一種單相LCL型并網逆變器新型諧波阻尼策略設計

王　旭

(昆明冶金高等專科學校，云南 昆明 650033)

一種單相LCL型并網逆變器新型諧波阻尼策略設計

王旭

(昆明冶金高等專科學校，云南 昆明 650033)

摘要：在構建LCL型并網逆變器控制數學模型的基礎上，針對LCL型并網逆變器出現的諧振尖峰問題，提出了有源阻尼控制策略，并對控制系統參數特性進行了設計，以及采用電網電壓前饋補償方法提高了系統控制性能。

關鍵詞：并網逆變器；阻尼策略；有源阻尼；前饋補償

隨著常規能源消耗的增加，清潔能源發電成為當前討論的熱點話題，并受到政府的重視。將光伏、風能等清潔能源發電應用于并網發電系統中，是實現清潔能源發電轉換的重要手段。并網逆變器作為并網系統中的核心的組件，通常采用電流控制的方式。入網電流的諧波失真是衡量并網發電質量的一個非常重要的指標。根據IEEE Std 929—2000標準的相關要求，對并網發電總諧波失真比例不得>5%，35次諧波的分量應<0.3%。因此，電流企業為獲得高品質的入網電流，通常在并網逆變器側配置LCL型濾波器，該濾波器與傳統的L型、LC型相比，其需要更小的電感量，從而可有效地減小逆變器的體積以及質量，并具有更好的高頻毛刺衰減效果，但LCL型濾波器為三階系統，存在諧振問題，頻率的響應存在諧振尖峰，其相位也會出現-180°的跳變，因此很容易導致并網逆變器出現不穩定，需要對諧振尖峰進行有效的阻尼。

傳統針對LCL型并網逆變器的諧波阻尼策略采用直接電流控制策略和直接雙環控制策略，但是直接雙環電流控制策略由于本身存在的控制結構缺陷，導致其不能真正達到單位功率因數輸出；直接電流控制策略包括逆變器側電感電流反饋和電容電流反饋2種阻尼補償方式，在對2種方式的比較中采用電容電流反饋更具有較好的整流性負載適應能力和動態響應性，因此，本文在構建并網逆變器數學模型的基礎上，提出一種新型的有源阻尼策略。

1 LCL型并網逆變器數學模型

圖1所示為LCL型濾波器單相并網逆變器電路拓撲結構。在圖1中新能源向逆變器直接提供直流電壓，逆變橋采用單相全橋結構，側電感為L1、網側電感為L2，它們和電容C共同構成了LCL型濾波器，其中Ug的為電網電壓。當載波的頻率在比較高的情況下，因采樣時間所造成的延時變得很小，其中的逆變橋則可等效為比例環節kPWM。

圖1　LCL型并網逆變器電路

圖1中逆變橋工作時，其中的開關是處于開或者關兩種狀態，對此將該逆變橋看作一個離散的非線性系統。針對這類問題采用狀態空間平均法對狀態平均模型進行分析，用脈沖平均值代替其瞬時的值。

當逆變橋調制方式為SPWM時，其調制信號則為vm=Vmsinwt，三角載波的波峰則為Vtri，對此逆變器的輸出電壓uin則為：

uin=Udc(2S-1)

(1)

式中，Udc為逆變橋輸入的直流母線的電壓；S為開關函數，當其中的Q1和Q4為導通狀態時，S的值為1，當Q2和Q3為導通狀態時，S的值為0。

通過開關函數S可以看出，該函數為不連續函數，因此，為提高計算的精度，對式1求平均值，即：

(2)

同時根據雙極性調制原理，從而可以得到逆變橋的平均輸出電壓為：

(3)

(4)

通過圖1所示的LCL型濾波器結構，根據基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律，則可以得到其電路方程：

(5)

忽略其中的寄生電路，則可得到LCL型濾波器結構模型，具體如圖2所示。

圖2　LCL型濾波器模型結構圖

通過圖2可以看出，其中的并網電流相對該逆變橋的輸出電壓和電網電壓的關系可以表示為：

(6)

由式6可以看出，并網電流由2部分構成：一部分為逆變橋的輸出電壓控制；另一部分由電網電壓控制。因此，可以將逆變器看成是輸出電壓和電網電壓為雙輸入，入網電流為單輸出的一個系統。而對入網電流的控制主要是通過逆變器的輸出電壓對其中的并網電壓來進行的，將電網電壓看成為其中的一個擾動量。由此通過式6則可以得到逆變橋輸出電壓和入網電流的關系：

(7)

通過式7可以看出LCL型濾波器為三階系統，其中存在諧振尖峰，影響該系統的穩定性，因此，必須采用一定的阻尼策略對其進行控制[1-2]。

2LCL型并網逆變器的阻尼控制策略

2.1新型阻尼控制策略提出的動機分析

為保證入網電流的穩定，通常采用PI或者是比例濾波器進行控制，以此實現入網電流信號控制。本文采用入網電流單閉環反饋控制，具體如圖3所示。通過圖3可得到入網電流的閉環函數：

(8)

圖3　入網電流反饋控制框圖

通過式8計算可得出該控制方式中存在無阻尼諧振尖峰。在該頻率點其阻抗非常小，并且在實際的電壓中存在大量的各次諧波。由此認為通過上述的PI控制策略，存在諧振尖峰，導致系統不穩定。

2.2新型阻尼控制策略

通過對電容電流反饋和電感電流反饋的比較，本文提出采用電容電流反饋阻尼策略。其具體的控制系統反饋框圖如圖4所示。

圖4　電容電流反饋控制框圖

通過圖4可以得到有源阻尼內環的傳遞函數為：

(9)

根據式9可以看出，在內環函數中引入了一個阻尼函數kkPWML2Cs3，通過對該系數的引用，從而使其實現了對LCL型濾波器波峰的阻尼控制。同時在結合合適的PI控制參數和內環的阻尼系數，可得到有效阻尼策略的開環傳遞函數為：

GCd(s)=

(10)

3電容電流反饋控制方式的參數設計

3.1內環參數設計

根據式10所推導出的開環傳遞函數，從而可以得到該系統的閉環傳遞函數為：

(11)

由式11得到該系統的特征方程為：

D(s)=L1L2Cs4+kkPWML2Cs3+(L1+L2)s2+

kkPWMkps+kkPWMki

(12)

通過勞斯穩定判據，得到該系統的穩定條件為：

(13)

系統的阻尼比為：

(14)

通過對式14的分析可以看出，其中的值越大，則該阻尼系數就越大，對LCL型濾波器諧振尖峰的效果也就更好。為更好地兼顧閉環控制的阻尼效果，在工程上對該參數的取值為ξ=0.707。將該值帶入到式14中，則可得到內環控制的比例系數k=0.136。

3.2外環參數設計

對外環參數的設計則根據該系統的入網電流和電容電流雙閉環等效控制框架，具體如圖5所示。

在該控制框圖中，系統為開環的I型系統，要使得其具備良好的性能，則通過PI直接校正為Ⅱ型系統。

圖5　入網電流和電容電流雙閉環等效控制框圖

典型Ⅱ型系統的開環傳遞函數為：

(15)

通過求解可得到k0、τ0和T0的值。其中kp=0.485,ki=1 200。

4電網電壓前饋控制

通過上述研究，可以將電網電壓看成一個擾動信號。對此加入反饋環節，具體如圖6所示。因此，通過圖4可得到加入電容電流反饋方式后的數學表達式：

(16)

圖6　電網電壓前饋控制框圖

通過圖6和式16可以得到其實際的前饋補償為Gn(s)=1/kPWM。

5仿真與結果分析

本文應用MATLAB和Simulink軟件對電容電流閉環控制進行仿真，可得到如圖7所示的電流波形圖。

圖7　k=0.136,kp=0.485,ki=1 200雙閉環電流波形圖

通過上述阻尼策略，并結合PI控制策略，使得LCL波形的諧振頻率在2.7 kHz處達到諧振尖峰，波形呈現出穩定運行。同時通過計算，得到其分量為3.18%，在規定的誤差范圍內，也驗證了上述方法設計的正確性。

6結語

本文對LCL并網逆變器進行了初步研究，得出了下述結論：1)通過常規的PI等控制策略其不能有效的對諧振尖峰進行阻尼控制；2)采用電容電流反饋控制方式，同時通過對其中參數的有效設計，可對諧波進行有效的阻尼控制，并通過仿真實驗平臺驗證了其正確性。

參考文獻

[1] 杜杰,馬春庭,常青. 基于離散單元法顆粒阻尼的耗能研究[J].新技術新工藝，2011(7)：78-80.

[2] 胡雪峰, 韋徵, 陳軼涵, 等. LCL濾波并網逆變器的控制策略[J].中國電機工程學報, 2012, 32(27):142-148.

責任編輯鄭練

A Design of Single-phase Grid-connected Inverter Type LCL Novel Harmonic Damping Strategy

WANG Xu

(Kunming Metallurgy College, Kunming 650033, China)

Abstract:On the basis of building LCL type and inverter control mathematical model and LCL resonant peaks problem appearing in grid- connected inverter type, active damping control strategy was presented, and characteristics of the control system parameters were designed, and the grid voltage feed forward compensation method was used to improve system control performance.

Key words:grid-connected inverter, damping strategy, active damping, feed forward compensation

收稿日期：2015-01-05

作者簡介：王旭(1980-)，男，講師，主要從事電氣自動化技術等方面的研究。

中圖分類號：TM 615

文獻標志碼：A