微精选

研究背景

现有文献通常根据准确性、稳定性、快速性等目标设计控制器参数。在建立系统小信号模型后，利用Nyquist定理、Bode图、根轨迹、仿真和实验分析GCC在该参数下的稳定性。进一步地，根据稳定裕度、电网强度、超调量等约束进行调整。

然而，现有参数设计常在某一特定工况下（通常是额定工况）进行，重点分析该特定工况下系统的动态性能与稳定性。但在实际应用中，系统运行工况不断发生波动变化，特定工况下的系统性能难以用于表征GCC在整个运行区间的特性。

同时，设计锁相环控制参数时需考虑其他控制环路对参数取值的影响，独立设计PLL控制参数会产生较大的分析误差。此外，为了保证系统在其他工况下的稳定性，通常对系统的幅值裕度和相位裕度进行设计。基于不同的幅值裕度（Gain Margin, GM）、相位裕度（Phase Margin, PM）约束，划分了多种Nyquist曲线禁区，如图1所示。

图1 不同准则的禁止区域

一方面，由GM、PM约束所得到的控制参数虽然可以提升系统的稳定性，但降低了PLL的动态性能；另一方面，稳定裕度只对最小相位系统有效，对于非最小相位系统，稳定裕度则不再具有指导意义。

并且稳定裕度对系统稳定性的影响缺少定量分析方法，不同稳定裕度下GCC的极限输出需要仿真和实验才能确定。需进一步研究稳定裕度与稳定性之间的定量关系，并探索其他方法和指标来评估变流系统的稳定裕度。

论文所解决的问题及意义

现有锁相环控制参数设计大多关注额定工作点下的参数设计，忽略了实际运行工况。同时，控制参数相对固定，用户难以根据对控制器动态特性和稳定裕度的不同需求分区设计参数。此外，参数优化往往牺牲锁相环带宽，PLL动态特性与稳定裕度难以均衡。

研究团队提出一种基于电流稳定运行域的锁相环参数设计方法，考虑了控制环路之间的相互耦合以及变流系统运行工况的时变特性，可在保证系统稳定裕量的前提下，快速、合理设计锁相环参数，无需改变PLL结构或反复试凑，实现PLL动态特性性能与稳定裕度之间的折中。

论文方法及创新点

本文所提的锁相环参数设计方法步骤如下，图2给出了相应的设计流程图：

（1）建立并网变流器小信号模型，得到系统复矢量等效SISO传递函数。

（2）刻画流环开环截止频率(f_ci)-锁相环开环截止频率(f_cpll)控制参数域，得到给定电流环参数下锁相环开环截止频率的最大值(f_cpllmax)，如图3所示。

（3）刻画不同锁相环参数下变流器的稳定运行边界（如图4所示），根据所需的稳定运行余量确定f_cpll取值确定控制参数取值,并由式（20）（锁相环开环截止频率与PI控制器参数的关系）计算比例/积分增益，完成锁相环控制参数设计。

在图4中，运行边界左边区域为对应锁相环参数下的稳定运行域，右边为失稳运行域。系统运行工况变化时，只要工作点在稳定运行边界之内，变流器便可以安全可靠运行；但当运行工作点迁移至稳定运行域之外时，并网电流易振荡失稳，变流器难以稳定运行。

基于稳定运行域开展参数设计，可直接得到不同控制参数下的极限输出电流，灵活设计锁相环参数，在满足稳定裕度的同时有效提升系统在全工作区间内的动态性能，增强系统的鲁棒性和对运行环境的适应能力，弥补了传统基于特定工作点的稳定性分析方法在时变工况中应用的不足，为变流器的工程应用提供指导。

图2  控制参数设计流程

图3  f_ci-f_cpll控制参数边界

（a）f_cpll-i_Ld-i_Lq三维参数图

（b）不同锁相环参数下系统稳定运行边界

图4  系统稳定运行边界

结论

针对锁相环动态性能与系统稳定性难以均衡的问题，本文提出了基于电流稳定域的锁相环开环截止频率设计方法。主要结论如下：

1）基于所推导的开环复矢量传递函数，可得到电流环-锁相环控制参数域以及变流器电流稳定运行域。设计锁相环参数时不需要反复试凑，可快速得到满足稳定运行余量要求的锁相环锁参数值。

2）控制参数域与稳定运行域的分析结果可表明，电网强度与参数可行域呈正相关，锁相环开环截止频率与稳定运行域呈负相关；锁相环参数取值受电流环参数限制，且在同一电流环参数下，参数设计点的工作电流越小，所设计的锁相环开关截止频率可取值更高。

3）基于稳定运行域开展锁相环参数设计，可直接定量分析稳定裕度对系统稳定运行范围的影响，同时可根据对PLL动态性能和系统稳运行余量的实际需求分区快速设计参数。

本文所提的参数设计方法只研究了电流环控制下的L型三相平衡并网变流器系统，未考虑其他控制外环或其他工况的影响。在后续研究中，将考虑LCL型并网变流器系统，并重点关注其他控制策略以及多机并联运行等复杂情况下的参数设计。

本团队依托于湖南大学电能高效高质转化全国重点实验室和国家电能变换与控制工程技术研究中心，团队由湖南大学涂春鸣教授领衔。主要致力于分布式能源与微能源网、电力系统电力电子装备、电能质量与高效利用等方面的研究。团队承担国家“973”、国家“863”、国家自然科学基金重点项目等基础理论与应用技术研究20余项，发表高水平学术论文300余篇，授权国家发明专利60余项，出版中文著作5部。获国家科技进步一等奖1项、二等奖2项，省部级科技进步一等奖8项、二等奖6项。