LCL濾波并網逆變器新型阻尼控制策略

楊公德, 施火泉, 丁豪, 劉會超

(江南大學,電氣自動化研究所,江蘇無錫214122)

LCL濾波并網逆變器新型阻尼控制策略

楊公德, 施火泉*, 丁豪, 劉會超

(江南大學,電氣自動化研究所,江蘇無錫214122)

無源和有源阻尼協同控制保證系統具有良好的阻尼效果,但閉環設計較為困難。加權電流控制降低了系統的階數,使系統易于實現閉環設計,然而并網電流諧波抑制效果受到系統非理想因素的影響,并且系統帶寬受到限制。為此提出將無源和有源阻尼協同控制并與加權電流控制相結合的方法,提高了系統的穩定性,增大了系統帶寬,并能滿足分布式發電的并網標準。Matlab仿真結果表明,所提出的控制方法是可行有效的。

阻尼效果;加權電流;諧波抑制;分布式發電

LCL濾波器較好的高頻濾波性能和易于集成封裝的物理結構使其在基于電壓源型并網逆變器的應用中日益廣泛[1]。然而,LCL并網濾波器發生諧振時產生的零阻抗可能導致系統不穩定。目前,抑制系統諧振問題的阻尼方案可分為兩類,即通過外加無源元件改變濾波器結構的無源阻尼方案和通過調整并網逆變器的參數或結構的有源阻尼方案[2-3]。

針對電網電感對有源阻尼有增強作用,對無源阻尼起到削弱作用;控制器參數對有源阻尼的影響較大,而對無源阻尼影響較小的特點。雷一等[4]采用無源和有源阻尼協同控制方法能使二者互補達到良好的阻尼效果,但閉環設計較為困難。許津銘等[5]提出將有源阻尼控制和電流加權控制相結合的方法,克服了閉環設計困難和系統帶寬受限的問題,但有源阻尼反饋系數的取值可能會影響系統的穩定性。

文中提出將無源和有源阻尼協同控制并與加權電流控制相結合的方法,通過對比分析可知,該方法能使系統具有很好的穩定性和較寬的系統帶寬,并能滿足分布式發電的并網標準。仿真結果也表明該控制方法不僅能保證系統抑制諧波效果較好,而且并網逆變器可以在近似單位功率因數下工作。

1 LCL濾波器模型與諧振特性分析

LCL濾波器等效模型如圖1所示。其中:Uinv為單相逆變器輸出電壓;L1,L2分別為逆變器側和電網側濾波電感;Lg為電網電感;Cf為濾波電容;Ug為電網電壓。

圖1 LCL濾波器等效模型Fig.1 Equivalentmode of LCL filter

利用梅森公式以電網電流ig為輸出變量,逆變器輸出電壓Uinv為輸入變量建模,可得如下LCL濾波器的傳遞函數[6]:

該三階濾波器由于分母缺項將導致系統發生諧振而不穩定,此時由式(1)得到諧振角頻率

式(1)和式(2)表明電網電感的存在對系統的穩定性及諧振頻率的大小都有一定的影響。而對于弱電網,電網電感Lg可達數毫亨,因而在分析時,需予以考慮。圖2為不同的電網電感值對幅頻特性影響的曲線圖。作為分析算例,文中研究的濾波器參數設計值為:L1=1 mH;L2=1 mH;Lg=0.5 mH; Cf=10μF。

圖2 不同電網電感值時的幅頻特性曲線Fig.2 Am p litude-frequency characteristics of different grid inductance

2 控制策略原理及其特性分析

2.1 控制策略原理

通過分析文獻[4]所提出的無源阻尼和有源阻尼協同控制方法和文獻[5]所采用的加權電流控制方法,文中在此基礎上提出一種無源和有源阻尼協同控制同加權電流控制相結合的控制方法,其原理框架如圖3所示。

圖3 控制策略原理框架Fig.3 Princip le block diagram of the control strategy

圖3中:iref為給定的參考電流;if為加權組合電流;Kp+Ki/s構成了逆變器電流調節器的比例積分環節;KPWM為逆變器數學模型的比例系數;Td為系統延遲時間,Kc為有源阻尼反饋系數;K1,K2為加權電流的加權系數;Rd為阻尼電阻。

當忽略圖3中的控制延遲和PWM的作用時,利用梅森公式可得到并網逆變器輸出電壓Uinv至組合電流if的傳遞函數

為了便于描述阻尼值和無源阻尼值與有源阻 尼值的關系,現轉化為

依據式(4)可得采用該控制策略的阻尼值為

其中:ζw為無源阻尼值;ζy為有源阻尼值。由式(6)可知,無源和有源阻尼協同控制時的阻尼值是無源阻尼電阻和有源阻尼系數的函數。為了使系統有較好的阻尼效果,需要保證ζ不變,考慮到電網電感對無源阻尼值和有源阻尼值的作用效果相反、阻尼損耗以及控制系統參數約束等因數的影響,文中所設計的阻尼參數為:ζ=1.125,Rd=10.7Ω,Kc=1.2。

通過分析電流加權控制方案和結合無源阻尼的電流加權控制方案,可得到如下加權系數K1,K2的值:

在濾波參數和電網電感給定的情況下,電流的加權系數K1,K2是個定值。由于電流加權控制是對組合電流的反饋控制,而諧振峰并不在反饋回路內[5],因而與網側電感電流反饋環相比,不僅便于設計而且系統的帶寬較大。

2.2 系統穩定性分析

采用文中方法(記為方法1)及無源和有源阻尼協同控制方法(記為方法2)的Nyquist曲線如圖4所示。由Nyquist穩定判據可知,方法1和方法2都具有較好的穩定性;由奈斯穩定判據可知,方法1的Nyquist曲線比方法2的Nyquist曲線離(-1,j0)點較遠,因而其能使系統具有更好的穩定性。

圖4 控制方法的Nyquist曲線Fig.4 Nyquist graph of controlm ethod

2.3 濾波特性分析

采用方法1和方法2的幅頻-相頻特性曲線如圖5所示。

圖5 控制策略的幅頻-相頻特性曲線圖Fig.5 Phase and am p litude-frequency characteristics of control strategies

由圖5可以看出,兩種方法在低頻時具有相同的濾波特性,但在高頻時方法1的諧波抑制效果有所下降。然而,其較大的帶寬能保證系統有較大的工作范圍,同時使得系統具有很大的穩定裕度。

3 仿真分析

為了驗證所研究控制策略的正確性和有效性,在Matlab/Simulink中依據圖6所示的LCL濾波單相并網逆變器控制框架搭建了采用文中控制方法的仿真模型。其中主要仿真參數:直流母線電壓Ud為400 V;逆變器容量為3 kV·A;開關頻率為5 000 Hz;采樣頻率5 000 Hz;電網電壓為220 V/50 Hz[7-8]。

圖6 LCL濾波單相并網逆變器控制框架Fig.6 Control diagram of the single-phase bridge connected-grid inverter w ith LCL filter

圖7為采用方法1和方法2仿真得到的逆變器側電感電流i1、電容電流ic、并網電流ig的波形。

利用FFT分別對采用方法1和方法2的系統輸出并網電流進行分析得到各次諧波的柱狀曲線(見圖8)。

圖7 電壓電流仿真波形Fig.7 Voltage and current simulation waveform s

圖8 系統輸出并網電流FFT分析Fig.8 FFT analysis of the system output gridconnected current

由圖8可以看出,可見采用方法1的系統輸出并網電流的THD低于采用方法2的系統輸出并網電流的THD,滿足分布式發電并網標準。

采用方法1時的電網電壓和并網電流的仿真波形如圖9所示。

圖9 電網電壓和網側電感電流的仿真波形Fig.9 Sim ulation waveform between the grid voltage and the net side inductance current

由圖9可見,電網電壓和并網電流相位差近似為0,因此并網逆變器可以工作在單位功率因數下。

4 結 語

文中所提出的控制方法能獲得無源和有源阻尼協同控制時的良好阻尼效果,從而能保證系統具有足夠的穩定性,同時利用加權電流控制易于實現系統的閉環設計。但由于分布式發電在接入電網時引入的線纜、變壓器及近端負荷等感性元件對系統阻尼、諧振頻率和加權系數都有很大的影響,而文中并沒有研究這些感性元件的動態變化對該控制方法的影響,因而如何使控制系統自適應的跟隨感性元件的變化來提高系統的控制性能有待深入研究。

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XU Jinming,XIE Shaojun.A robust current control strategy for grid-connected inverterswith LCL filters[J].Automation of Eletric Power Systems,2012,19(36):99-103.(in Chinese)

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(責任編輯:邢寶妹)

A New Dam ping Control Strategy for Grid-Connected Inverters w ith LCL Filter

YANG Gongde, SHIHuoquan*, DING Hao, LIU Huichao
(Institute of Electrical Automation,Jiangnan University,Wuxi214122,China)

The adaptive characteristics for grid inductance and control delay can guarantee the passive and active damping coordination control with a good damping effect,but the closed loop the design is difficult.The weighted current controlmethod can reduce the orders of the system and make it easy to design the closed loop control.But the harmonic suppression effect of grid current is influenced by the non-ideal factors of system,as well as the system bandwidth.This paper combines the passive and active damping controlwith weighted current control,and can not only improve the system stability,but also increase the system bandwidth and meet the standard of distributed generation. The results of Matlab simulation show that the proposed controlmethod is feasible and effective.

damping effect,weighted current,harmonic suppression,distributed generati-on

TM 46

A

1671-7147(2015)01-0052-04

2014-09-18;

2014-10-18。

楊公德(1988—),男,河南駐馬店人,電氣工程專業碩士研究生。

*通信作者:施火泉(1964—),男,江蘇蘇州人,高級工程師,碩士生導師。主要從事電力電子與電力傳動等研究。

Email:shq@jiangnan.edu.cn