数字控制下光伏并网逆变器稳定性分析及参数优化设计

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输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员郑堃、周林等，在2018年第8期《电工技术学报》上撰文，针对光伏并网逆变器，首先建立在数字控制下的z域模型，然后通过讨论其z域开环传递函数的频率特性，确定并网逆变器相位在不同谐振角频率区间穿越180°的情况。

同时结合奈奎斯特判据，给出光伏并网逆变器在不同谐振角频率区间的稳定判据，并根据此判据提出光伏并网逆变器优化设计思路与方法。该方法能够抵抗电网等效阻抗的宽范围变化，最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。

正文共1985 字

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近年来，随着化石能源资源的日益枯竭，以光伏为代表的新能源受到了社会日益广泛的关注。而并网逆变器作为连接光伏新能源与电网的重要接口，是光伏电站最为关键的组成部分[1-3]。

我国幅员辽阔，光伏能源富集区与负荷之间多呈逆向分布，使许多光伏电站的并网逆变器发出的电能必须通过高压远距离输电才能送达负荷端。因此对于光伏电站并网逆变器来说，电网阻抗是研究并网稳定问题不可忽略的重要因素[4]。

在工程实际中，光伏电站并网逆变器亦多采用电容电流有源阻尼策略的LCL型三相逆变器，因其涉及坐标变换，控制策略较为复杂，故常常采用具有较强运算功能的数字控制器作为控制环节。而数字控制由于本身的特性和其固有的延时环节使光伏逆变器易产生不稳定的状况。

与此同时，不可忽略的电网阻抗变化也可能引起有源阻尼策略的失败，进而加剧逆变器不稳定现象的发生，威胁着光伏电站的安全稳定运行[5,6]。

国内外有一部分学者对数字控制下光伏并网逆变器的建模与稳定性分析做了相关研究。针对数字控制系统离散的特性，有文献[7-9]主张用连续域来模拟离散域的频率特性，其将采样开关、零阶保持器、延迟环节等离散环节用s函数进行近似，从而得出了数字控制下的并网逆变器连续域的近似模型。

此方法虽然简单且易于理解，但这种近似只对系统低频段频率特性适用性较高，对于系统高频段频率特性存在一定误差，导致模型准确度不是很高。而对于这一缺陷，文献[10]对如何用s域较为精确地模拟z域进行了相关的讨论研究。其他文献从z域对逆变器进行了研究。

文献[11]分块推导了含有源电容电流阻尼的LCL型逆变器的z域传递函数，从而组合成系统开环传递函数。但在推导连续部分时利用了冲激脉冲不变法，因此影响模型的准确度，使其推导的区域模型部分正确。文献[12]研究了LCL型逆变器z域模型，但是只考虑了单环结构，未考虑有源阻尼策略的影响，同时亦未考虑电网阻抗的影响，失之普遍性。

本文首先利用带星号的s变换推导出了光伏逆变器较为准确的z域模型，然后通过严格的数学推导分析讨论了光伏逆变器在不同谐振角频率区间的稳定条件。在此基础上，提出了逆变器设计优化思路与方法，该方法能够抵抗电网阻抗的宽范围变化，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。

图1  两相静止坐标系下采用数字控制的光伏并网逆变器结构

图2  数字控制下光伏并网逆变器框图及其等效变换框图

图7  实验样机

结论

1）推导了数字控制下光伏电站并网逆变器较为准确的z域模型。

2）通过对系统开环传递函数的讨论分析，得出系统两个关键角频率分别为系统谐振角频率和/(3Tsa)。然后结合奈奎斯特稳定性判据推导证明了逆变器在不同谐振角频率区间的稳定条件，同时指出系统谐振角频率若在/(3Tsa)处，系统必不能稳定。

3）通过稳定性判据给出了光伏并网逆变器抵抗电网阻抗宽范围变化的优化设计思路，通过仿真和相关实验验证了理论分析的正确性。