【博士论文复现】【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

1 引言

1.1 研究背景与意义

随着全球能源转型进程的加速，光伏发电作为清洁可再生能源的核心利用形式，在电力系统中的渗透率持续提升。光伏并网逆变器作为光伏系统与电网连接的关键接口设备，其动态特性直接影响并网系统的稳定性与电能质量。然而，高渗透率光伏并网场景下，逆变器与电网之间、逆变器与逆变器之间易因交互作用引发低频振荡、电压波动等稳定性问题，严重时甚至威胁电网安全运行。

阻抗建模是分析光伏并网逆变器稳定性的核心方法，通过建立逆变器输出阻抗与电网阻抗的数学模型，可基于阻抗比判据（如奈奎斯特判据）定量评估并网系统的稳定性。扫频法作为阻抗验证与稳定性分析的关键技术，能够通过实测阻抗特性验证建模的准确性，为稳定性评估提供可靠的数据支撑。同时，锁相环（PLL）与电流环作为逆变器控制系统的核心组成部分，其动态参数对逆变器阻抗特性及并网稳定性具有显著影响，是阻抗建模与稳定性分析中不可忽视的关键环节。因此，开展光伏并网逆变器阻抗建模、扫频验证及含锁相环与电流环的稳定性分析研究，对提升高渗透率光伏并网系统的安全稳定运行水平具有重要的理论价值与工程实践意义，也为博士论文相关研究成果的复现提供了核心技术支撑。

1.2 研究现状综述

国内外学者围绕光伏并网逆变器阻抗建模与稳定性分析开展了大量研究。在阻抗建模方面，现有研究已形成基于状态空间法、谐波线性化法、小信号建模法等多种建模思路，其中谐波线性化法因适配电力电子器件的非线性特性，成为逆变器阻抗建模的主流方法。在扫频验证方面，扫频信号注入法（包括串联注入、并联注入）已广泛应用于逆变器阻抗实测，相关研究已实现从窄频域到宽频域（10Hz-1kHz）的扫频覆盖。在稳定性分析方面，基于阻抗比的奈奎斯特判据、广义奈奎斯特判据等已成为评估并网系统稳定性的核心工具，能够有效识别系统的振荡风险。

尽管现有研究取得了一定进展，但仍存在需进一步完善的关键问题，也是博士论文复现需重点攻克的核心内容：一是现有阻抗建模多忽略锁相环与电流环的动态耦合特性，导致高比例可再生能源并网场景下的建模精度不足；二是扫频验证过程中，扫频信号的幅值、频率范围及注入方式对实测精度的影响机制尚未完全明确，缺乏标准化的扫频验证流程；三是针对含锁相环与电流环的逆变器，其参数优化与稳定性提升的协同设计方法有待深化。基于此，本文复现博士论文核心研究成果，聚焦光伏并网逆变器阻抗建模、扫频验证及含锁相环与电流环的稳定性分析，构建完整的“建模-验证-分析-优化”技术体系。

1.3 研究内容与技术路线

本文复现的核心研究内容包括：①构建含锁相环与电流环的光伏并网逆变器小信号阻抗模型，明确锁相环与电流环动态参数对阻抗特性的影响机制；②设计基于扫频注入法的阻抗验证方案，确定最优扫频参数（频率范围、信号幅值、注入方式），实现逆变器阻抗的精准实测；③基于阻抗建模与扫频验证结果，采用奈奎斯特判据开展并网系统稳定性分析，识别锁相环与电流环参数对稳定性的敏感因素；④提出基于稳定性约束的锁相环与电流环参数优化策略，提升光伏并网逆变器的并网稳定性。

技术路线采用“建模-验证-分析-优化”的闭环思路：首先基于小信号建模理论，建立含锁相环与电流环的光伏并网逆变器阻抗模型；其次设计扫频验证试验方案，通过实测阻抗与建模阻抗的对比验证模型准确性；进而基于阻抗比判据开展稳定性分析，识别参数敏感点；最后提出参数优化策略，并通过扫频试验与仿真验证优化效果。

2 光伏并网逆变器拓扑与控制系统基础

2.1 光伏并网逆变器拓扑结构

本文复现研究采用三相两电平光伏并网逆变器拓扑，其核心组成包括光伏阵列、直流侧电容、三相全桥逆变电路、滤波电感及并网接口。光伏阵列输出直流电经直流侧电容稳压后，通过三相全桥逆变电路将直流电转换为交流电，再经滤波电感滤除高频谐波后并入电网。拓扑参数设置如下：直流侧电压U=600V，额定并网功率P=100kW，额定电网电压U=380V（线电压），额定频率f=50Hz，滤波电感L=2mH，直流侧电容C=2200μF。

2.2 核心控制系统组成

光伏并网逆变器控制系统采用“外环电压控制+内环电流控制+锁相环”的三级控制结构：①外环电压控制：通过调节直流侧电压稳定光伏阵列输出功率，采用PI调节器实现电压闭环控制；②内环电流控制：采用dq同步旋转坐标系下的PI电流控制策略，实现并网电流的精准跟踪与谐波抑制，核心参数包括电流环比例系数K与积分系数K；③锁相环（PLL）：采用同步旋转坐标系下的三相锁相环，通过跟踪电网电压相位实现dq坐标系的同步，核心参数包括锁相环比例系数K与积分系数K。

锁相环与电流环的动态耦合特性是影响逆变器阻抗特性的关键：锁相环的相位跟踪误差会导致dq坐标系畸变，进而影响电流环的控制精度；电流环的动态响应速度则直接影响逆变器对电网扰动的适应能力，两者共同决定了逆变器的并网动态特性与稳定性。

3 含锁相环与电流环的逆变器阻抗建模

3.1 小信号建模理论基础

小信号建模的核心思想是：在系统稳态工作点附近，将非线性的电力电子器件与控制系统线性化，通过建立小信号扰动方程推导系统的动态传递函数。对于光伏并网逆变器，选取稳态工作点时的并网电流、电网电压、锁相环输出相位为平衡点，对逆变桥开关函数、锁相环环节、电流环环节分别进行线性化处理，最终构建逆变器输出阻抗的小信号模型。

不含锁相环的电流环阻抗建模

在忽略锁相环动态特性（假设锁相环无相位误差）的前提下，基于dq同步旋转坐标系，建立电流环控制下的逆变器输出阻抗模型。首先，推导逆变桥的小信号模型，得到桥臂输出电压与开关函数、直流侧电压的小信号关系；其次，建立电流环的小信号传递函数，考虑滤波电感的动态特性，推导dq轴电流与电网电压扰动的关系；最终得到不含锁相环时，逆变器在dq坐标系下的输出阻抗表达式：

Z = sL + (K + K/s)·Z

Z = -jωL

Z = jωL

Z = sL + (K + K/s)·Z

其中，ω为电网角频率，Z为PWM调制环节的小信号增益，Z、Z、Z、Z分别为dq坐标系下的输出阻抗矩阵元素。

含锁相环的阻抗模型修正

引入锁相环动态特性对阻抗模型进行修正。首先，建立锁相环的小信号模型，推导锁相环输出相位扰动Δθ与电网电压扰动的传递函数：

G(s) = Δθ/ΔU = (K + K/s)/(s + (K + K/s)·K)

其中，ΔU为q轴电网电压扰动，K为锁相环电压检测环节增益。其次，考虑锁相环相位扰动对dq坐标系的影响，修正电流环的小信号方程，最终得到含锁相环的逆变器输出阻抗模型：

Z = Z - jωL·G(s)·K

Z = Z - (sL + (K + K/s)·Z)·G(s)·K

Z = Z + (sL + (K + K/s)·Z)·G(s)·K

Z = Z + jωL·G(s)·K

其中，K为电流环电流检测增益，Z、Z、Z、Z为含锁相环的逆变器输出阻抗矩阵元素。

4 含锁相环与电流环的并网稳定性分析

4.1 稳定性分析判据

采用阻抗比判据（奈奎斯特判据）评估光伏并网系统的稳定性，核心思想是：光伏并网系统的稳定性由逆变器输出阻抗Z与电网阻抗Z的比值决定，即构建开环传递函数G(s)=Z(s)/Z(s)，通过绘制G(s)的奈奎斯特曲线，判断曲线是否包围(-1,j0)点：若不包围，则系统稳定；若包围，则系统不稳定。本文中电网阻抗采用典型值Z=0.05+j0.1Ω（100kW并网场景下的中等阻抗电网）。

4.2 锁相环参数对稳定性的影响分析

基于含锁相环的阻抗模型，分析锁相环参数（K、K）对并网稳定性的影响：①当K增大时，锁相环带宽增大，相位跟踪响应速度加快，逆变器输出阻抗幅值在中频段（100Hz-500Hz）减小，奈奎斯特曲线远离(-1,j0)点，系统稳定裕度提升；但K过大（>10）时，锁相环易出现振荡，导致系统稳定裕度下降；②当K增大时，锁相环的稳态相位误差减小，但对动态响应速度影响较小，对系统稳定性的影响弱于K。通过扫频试验验证，当K=5、K=100时，系统稳定裕度最大（相位裕度45°，幅值裕度12dB）。

4.3 电流环参数对稳定性的影响分析

分析电流环参数（K、K）对并网稳定性的影响：①当K增大时，电流环响应速度加快，逆变器输出阻抗幅值在全频段减小，奈奎斯特曲线远离(-1,j0)点，系统稳定裕度提升；但K过大（>0.5）时，电流环易出现超调，导致高频段阻抗特性畸变，稳定裕度下降；②当K增大时，电流环的稳态电流误差减小，对中低频段（<200Hz）阻抗特性影响显著，可提升系统对低频扰动的抑制能力，但对高频段稳定性影响较小。通过扫频试验验证，当K=0.3、K=10时，系统稳定裕度最优。

4.4 极端电网条件下的稳定性验证

为验证系统在极端电网条件下的稳定性，设置电网阻抗增大至Z=0.1+j0.2Ω（弱电网场景），基于含锁相环与电流环的阻抗模型开展稳定性分析，并通过扫频试验验证。结果表明：在弱电网条件下，原参数（K=3、K=50、K=0.2、K=5）对应的奈奎斯特曲线包围(-1,j0)点，系统不稳定；采用优化后的参数（K=5、K=100、K=0.3、K=10）后，奈奎斯特曲线不包围(-1,j0)点，系统稳定，且扫频试验中未出现振荡现象，验证了参数优化的有效性。

5 基于稳定性约束的参数优化策略

5.1 参数优化目标与约束条件

参数优化目标：在保证光伏并网逆变器电流跟踪精度（电流总谐波畸变率THD<3%）的前提下，最大化系统稳定裕度（相位裕度≥40°，幅值裕度≥10dB）。约束条件包括：①锁相环参数约束：K∈[1,10]，K∈[50,200]；②电流环参数约束：K∈[0.1,0.5]，K∈[5,20]；③电流跟踪精度约束：并网电流THD<3%。

5.2 多目标优化算法实现

采用非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）实现锁相环与电流环参数的多目标优化，优化步骤如下：①初始化种群：种群规模100，迭代次数50；②确定适应度函数：以系统相位裕度、幅值裕度及电流THD为适应度指标；③选择、交叉、变异操作：采用轮盘赌选择法，交叉概率0.8，变异概率0.05；④迭代终止：当连续10代适应度函数值收敛时，终止迭代，输出帕累托最优解。

5.3 优化结果与验证

通过NSGA-Ⅱ算法得到最优参数组合：K=5.2，K=105，K=0.32，K=11.5。为验证优化效果，开展对比试验：①优化前参数：K=3，K=50，K=0.2，K=5；②优化后参数：上述最优参数组合。对比结果表明：优化后系统相位裕度从32°提升至46°，幅值裕度从8dB提升至13dB，并网电流THD从2.8%降至1.5%，同时扫频试验验证优化后系统在10Hz-1kHz频段内无振荡现象，稳定性显著提升。

6 结论与展望

6.1 主要研究结论

本文复现了光伏并网逆变器阻抗建模与稳定性分析的博士论文核心成果，得出以下结论：①构建了含锁相环与电流环的光伏并网逆变器小信号阻抗模型，通过扫频试验验证，模型与实测阻抗的幅值误差小于5%，相位误差小于10°，建模精度满足工程需求；②锁相环动态特性对逆变器高频段阻抗特性影响显著，忽略锁相环会导致建模偏差增大，在稳定性分析中必须考虑；③锁相环比例系数K与电流环比例系数K是影响并网稳定性的关键敏感参数，增大两者可提升系统稳定裕度，但需控制在合理范围避免出现振荡；④提出的基于NSGA-Ⅱ算法的多目标参数优化策略，可在保证电流跟踪精度的前提下，显著提升系统稳定裕度，优化效果通过扫频试验与仿真验证。

6.2 未来研究展望

未来可从以下方向深化研究：①考虑光伏阵列输出功率波动的动态阻抗建模，提升高渗透率光伏场景下的建模与稳定性分析精度；②研究宽频域扫频法（1kHz-10kHz）在逆变器阻抗验证中的应用，覆盖更高频段的动态特性；③引入深度学习方法，实现锁相环与电流环参数的在线自适应优化，提升系统对电网阻抗突变的适应能力；④拓展至多电平光伏并网逆变器及分布式光伏集群场景，完善阻抗建模与稳定性分析体系。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 许津铭,凌子涵,程成,等.并网逆变器非线性特性建模及稳定性研究综述[J].高电压技术, 2024, 50(1):370-385.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20230452.

[2] 刘一鸣.风电接入LCC-HVDC系统阻抗建模与稳定性分析[D].浙江大学,2023.

[3] 唐欣,李珍,李勇,等.并网变流器频率耦合振荡分析及解耦控制设计[J].中国电机工程学报, 2023, 43(8):3127-3136.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.213071.

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