LCL濾波并網(wǎng)逆變器的入網(wǎng)電流控制技術(shù)研究

陳珊珊

[摘 要]在新能源與電網(wǎng)中，并網(wǎng)逆變器是重要的接口裝置，同時(shí)也是新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)中的關(guān)鍵。在這種技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以讓新能源有效轉(zhuǎn)換成為能夠被電網(wǎng)接受的并網(wǎng)電源。由于電網(wǎng)對(duì)這類電能質(zhì)量具有較高的要求，所以對(duì)濾波并網(wǎng)逆變器的入網(wǎng)電流控制技術(shù)做出研究具有重要意義。本文在對(duì)LCL濾波器引入控制問題做出簡(jiǎn)要論述的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種LCL濾波并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)電流控制技術(shù)做出了比較分析。

[關(guān)鍵詞]LCL濾波器；并網(wǎng)逆變器；入網(wǎng)電流控制

[DOI]1013939/jcnkizgsc201528051

IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)是LCL濾波并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)方面需要遵循的重要標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)這一標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)LCL濾波并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)提出了技術(shù)指導(dǎo)與要求。IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)中所做出的相關(guān)規(guī)定可以看出，在對(duì)并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)電流做出控制的過程中主要需要做好兩個(gè)方面的工作，首先是要降低電網(wǎng)中入網(wǎng)電流所產(chǎn)生的諧波污染，并確保入網(wǎng)電流諧波能夠讓一些相關(guān)的技術(shù)要求得到滿足；其次是確保電網(wǎng)電壓與入網(wǎng)電流具有相同的頻相，并確保高并網(wǎng)發(fā)電功率因素。事實(shí)上，LCL濾波器能夠有效地消減高次諧波，但是也會(huì)容易因?yàn)樵诠ぷ鳡顟B(tài)中產(chǎn)生諧振現(xiàn)象而導(dǎo)致入網(wǎng)電流諧波總量的提高。因此，利用有效的入網(wǎng)電流控制技術(shù)對(duì)濾波器容易產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象做出抑制具有重要意義。

1 LCL濾波器引入控制問題

相對(duì)于L型濾波器而言，LCL型濾波器具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，然而LCL型濾波器卻屬于三階系統(tǒng)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。并且，存在于實(shí)際電感電容中的計(jì)生電阻所具有的阻值小到可以忽略，所以并不能夠利用阻尼來抑制諧振。這些特點(diǎn)決定了LCL濾波器容易在諧振頻率附近產(chǎn)生大量的諧振電流，并對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定控制產(chǎn)生負(fù)面作用，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定控制難度的增加。而如果不能有效抑制LCL濾波器所產(chǎn)生的諧振或者不能消除諧振對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的負(fù)面作用，則系統(tǒng)也將難以穩(wěn)定運(yùn)行。三階系統(tǒng)的特點(diǎn)讓控制系具有復(fù)雜的設(shè)計(jì)，并且LCL濾波器所具有的幅頻特性使在諧振頻率出產(chǎn)生諧振尖峰，這在很大程度上提高了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的難度。因此，必須采取有效的方法來抑制諧振尖峰或者實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相頻特征的改變來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 LCL濾波并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)

21 單一電流環(huán)控制

在LCL濾波并網(wǎng)逆變器的控制工作中，網(wǎng)側(cè)電流與逆變器策電流單環(huán)控制是單一電流環(huán)控制策略中的主要形式。這種LCL濾波并網(wǎng)逆變器控制策略的獨(dú)特之處在于解決諧振的辦法是在設(shè)計(jì)控制器的過程中避開諧振而不抑制LCL濾波并網(wǎng)逆變器所具有的諧振尖峰。在設(shè)計(jì)控制器的過程中，需要滿足一定的頻域穩(wěn)定性要求，依據(jù)諧振頻率，在諧振平率值相近的區(qū)域，入網(wǎng)電流控制系統(tǒng)中所具有的相頻特性需要穿越-180°，同時(shí)，控制器需要確保自身的幅頻特性曲線諧振頻率幅值不高于0dB。另外，在使用單一電流環(huán)控制策略對(duì)LCL濾波并網(wǎng)逆變器做出控制的過程中，需要確保控制器參數(shù)選取的細(xì)致性，只有如此才能夠確保入網(wǎng)電流得到良好的控制，當(dāng)然，這也為控制器的設(shè)計(jì)工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。同時(shí)，為了讓控制器具備開環(huán)增益，還需要確保濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的精確性。需要注意的是，電網(wǎng)感抗具有不確定性以及濾波器參數(shù)會(huì)受到干擾，因此，單一電流環(huán)控制策略并不能具有較強(qiáng)的魯棒性。

22 控制器前向通路附加濾波器控制

在LCL濾波并網(wǎng)逆變器的控制工作中，這種策略主要通過在LCL濾波并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)電流控制回路中添加陷波器、超前-滯后濾波器或者低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。如果在LCL濾波并網(wǎng)逆變器的控制中使用陷波器控制策略，則需要將一個(gè)陷波器添加到控制器前向通路中，并且需要依照諧振頻率來設(shè)置陷波器頻率，從而確保諧振尖峰能夠得到有效的削減。如果在LCL濾波并網(wǎng)逆變器控制中使用低通濾波器控制策略，則入網(wǎng)電流控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)所具有的浮想特性曲線以及相頻特性曲線穿越頻率都會(huì)發(fā)生改變，從而讓頻域穩(wěn)定性要求得到滿足。由于控制器前向通路附加濾波器控制對(duì)LCL濾波器的參數(shù)信息提出了較高的精確性要求，并且電網(wǎng)感抗具有不確定性以及濾波器參數(shù)會(huì)受到干擾，因此控制器前向通路附加濾波器控制策略同樣不能具有較強(qiáng)的魯棒性。

23 降階模型控制

在LCL濾波并網(wǎng)逆變器的入網(wǎng)電流控制工作中，這種控制策略主要是利用額外反饋的合理選擇來將在LCL濾波器當(dāng)作L濾波器來控制，換而言之，這種方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)LCL濾波并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)電流控制工作的簡(jiǎn)化。其中參數(shù)加權(quán)控制策略以及分裂電容控制策略是利用降階模型對(duì)入網(wǎng)電流做出控制的主要形式。這兩種控制形式都是利用對(duì)電流進(jìn)行組合反饋來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的降階段。從這種控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來看，這種策略并不會(huì)讓控制回路受到諧振尖峰的影響，但是這一策略的實(shí)施卻對(duì)濾波器參數(shù)模型的精確性提出了較高的要求，并且這種策略并沒有對(duì)諧振尖峰做出有效抑制，因此，這種控制策略下的諧振仍舊在入網(wǎng)電流中存在，同時(shí)這種控制策略在并網(wǎng)電流控制的精確性方面也并不理想。

24 反饋控制

在LCL濾波并網(wǎng)逆變器的入網(wǎng)電流控制工作中，反饋控制策略是利用額外的電壓、電流反饋來抑制諧振尖峰。從反饋控制策略的反饋對(duì)象來看，反饋控制策略可以分為逆變側(cè)電感電壓反饋、感電流反饋以及電容電壓反饋與電流反饋。這種控制策略不僅能夠?qū)ο到y(tǒng)諧振做出有效控制，并且具有靈活的控制方式、較強(qiáng)的魯棒性以及很好的系統(tǒng)控制系能。但是由于這種控制策略需要添加電壓與電流傳感器，因此會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本的升高。針對(duì)這一問題，許多學(xué)者都對(duì)濾波電容電壓和電流估測(cè)手段做出了研究。在作出有效估測(cè)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)反饋量做出有針對(duì)性的反饋控制，但是這項(xiàng)工作的開展卻對(duì)系統(tǒng)模型的精確性提出了較高的要求，同時(shí)較大的計(jì)算量也會(huì)對(duì)系統(tǒng)所具有的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生一定的負(fù)面作用。另外，在這種控制策略中，不同的方法具有不同的反饋方式，其中逆變器側(cè)電感電流反饋與電容電流反饋的反饋方式為直接比例反饋模式，而電容電壓反饋則是使用微分反饋。

通過對(duì)各類LCL濾波并網(wǎng)逆變器的電流控制技術(shù)的比較分析可以發(fā)現(xiàn)，反饋控制策略在對(duì)LCL濾波并網(wǎng)逆變器的電流做出控制的過程中體現(xiàn)出了更高的應(yīng)用價(jià)值。而從當(dāng)前仍舊需要關(guān)注的問題來看，由于LCL并網(wǎng)逆變器在大功率場(chǎng)合中具有明顯優(yōu)勢(shì)，所以也往往應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。但是在大功率場(chǎng)合中，三相并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)逆變的主要選擇，而三相之間卻會(huì)產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，從而促使三相并網(wǎng)逆變器的LCL濾波器電容、電感產(chǎn)生強(qiáng)耦合并提升控制難度，由此可見，三相LCL并網(wǎng)逆變器控制問題仍舊有待做出深入的研究與探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝少軍，許津銘LCL濾波并網(wǎng)逆變器的電流控制技術(shù)研究綜述[J].電源學(xué)報(bào)，2012（4）.

[2]徐志英，許愛國(guó)，謝少軍采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)入網(wǎng)電流控制技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009（27）.

[3]張憲平，李亞西，許洪華新型拓?fù)錇V波器的雙饋風(fēng)電網(wǎng)側(cè)變流器阻尼策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009（21）.

[4]曹陸萍，沈國(guó)橋，朱選才，等單相并網(wǎng)逆變器功率控制的實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2007（9）.

[5]趙清林，郭小強(qiáng)，鄔偉揚(yáng)單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007（16）.