LCL濾波并網(wǎng)逆變電源的控制策略研究

鄧翔， 胡雪峰，2， 龔春英

(1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210016;

2.安徽工業(yè)大學(xué)電力電子與運動控制省重點實驗室，安徽馬鞍山 243002)

LCL濾波并網(wǎng)逆變電源的控制策略研究

鄧翔1， 胡雪峰1，2， 龔春英1

(1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210016;

2.安徽工業(yè)大學(xué)電力電子與運動控制省重點實驗室，安徽馬鞍山 243002)

針對LCL濾波的并網(wǎng)逆變電源采用直接并網(wǎng)電流單閉環(huán)控制時，存在系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精確度等問題，提出一種控制策略?？刂品桨覆捎秒娋W(wǎng)側(cè)直接入網(wǎng)電流有效值作為外環(huán)反饋值，橋臂側(cè)電感電流的瞬時值作為內(nèi)環(huán)反饋值的雙閉環(huán)控制策略，對該方案進(jìn)行系統(tǒng)建模并結(jié)合勞思－赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)驗證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給出該控制策略的理論依據(jù)和實現(xiàn)方法。在一臺以DSP為核心控制器件的1kVA光伏電池并網(wǎng)逆變電源裝置上進(jìn)行實驗驗證。實驗結(jié)果表明，該控制策略既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又提高了入網(wǎng)電流的直接控制精確度，能同時實現(xiàn)并網(wǎng)逆變電源的高精確度并網(wǎng)電流穩(wěn)態(tài)輸出波形和快速動態(tài)響應(yīng)性能。

并網(wǎng)逆變器;LCL濾波器;控制策略;系統(tǒng)建模;穩(wěn)定性

0 引言

可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于LCL型濾波器對高頻諧波電流可起到很大的衰減作用，更有利于并網(wǎng)逆變器在較低開關(guān)頻率下獲得高質(zhì)量的饋網(wǎng)電流，因此LCL型濾波器在并網(wǎng)逆變電源中得到了廣泛應(yīng)用［1－3］。但是，LCL型濾波器是一個三階系統(tǒng)，容易造成系統(tǒng)振蕩，對系統(tǒng)的控制策略提出了更高要求。文獻(xiàn)［4－5］己經(jīng)從系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析得出基于并網(wǎng)電流單環(huán)控制方法無法使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，采用橋臂電流控制方法，來間接實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的控制時，不僅滿足并網(wǎng)電流的功率因數(shù)要求，而且閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定性的，但這種方法沒有涉及到直接饋網(wǎng)電流變量，所以很難做到饋網(wǎng)電流的精確控制，本文在此基礎(chǔ)上提出一種雙閉環(huán)控制策略，采用直接饋網(wǎng)電流的幅值有效值控制作為外環(huán)，把外環(huán)輸出與鎖相后的單位電網(wǎng)電壓相乘后的積作為內(nèi)環(huán)給定，把橋臂輸出電流的瞬時值作為內(nèi)環(huán)的反饋量并對系統(tǒng)進(jìn)行建模和穩(wěn)定性分析，期望實現(xiàn)對饋網(wǎng)電流的直接控制，又保證饋網(wǎng)電流具有較低的諧波含量和很高的功率因數(shù)。

1 系統(tǒng)模型分析

采用LCL型濾波器的單相并網(wǎng)逆變電源系統(tǒng)的原理如圖1所示。如果忽略直流母線電壓的波動且把開關(guān)元件視為理想器件，當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50Hz時，可以把圖1中的非線性逆變橋系統(tǒng)視為線性系統(tǒng)［6－11］。

圖1 單相并網(wǎng)逆變電源系統(tǒng)Fig.1 System of single phase grid-connected inverter

假設(shè)當(dāng)逆變橋臂上開關(guān)開通，橋臂下開關(guān)管關(guān)斷時，有

當(dāng)橋臂上開關(guān)關(guān)斷，橋臂下開關(guān)管開通時，有

則并網(wǎng)逆變器的開關(guān)函數(shù)模型可表示為

那么，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)功率電路的開關(guān)函數(shù)模型可以描述為

根據(jù)疊加原理，分別考慮Uab(s)與Ug(s)對橋臂輸出電流I1(s)和輸入電網(wǎng)電流I2(s)的傳遞函數(shù)為

由上述并網(wǎng)逆變電源的數(shù)學(xué)模型可知，直接入網(wǎng)電流I2(s)與橋臂輸出電壓Uab(s)的傳函為三階函數(shù)，如果選擇直接控制I2(s)，則系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)［1－3］。為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文首先采集電網(wǎng)側(cè)電感的電流，通過整流濾波后求出其有效值，然后采用直接入網(wǎng)電流的有效值作為控制器的外環(huán)，即外環(huán)給定為入網(wǎng)電流的有效值，把外環(huán)的誤差經(jīng)過PI運算后，再與鎖相環(huán)所得到的電網(wǎng)電壓相位基準(zhǔn)相乘后作為橋臂側(cè)輸出濾波電感電流瞬時值的給定值，從而形成一個并網(wǎng)電流的雙閉環(huán)控制策略，以增加系統(tǒng)阻尼，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且給出了該控制策略下系統(tǒng)的控制框圖。

2 控制策略的原理分析

并網(wǎng)逆變電源控制的終極目的就是控制直接饋網(wǎng)電流的幅值和相位，使饋入電網(wǎng)的電流符合一定的標(biāo)準(zhǔn)。本文選擇實際饋網(wǎng)電流的有效值作為外環(huán)，把橋臂輸出電流作為內(nèi)環(huán)，構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示，既直接控制了饋網(wǎng)電流的幅值，又能使并網(wǎng)電流的相位滿足要求，這樣即保證了并網(wǎng)電流的穩(wěn)態(tài)波形質(zhì)量，又具有較高的控制精確度。

圖2 并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of dual-loop controller with RMS of i2and i1feedback

2.1 穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)內(nèi)環(huán)采用比例控制GC2=K，外環(huán)采用PI控制，GC1=KP+KI/s。為方便分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用控制原理中控制框圖等效變換的原則，對圖2進(jìn)行等效變換后得到如圖3所示的控制框圖。

圖3 基于i2和i1的雙閉環(huán)控制等效結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Equivalent block diagram of i2and i1dual-loop control system

從控制框圖3可以看出，饋網(wǎng)電流不但受逆變器側(cè)電壓控制，而且與不可控制量Ug有關(guān)，如果不考慮Ug的影響，又因為系統(tǒng)的反饋系數(shù)看作常數(shù)時不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以這里為了研究系統(tǒng)穩(wěn)定性，假設(shè)反饋系數(shù)為1，則圖3的開環(huán)傳遞函數(shù)為

為了便于分析和設(shè)計，畫出KI=0，KP變化時系統(tǒng)的根軌跡如圖4所示。明顯可以看出此系統(tǒng)是一個條件穩(wěn)定系統(tǒng)，即該系統(tǒng)控制器的控制參數(shù)設(shè)計必須在某一區(qū)間才能確保系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

圖4 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的根軌跡Fig.4 Root locus of dual-loop control system

2.2 內(nèi)環(huán)參數(shù)設(shè)計

由上述分析可得內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

顯然式(15)所標(biāo)示的系統(tǒng)為一個穩(wěn)定系統(tǒng)，被控系統(tǒng)是一個三階系統(tǒng)，其中T型濾波器的諧振頻率為

為了便于設(shè)計，本文內(nèi)環(huán)使用比例控制，即GC2(s)=K，理論上K值的大小并不影響內(nèi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，由式(14)可知K對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響，又因為開環(huán)特征方程的阻尼系數(shù)

工程上常取0.6＜ζ＜0.8，如果取最佳阻尼比，即ζ=0.707，在主電路參數(shù)確定的情況下，即可計算出K值，這里在仿真試驗的基礎(chǔ)上取K=100。

2.3 外環(huán)參數(shù)的設(shè)計與分析

在進(jìn)行有效值外環(huán)設(shè)計時，可以把內(nèi)環(huán)看作一個被控對象，此時其控制框圖可等效為圖5。在實驗時由于實際系統(tǒng)的參數(shù)存在離散性，所以系統(tǒng)控制器的設(shè)計必須保留一定的相角和幅值裕度，通常工程上取相角裕度 γ為45°～60°，幅值裕度 h為5～10dB。

根據(jù)式(14)的穩(wěn)定條件，要選擇一組合適的KP、KI參數(shù)，工程上有多種整定方法，本文采用振蕩法結(jié)合系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖，并且綜合考慮系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)態(tài)特性來設(shè)計外環(huán)控制器的參數(shù)，選擇KP=0.5，KI=100作為系統(tǒng)的控制器參數(shù)較為理想，此時的γ=68°

圖5 外環(huán)控制等效結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Equivalent block diagram of out-loop control system

3 仿真研究

為了驗證所提出的控制方案的正確性，在Matlab/SIMULINK環(huán)境中對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真參數(shù):L1=2 mH，L2=1 mH，C=2 μF，Vdc=400 V，Ug=311sin(100πt)V，開關(guān)頻率 fs=10 kHz，圖6、圖7 分別是KP=0.5，KI=100時使用本文提出的雙閉環(huán)控制策略下給定并網(wǎng)電流有效值為6A的穩(wěn)態(tài)波形和并網(wǎng)電流有效值從6 A突變到3 A，再變到6 A時的動態(tài)仿真波形。為了能直觀且清晰地看出并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓之間的相位關(guān)系，把所有仿真波形中的電壓都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，本文把電壓衰減到10 V，電流取實際值。從波形圖上可以看出，系統(tǒng)的并網(wǎng)電流不僅具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，而且在電流給定突變的情況下仍能穩(wěn)定運行，且具有較快的動態(tài)性能。

4 實驗驗證

本文采用DSP320LF2812作為核心控制器件，研制了一臺1kVA的并網(wǎng)逆變器原理樣機(jī)如圖8所示，以進(jìn)一步驗證上述并網(wǎng)逆變器的控制策略，通過自藕變壓器進(jìn)行并網(wǎng)實驗。

圖8 系統(tǒng)硬件框圖Fig.8 The hardware frame of system

圖9為采用本文所提雙閉環(huán)控制時的穩(wěn)態(tài)饋網(wǎng)電流和電壓的實驗波形，此時，饋網(wǎng)電流的總諧波畸變率為1.9%，并網(wǎng)電流功率因數(shù)為0.995。應(yīng)用本文所提的雙閉環(huán)控制時，并網(wǎng)電流有效值由5A突變到3A時的動態(tài)實驗波形如圖10所示，實驗結(jié)果表明采用本文所提的控制策略下的并網(wǎng)逆變器，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

5 結(jié)語

為提高并網(wǎng)逆變器饋網(wǎng)電流的波形質(zhì)量和并網(wǎng)功率因數(shù)，本文針對LCL濾波的并網(wǎng)逆變器單獨采用并網(wǎng)電流單閉環(huán)直接控制時系統(tǒng)存在諧振尖峰，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)的特點，提出采用饋網(wǎng)電流有效值作為外環(huán)，橋臂電流瞬時值作為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略;建立了系統(tǒng)的控制模型，證明了該系統(tǒng)是一個條件穩(wěn)定系統(tǒng)，且根據(jù)Routh-Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)推出了系統(tǒng)穩(wěn)定條件。通過仿真和實驗驗證了上述控制策略的有效性。

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(編輯:張詩閣)

Study on control scheme for grid-connected inverter with LCL filter

DENG Xiang1， HU Xue-feng1，2， GONG Chun-ying1
(1.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics，Nanjing 210016，China;
2.Key Laboratory of Power Electronics and Motion Control of Anhui，Anhui University of Technology，Ma’anshan 243002，China)

Only single grid current closed loop is not sufficient for the stability of the grid-inverter with LCL filter.This paper proposed a dual-loop control strategy with grid current root-mean-square(RMS)and leg output current，where grid current RMS is out feedback loop，and leg output current is inner feedback loop.It verified the stability of system by using Routh-Hurwitz criterion，and system modeling and stability analysis were also presented.The proposed control scheme was verified by simulation results and experiments on a 1kVA grid-connected photovoltaic inverter based on DSP.The results show that the proposed scheme can ensure the stability of the system and the grid current performances，and achieve fast transient responses.

grid-inverter;LCL filter;control scheme;system modeling;stability

TM 464

A

1007－449X(2011)05－0037－05

2010－09－01

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2007CB210303)

鄧 翔(1973—)，男，高級工程師，研究方向為功率電子變換技術(shù);

胡雪峰(1973—)，男，博士研究生，副教授，研究方向為新能源發(fā)電技術(shù)、電力電子與電力傳動;

龔春英(1965—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子與電力傳動、新能源發(fā)電技術(shù)。