参数（如0.1-2000Hz，200点）。
步骤2：注入扰动信号，采集V/I数据，通过FFT计算导纳矩阵。
步骤3：对比理论阻抗曲线与实测结果，验证模型精度（误差<5%为合格）。

现场实测案例

科华数能实证：在宁夏光伏电站完成全工况扫频，通过阻抗重塑将系统谐振点从1.2kHz移至安全区域，验证宽频抑制策略有效性。
弱电网适应性：当电网阻抗Lg=10mH时，通过增加电流环Kp使相位裕度从30°提升至60%，消除低频振荡。

六、研究挑战与未来方向

高频耦合问题

在数kHz以上频段，开关噪声与寄生参数影响显著，需结合电磁兼容（EMC）模型优化。

多时间尺度交互

锁相环（ms级）与电流环（μs级）的协同需设计分层控制策略，避免动态冲突。

人工智能辅助

基于机器学习的参数自适应调优可解决多变量耦合问题，如深度强化学习用于PLL带宽动态调整。

2 运行结果

部分代码：

%% 读取FFTscope数据
n=fc0(x)+1;
FFTread;
%% 正负序阻抗计算
Zp_scan=-Vaj/Iaj;%三相对称情况下，A相即为正序分量
GM_Zp_scan_1(x)=GM(Zp_scan);
PM_Zp_scan_1(x)=PM(Zp_scan);
end
%% 绘图
figure(1)
subplot(2,1,1)
% semilogx(fc0,GM_Zp_scan_1,'r+','linewidth',1);hold on;
semilogx(fc0,GM_Zp_scan_1,'bo','linewidth',1.5);hold on;
subplot(2,1,2)
% semilogx(fc0,PM_Zp_scan_1,'r+','linewidth',1);hold on;
semilogx(fc0,PM_Zp_scan_1,'bo','linewidth',1.5);hold on;