基于LCL濾波器的光伏并網復合控制策略

齊　飛，　李建文，　張舒怡，　李永剛

(華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定　071003)

?

基于LCL濾波器的光伏并網復合控制策略

齊飛，李建文，張舒怡，李永剛

(華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定071003)

摘要：針對滯環控制精度低的問題，提出一種將滯環控制與重復控制有機結合的復合控制方法。復合控制保留了滯環控制良好的動態性能和重復控制較高的穩態精度性能。在此基礎上，一方面提出了基于LCL濾波器的自適應變環寬滯環控制策略，另一方面，提出應用于LCL型逆變器的重復控制器，采用一階超前環節進行相位與幅值補償；利用陷波器消除LCL諧振尖峰，采用二階濾波器進行高頻衰減。最后在MATLAB/Simulink平臺上仿真驗證了復合控制方法的有效性。

關鍵詞：滯環控制； 重復控制； LCL濾波器； 并網逆變器

0引言

隨著石化等不可再生能源的逐漸枯竭，研究開發光伏與風電等新能源發電具有重要意義，而光伏與風電的核心環節之一是逆變器的并網電流控制技術。通常，采用單一的控制技術難以得到高質量的輸出電流波形。滯環控制屬于實時控制，動態響應快，具有自動抑制電流尖峰能力，但控制精度低且開關頻率不固定[1-2]。重復控制具有無靜差地跟蹤參考信號特性，并且能消除周期性擾動，具有較高的輸出穩態精度，但是其屬于延時控制，動態性能差[3-4]。根據文獻[1-4]可知，滯環控制與重復控制優缺點互補，因此本文提出一種將滯環控制與重復控制相結合的復合控制策略應用于光伏發電系統。

隨著光伏發電容量的不斷增大，LCL濾波器由于其良好的濾波性能，被廣泛應用。文獻[5-6]針對滯環控制開關頻率波動性大、網側濾波電感設計困難、電流的波動也較大等問題，提出了自適應滯環控制，實現了準定頻滯環電流控制技術。但文獻[5-6]自適應變環寬計算均是針對L濾波器而言，為此有必要先設計基于LCL濾波器的自適應滯環控制方法。另一方面，文獻[7-10]指出重復控制具有無靜差調節等優點，但文獻[7-8]提出的重復控制器是針對L濾波器設計的。文獻[9]通過極點配置與重復控制相結合對LCL濾波器進行整定，增加了控制系統的復雜性。文獻[10]提出了PI控制與重復控制相結合的復合控制策略，然而，兩控制器之間存在控制耦合，使并網逆變器在動態過程中發生電流畸變。

綜上，本文一方面在L濾波器自適應變環寬滯環控制基礎上推導了基于LCL濾波器的自適應環寬計算公式；另一方面提出應用于LCL逆變器的重復控制器。主要采用一階超前環節進行相位與幅值補償；利用陷波器消除LCL諧振尖峰，采用二階濾波器進行高頻衰減。進而，將兩種方法結合為復合控制，復合控制方法在誤差大時，滯環控制工作，加快減小誤差的速度；當誤差減小至某一范圍時，重復控制工作，實現穩態無差。最后通過仿真驗證了其有效性。

1復合控制

鑒于滯環控制與重復控制具有互補性，為此，可采用將重復控制和自適應滯環控制相結合的復合控制方法，其控制結構如圖1所示。

圖1　復合控制

復合控制的基本思想是： 首先設定一個合理的滯環寬度，當被控對象出現較大的干擾時，導致誤差信號突然變大，自適應滯環控制器感受到誤差信號的突變從而立即產生控制作用，此時重復控制器不工作。隨著誤差信號的不斷減小，自適應滯環控制作用逐漸減弱，直到系統達到新的穩態；當誤差信號小于環寬時，自適應滯環控制器作用很小，對系統的影響很小，此時，重復控制器工作，實現穩態無差。由于復合控制中的滯環控制與重復控制平行工作，因此可以分別對兩種控制器進行設計。

2自適應滯環控制

2.1系統模型

圖2是三相逆變器并網原理圖，通過控制各個開關管的通斷來調節橋臂中點a、b、c端的輸出電壓。

圖2　LCL并網逆變器原理圖

2.2滯環控制

滯環控制原理是將參考電流與輸出電流的誤差信號經固定環寬H的滯環比較器得到PWM信號，驅動開關管控制輸出電流在設定的正負環寬內(±H)，如圖3所示。

圖3　滯環控制原理

先只考慮電感L1存在，R1、L2、R2與Cf等均不存在的情況。

由基爾霍夫電壓定律有

(1)

式中：Usa——A相電源電壓；

Ua——a點相對于直流側中點電壓；

i1a——A相電流。

(2)

將式(2)減去式(1)得

(3)

根據圖2可知，設Ts為開關周期，當0

(4)

當t1

(5)

聯立式(4)與式(5)可得

(6)

將式(2)代入式(6)得

(7)

式(7)所示變環寬公式是針對單L1濾波器而言，由于L1濾波器位于逆變器與電網之間；而對于LCL濾波器而言，L1濾波器位于逆變器與電容器之間，故可推出LCL濾波器的變環寬公式如式(8)所示：

(8)

由圖1，根據基爾霍夫定律有

(9)

(10)

根據式(8)與式(10)可得

(11)

式(11)即為滯環寬度與開關頻率的關系。在常規滯環控制下，由于滯環寬度H是固定的，因此開關管的開關頻率是隨著直流側電壓、電源電壓和指令電流斜率等的變化而改變。可見只要H隨著電源電壓、直流側電壓和指令電流的微分等變化進行調整，即可保證開關管開關頻率為常數。

3應用于LCL濾波器的重復控制

在通常情況下，Rc為毫歐級，RL為歐姆級,故Rc可忽略不計[11]，根據圖3，可以得到輸入Uin與I2之間的關系為

(12)

其中： A1=L1L2Cf；A2=L1R2Cf+L2R1Cf；A3=L1+L2+R1R2Cf+R2Cf+R1Cf。

其對應波特圖如圖4所示。

圖4　系統波特圖

重復控制是基于內模原理的一種控制方法[12-13]，在應用重復控制時通常采用圖5所示結構。

圖5　重復控制原理圖

(13)

其中，Q(z)是積分系數，一般有兩種設置方法：低通濾波器或者小于1的常數，通常情況下選取Q(z)為小于1的常數[14]。本文設置為0.97。將重復控制技術運用于LCL型濾波器的控制的關鍵是矯正器的設計。

3.1補償器設計

根據圖4可知，被控對象在LCL諧振頻率段內相位出現了滯后、幅值出現了衰減。為此有必要先對其超前補償器進行設計。其設計原則是在低頻補償帶寬內被控對象的頻率特性校正為0dB和0°。

由于電容值遠遠小于電感值，故在低頻段式(12)可近似為

(14)

根據式(14)可知，若B(s)=1，則不會出現幅值衰減與相位滯后，故可取C(s)作為補償函數：

(15)

采用雙線性變換法離散化后可得補償器：

(16)

C(z)G(z)與G(z)補償前后的效果對比如圖6所示。

圖6　應用C(z)補償前后對比的波特圖

3.2陷波器設計

根據圖6可知，一方面，通過C(z)進行補償后，系統在低頻段的幅值基本未發生衰減，相位未發生滯后，但是LCL濾波器的諧振尖峰未消除。文獻[12]指出可利用零相移陷波器抑制諧振尖峰，此函數對特定的頻率有很強的衰減作用，而且衰減速度很快,對周圍頻段的影響小，且此函數具有零相移特性,不必進行相位補償，傳遞函數如式(17)所示：

(17)

其中： z=ejθ，代入式(17)可得

(18)

(19)

為了消除LCL諧振尖峰，可將陷波器頻率設置為LCL諧振頻率，故有

mθ=mωTs=π

(20)

(21)

另一方面，根據穩定性要求，需要對高頻段進行幅值衰減，從而保證系統的穩定性。可采用二階濾波器進行高頻段幅值衰減，因為此時二階濾波器只需進行高頻衰減，所以大大提高了其截止頻率，避免了由其引入的低頻增益損失。設二階濾波器的截止頻率為逆變器的截止頻率，阻尼比取0.707，其函數表達式為[15]

(22)

代入表1參數并將其通過雙線性變換法離散化可得

(23)

同時，可通過兩拍超前環節來抵消二階濾波器的低頻相移，故矯正器為

(24)

S(z)G(z)與G(z)幅頻與相頻特性的對比如圖7所示。根據圖7可知，在低頻段以下S(z)G(z)的幅值和相位非常接近于0dB和0°，保證了穩態補

圖7　應用S(z)補償前后對比的波特圖

償精度；在諧振頻率處有效地抑制了諧振尖峰；在高頻段，S(z)G(z)具有足夠的幅值衰減。

3.3穩定性校驗

根據控制理論中小增益原理可知控制系統穩定的充分條件[16]是

(25)

式(25)含義是：在ω從0到π/T的整個變化范圍內，矢量S(ejωT)P(ejωT)的末端所劃過的軌跡不能超出以矢量Q(ejωT)的末端為圓心的單位圓。圖8繪出ω從0到π/T的S(ejωT)P(ejωT)矢量軌跡，其隨著ω的增大由坐標(0.97,0)點出發而趨于坐標原點。根據式(25)穩定性判據知，所設計系統穩定。

圖8　S(ejωT)P(ejωT)矢量軌跡

4仿真分析

針對本文提出的復合控制方法，對三相光伏并網發電裝置進行控制，在MATLAB/Simulink平臺上仿真研究，仿真系統結構如圖9所示。系統參數如表1所示。

圖9　控制結構圖

光伏并網控制原理是，由采集到的直流側電壓Udc和無功電流給定iq=0計算生成參考電流信號i2*，將實際電流信號i2與i2*差值輸入復合控制器產生控制主電路開關的PWM信號，從而實現單位功率因數并網。分別對自適應滯環控制策略和復合控制策略進行仿真。

表1　系統參數

仿真中設定電網電壓在0.1s時發生A相電壓跌落為50%。

電網電壓波形如圖10所示。

圖10　電網電壓波形

圖11(a)、(b)分別為滯環控制、復合控制的電流波形與電流誤差波形。

圖11　電網電流波形

對比圖11(a)、(b)的電流誤差波形可知，在起始時刻滯環控制占主導作用，兩種策略的誤差幾乎一致；隨著時間的推移，復合控制的誤差范圍明顯減小，滯環控制的誤差范圍幾乎保持不變，這由于重復控制器發揮作用，有效地降低了跟蹤誤差；在0.1s時刻電網電壓A相跌落，并網電流均迅速響應，保留了滯環控制的特性。

圖12(a)、(b)分別為滯環控制、復合控制的電流波形FFT分析圖。

圖12　不同控制方案下進網電流的各次諧波成分

根據圖12可知，復合控制策略諧波畸變率明顯低于單滯環控制策略，復合控制有效地降低了諧波畸變率，提高了并網電流質量。

5結語

本文提出了一種基于LCL濾波器的光伏并網新型復合控制策略，在保留自適應滯環控制良好的動態性能基礎上，提高了電流跟蹤精度。理論與仿真結果表明： 基于LCL濾波器的自適應滯環比較器可跟隨各參數自動調節，重復控制器能有效地保證穩態精度，復合控制根據各自特點切換工作模式，有效地提高了控制性能，提高了并網電流質量。

【參 考 文 獻】

[1]姜春霞，賈文超，宗鳴.有源電力濾波器在分布式發電系統中的應用[J].電力系統保護與控制,2008,36(22)： 50-53.

[2]戴訓江,晁勤.單相光伏并網逆變器固定滯環的電流控制[J].電力系統保護與控制,2009,37(20)： 12-17.

[3]周娟,秦靜,王子績,等.內置重復控制器無差拍控制在有源濾波器中的應用[J].電工技術學報,2013,28(2)： 233-238.

[4]楊昆,陳國柱.基于重復控制的DSTATCOM補償電流控制[J].電力系統自動化,2013,37(10)： 80-85.

[5]彭傳彪，王少坤，王曉鋒,等.自適應滯環電流控制逆變器復合控制策略[J].電力自動化設備,2011,31(7)： 42-47.

[6]趙文，張代潤，吳敵.有源電力濾波器自適應電網電流滯環控制[J]．電源學報，2012，40(2)： 67-71．

[8]馬永健,徐政,沈沉.有源電力濾波器閉環控制算法研究[J].電工技術學報,2006,21(2)： 73-78.

[9]劉飛，查曉明，周彥，等.基于極點配置與重復控制相結合的三相光伏發電系統的并網策略[J].電工技術學報,2008,23(12)： 130-136.

[10]LIU T， HAO X， YANG X， et al． A novel repetitive control scheme for three-phase grid-connected inverter with LCL filter[C]∥Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC), Harbin： IEEE，2012： 335-339．

[11]賁冰.基于重復控制的逆變器復合控制技術研究[D].秦皇島： 燕山大學,2007.

[12]ZHANG K， KANG Y， XIONG J， et al． Direct repetitive control of SPWM inverter for UPS purpose[J]． IEEE Trans on Power Electronics， 2003，18(3)： 784-792.

[13]仇志凌，楊恩星，孔潔，等.基于LCL濾波器的并聯有源電力濾波器電流閉環控制方法[J].中國電機工程學報,2009，29(18)： 15-20.

[14]陳宏,胡育文.針對逆變電源的重復控制器設計[J].電力電子技術，2002，36(5)： 68-71.

[15]梅曉榕，莊顯義.自動控制原理[M].北京： 科學出版社，2007.

[16]唐欣,羅安.基于重復控制的有源濾波器的三態滯環控制方法[J].電工技術學報,2009,24(9)： 134-139.

Multiple Control Strategy of Grid-Connected Photovoltaic

Based on LCL Filter

QIFei,LIJianwen,ZHANGShuyi,LIYonggang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric

Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：In view of the hysteresis control with low accuracy , a multiple control strategy combine hysteresis control with repetitive control was proposed. The multiple control strategy retaining good dynamic performance of hysteresis control and high steady state accuracy of the repetitive control. For that, on the one hand, adaptive variable ring width of hysteresis control strategy with LCL filter was proposed, on the other hand, repetitive controller apply to the LCL type inverter was designed. Using the first-order link in advance to compensate phase and amplitude; using trap eliminate LCL resonance peak, second-order filter was adopted to damp the high frequency. Finally the simulation on MATLAB/Simulink platform to verify the effectiveness of the multiple control method.

Key words：hysteresis control; repetitive control; LCL filter; grid-connected inverter

收稿日期：2015-07-02

中圖分類號：TM 315

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)01- 0048- 06

作者簡介：齊飛(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發電并網技術。李永剛(1967—)，男，博士，教授，研究方向為電力系統穩定性和發電機故障診斷。