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系统并网技术 并网逆变器 弱电网并网 ★ 5.0

一种基于改进有限位置集锁相环的无交流电压传感器并网逆变器频率自适应控制策略

A Frequency Adaptive Control Strategy for Grid-Connected Inverters Without AC Voltage Sensor Based on an Improved Finite Position Set-Phase Locked Loop

作者 Hao Yang · Lihui Yang · Shuo Chen · Jinzhu Shi · Ao Jin
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 系统并网技术
技术标签 并网逆变器 弱电网并网
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 并网逆变器 频率变化 改进牛顿 - 拉夫逊有限位置集锁相环 准比例复数积分控制器 虚拟磁链估计
语言:

中文摘要

对于连接到弱电网且无交流电压传感器的并网逆变器(GCI),频率变化的出现会降低电网电压估计的准确性,还会降低 GCI 的输出性能。为解决这些问题,基于虚拟磁链(VF)估计器,提出了一种基于改进牛顿 - 拉夫逊法的有限位置集锁相环(INR - FPS - PLL)以及一种带有准比例复数积分(QPCI)控制器的频率自适应控制策略。具体而言,为满足频率变化时快速获取电网频率信息的需求,开发了仅需六次迭代的 INR - FPS - PLL。该锁相环计算负担小且收敛速度快。然后,由于频率变化会降低电网电压估计的准确性,根据 VF 估计原理,提出了一种基于频率自适应双一阶低通滤波器并结合补偿技术的电网电压估计方法。此外,为解决电网频率变化导致的 GCI 性能下降问题,根据 INR - FPS - PLL 获取的频率信息调整 QPCI 控制器的谐振频率,从而确保在频率变化时电网电流实现零稳态跟踪误差。最后,仿真和实验结果验证了所提策略的有效性。

English Abstract

For a grid-connected inverter (GCI) without ac voltage sensors connected to the weak grid, the occurrence of frequency variation diminishes the accuracy of the estimated grid voltage and also degrades the output performance of the GCI. To solve these problems, based on virtual flux (VF) estimator, an improved Newton-Raphson method-based finite position set- phase locked loop (INR-FPS-PLL) and a frequency-adaptive control strategy with a quasi-proportion complex integral (QPCI) controller are proposed. In detail, to meet the requirement for rapid acquisition of grid frequency information under frequency variation, the INR-FPS-PLL with only six iterations is developed. This PLL has a low calculation burden and fast convergence. Then, because frequency variation reduces the accuracy of the estimated grid voltage, according to the principle of VF estimation, a grid voltage estimation method based on frequency-adaptive double first-order low-pass filter with compensation techniques is proposed. Furthermore, to solve the performance degradation of GCI caused by grid frequency variation, the resonant frequency of the QPCI controller is adjusted according to the frequency information obtained by the INR-FPS-PLL, so that the zero-steady-state tracking error of grid current is ensured under frequency variation. Finally, simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed strategies.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项无交流电压传感器的并网逆变器频率自适应控制技术具有重要的应用价值和战略意义。

**技术价值分析**:该技术针对弱电网环境下的频率波动问题,提出了基于虚拟磁链估算器和改进型锁相环(INR-FPS-PLL)的控制策略。对于阳光电源的光伏逆变器和储能变流器产品线,这项技术能够显著降低系统成本——取消交流电压传感器不仅减少硬件开支,还提升了系统可靠性。更重要的是,在新兴市场和偏远地区的弱电网环境中,该技术能确保设备在电网频率波动时仍保持稳定运行,这对拓展"一带一路"沿线国家业务具有现实意义。

**应用前景评估**:技术的核心创新在于仅需六次迭代即可实现快速收敛的锁相环算法,以及频率自适应的准比例复积分控制器,确保了零稳态误差跟踪。这种低计算负担的特性使其易于在现有DSP或FPGA平台上实现,技术成熟度较高。对于阳光电源正在推进的户用储能、工商业储能系统,该技术可增强产品在电网质量较差地区的适应性。

**挑战与机遇**:主要挑战在于虚拟磁链估算在极端弱网条件下的鲁棒性验证,以及与现有控制架构的集成优化。建议阳光电源可考虑将此技术与现有的弱电网支撑功能结合,形成差异化竞争优势,特别是在分布式光伏快速渗透导致电网强度下降的应用场景中,这项技术将成为提升产品竞争力的关键要素。