【阻抗建模、验证扫频法】光伏并网逆变器扫频与稳定性分析(包含锁相环电流环)附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

光伏并网逆变器作为新能源发电系统与电网连接的关键接口设备，其稳定性直接影响整个电力系统的安全运行。随着光伏渗透率的不断提高，逆变器与电网之间的交互作用变得愈发复杂，可能引发诸如谐波放大、谐振甚至系统失稳等问题。

阻抗建模与扫频分析是研究光伏并网系统稳定性的有效方法。通过建立逆变器的输出阻抗模型和电网的阻抗模型，可以基于 "阻抗比判据"（即系统稳定条件为逆变器输出阻抗与电网阻抗之比的 Nyquist 曲线不包围 (-1, j0) 点）来评估系统的稳定性。

本文将重点研究包含锁相环（PLL）和电流环的光伏并网逆变器阻抗建模方法，介绍基于扫频法的阻抗测量与验证技术，并分析各控制环路对系统稳定性的影响。

二、光伏并网逆变器系统结构

典型的三相光伏并网逆变器系统主要由以下部分组成：

1. 直流侧：光伏阵列及储能电容

2. 主电路：三相全桥逆变器拓扑

3. 滤波电路：通常采用 L 型或 LCL 型滤波器

4. 控制系统：包括锁相环（PLL）、电流环、功率外环等

其中，锁相环用于检测电网电压相位，为电流控制提供同步基准；电流环用于跟踪电流指令，实现快速、无静差的电流控制；功率外环根据最大功率点跟踪（MPPT）算法或功率指令生成电流环的参考值。

三、阻抗建模理论

四、扫频法阻抗测量与验证

4.1 扫频法原理

扫频法是一种通过向系统注入扫频信号并测量响应来获取阻抗特性的实验方法。基本步骤如下：

1. 在逆变器输出端或电网侧注入小幅度的正弦扰动信号（电压或电流）

2. 信号频率从较低值扫到较高值（通常为 10Hz 至 10kHz）

3. 同步测量扰动信号和系统响应信号

4. 计算两者的比值，得到频率响应（阻抗或导纳）

4.2 扰动信号注入方式

常用的扰动信号注入方式有：

1. 电压扰动注入：通过逆变器控制信号注入，实现方便，但可能影响系统正常运行

2. 电流扰动注入：需要额外的注入电路，对系统运行影响较小

3. 伪随机二进制序列（PRBS）注入：可以同时激励多个频率点，缩短测量时间

4.3 测量系统构成

一个典型的阻抗测量系统包括：

1. 信号发生器：产生扫频扰动信号

2. 功率放大器：放大扰动信号，驱动注入电路

3. 传感器：高精度电压和电流传感器

4. 数据采集卡：同步采集电压和电流信号

5. 上位机：信号处理与阻抗计算

4.4 阻抗模型验证方法

将理论推导得到的阻抗模型与实验测量结果进行对比，验证模型的准确性。常用的验证指标包括：

1. 幅频特性误差：理论与实验幅频特性的偏差

2. 相频特性误差：理论与实验相频特性的偏差

3. 拟合优度：量化评估曲线的吻合程度

五、稳定性分析方法

六、结论与展望

本文系统介绍了包含锁相环和电流环的光伏并网逆变器阻抗建模方法，阐述了基于扫频法的阻抗测量与验证技术，并讨论了系统稳定性分析方法。研究表明，锁相环和电流环的动态特性对逆变器输出阻抗有显著影响，进而影响系统的稳定性。

未来的研究方向可以包括：

1. 考虑更多非线性因素（如死区效应、开关延迟）的精确阻抗建模

2. 开发快速、高精度的在线阻抗测量方法

3. 基于阻抗特性的控制器参数优化设计

4. 大规模光伏电站集群的阻抗建模与稳定性分析

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 吴旭,王伟,肖华锋,等.并网逆变器整体序阻抗建模方法及其稳定性分析[J].中国电机工程学报, 2024, 44(9):3645-3655.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.222475.

[2] 年珩,朱茂玮,徐韵扬,等.双闭环定交流电压控制下MMC换流站阻抗建模及稳定性分析[J].电力系统自动化, 2020.

[3] 朱钦,沈贵蓉,陈一诚,等.阻抗型单相并网逆变器建模及控制策略研究[J].华东电力, 2013, 41(10):4.DOI:CNKI:SUN:HDDL.0.2013-10-012.

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