基于單周期控制的LCL并網逆變器控制策略研究*

楊旭紅，何超杰

(上海市電站自動化重點實驗室，上海電力學院 自動化工程學院，上海200090)

基于單周期控制的LCL并網逆變器控制策略研究*

楊旭紅，何超杰

(上海市電站自動化重點實驗室，上海電力學院 自動化工程學院，上海200090)

摘要：采用單周期數字控制技術以提高LCL型并網逆變器對電壓源側輸入擾動的抑制能力和系統的動態響應，以電容電流反饋作為內環、入網電流反饋作為外環的雙閉環反饋控制為系統的主要結構。其中，單周期控制采用雙極性算法，對內環輸出信號進行逆變器開關管占空比的調制，內環在反饋通道使用比例控制，外環在前向通道使用比例積分控制。分析了以電容電流反饋構建的陷波器抑制LCL諧振的原理，并設計濾波器及控制器參數。通過MATLAB/Simulink仿真平臺，建立了LCL型濾波的逆變器并網模型，仿真分析證明了該策略的可行性。

關鍵詞：單周期控制； 并網逆變器； LCL濾波器； 雙閉環控制； 有源阻尼法

0引言

分布式并網發電是對太陽能、風能等可再生能源利用的主流方式，并網逆變器作為分布式電源和電網的接口，其控制技術十分關鍵[1-4]。逆變器控制的兩個主要的目標為：(1) 逆變器輸出電流與電網電壓同頻同相；(2) 輸出的正弦波電流滿足THD標準。由于逆變器開關元件工作時會產生大量諧波，必須在逆變器和電網之間加入濾波器。相比于LC型濾波器，LCL型濾波器在相同條件下對高頻諧波的抑制能力更好，逐漸廣泛應用于大功率、低開關頻率的并網變換器設備[5]。但是，LCL型濾波器的三階特性即在諧振頻率處增益會無窮大，同時相位發生180°跳變，會導致系統發生振蕩甚至不穩定[6]。因此，對LCL濾波器的參數選擇和固有諧振的抑制十分重要。

對于諧振的抑制，方法之一是有源阻尼法中的以電容電流為反饋變量的陷波器校正法[7-8]。該方法只需在反饋通道配置一個比例環節，且不受系統參數影響，易于實現有源阻尼控制[9]。文獻[10]提出一種電容支路電流反饋有源阻尼策略和反饋參數設計方法，并與無源阻尼法進行對比研究。文獻[11]采用單周期控制實現三相整流器的控制并證明當直流源端電壓恒定時單周期控制(One-Cycle Control, OCC)與正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)在本質上是一致的。但OCC兼具調制和控制雙重功能，可根據控制的要求在一定范圍內增加控制器的自由度[12]。其中一個應用是在分布式能源并網發電中直流端的穩壓目標，可通過對OCC添加輔助控制器實現。由于OCC本身的控制特點決定了其對輸入的擾動有很好的抑制效果。文獻[13]提出了在αβ0坐標系下采用比例諧振控制和單周期控制實現LCL型濾波器的逆變器并網。

基于上文所述，本文采用OCC技術，作為一種非線性控制的新型PWM調制技術，對并網逆變器輸入和負載擾動都有很好的抑制能力，且具有很好的動態響應。另外，在dq0坐標系下采用雙閉環控制，外環采用PI控制，內環采用比例P和OCC控制，與αβ0坐標系下采用比例諧振控制相比，減少了系統的階數，在系統的控制設計上更容易。通過理論和仿真分析，驗證了該策略的可行性與正確性。

1逆變器并網的單周期控制技術

LCL型濾波器的三相逆變器并網的主電路拓撲如圖1所示。

圖1中，Ua、Ub、Uc為三相電網電壓；Udc為直流源電壓；L1、L2、C為逆變側濾波電感、網側濾波電感和濾波電容；i1、i2、ic為逆變側的電感電流、并網(網側)電流和電容電流。

圖1　LCL型濾波器三相逆變器并網拓撲

本文的控制策略主要是：以電容電流作為內環的反饋變量，以電網電流作為外環的反饋變量，在dq0坐標系下外環的控制器為PI控制器，內環采用比例P和OCC控制，內環的輸出通過數字單周期控制技術實現逆變器開關管的占空比調制。由此，可以得到本文提出的控制策略的控制結構圖，如圖2所示。

圖2　LCL型并網逆變器控制結構圖

從圖2可知，電容電流在dq0坐標系下反饋后經比例P調節的輸出量重新反變換到三相靜止坐標系下。該輸出量作為參考信號經過OCC獲得開關信號。

對于OCC算法的實現，首先假設逆變器的內阻抗為零、無死區時間和遲滯以及同一橋臂的上下開關管始終為互補狀態[14-15]。根據圖1的拓撲結構可以得式(1)：

(1)

(2)

式中：Dap、Dbp、Dcp——逆變器開關管1、3、5的占空比；

uCaN′、uCbN′、uCcN′——各相濾波電容的電壓。

由于開關頻率遠大于電網電壓頻率，認為L1的電壓在一個開關周期內為0。因此，可根據式(1)和式(2)推得

(3)

求解矩陣方程可知，方程的通解由齊次解和特解組成，如式(4)所示。

(4)

由于電容的電壓與其電流呈正比，因此控制電容的電壓可通過控制電容的電流實現，即電容電流反饋后經P控制器的輸出量等同于根據電容的電壓除以jωC后反饋的輸出。因此，可由式(4)得到電容電流和占空比之間的關系，表達示如式(5)所示。

(5)

由式(5)可知，OCC的傳遞函數為GOCC(s)=K。

由于單周期控制的每個開個周期內的輸出平均值都等于參考輸入，由GOCC(s)=K可知，其傳遞函數與直流端的輸入無關，這也是其對直流輸入端抗干擾好的原因。

對于k的選取[16-18]，由于占空比Dmp(m=a,b,c)的范圍為：0

(6)

2三相逆變器并網系統參數設計

根據三相并網系統的結構可知，逆變器輸出電壓uinv(s)和ic(s)的傳遞函數為

(7)

式中：ωres=sqrt[(L1+L2)/L1CL2]——系統的固有諧振頻率。

根據式(7)和圖2可求得以ic為反饋變量的基于陷波器校正法的有源阻尼控制框圖，如圖3所示。

圖3　雙閉環電流控制系統框圖

圖3中，k1為比例P控制的參數，G(s)為uinv(s)和i2(s)的傳遞函數，表達式如式(8)所示。

(8)

GPI(s)=kp+ki/s。因此，根據圖3可以求得該系統的開環傳遞函數Gop(s)：

(9)

由式(9)可知，圖3虛線框中構建的陷波器通過零極點對消在開環傳遞函數中已不存在諧振頻率。其閉環傳遞函數Gcl(s)為

(10)

因此，系統的特征多項式為

(11)

根據勞斯-赫爾維茨穩定判據[20]可得系統的穩定條件

(12)

滿足條件式(12)只能保證系統是穩定的，而系統的穩態和動態性能還取決于對系統的參數進行更細致的選擇。對于高階系統，可以采用主導極點的概念對其進行近似分析。對于本文所述的4階系統，將閉環傳遞函數表達為

(13)

由于零點的存在會影響系統的動態性能，所以b0應在范圍內盡可能大，或與某一個極點構成偶極子，但也要盡可能地遠離虛軸。對于極點，則設計為兩個主導的共軛極點和兩個非主導的共軛極點或兩個非主導的實軸上的根。將極點配置的傳遞函數與系統的閉環傳遞函數比較，得[21]

(14)

若系統的阻尼系數ξ越大，系統的剪切頻率越小，轉折頻率越大，則系統的響應速度變快，穩態精度變差，但是系統的穩態裕度變大。因此，需在系統的穩態精度和動態性能之間折中選擇。

3仿真與分析

為了驗證理論分析的正確性，進行了相關的仿真分析。在MATLAB/Simulink平臺上搭建了三相逆變器并網模型，仿真模型基本參數如表1所示。

表1　模型基本參數

根據上文參數設計的理論分析，再對其進行一定的微調，得到以下控制器的參數：kp=0.61，ki=88，k1=0.91，K=265.4。本文主要對單周期控制輸入端的擾動抑制能力和系統的動態性能進行驗證分析。因此，仿真1令系統在0.063s時增大Udc的幅值到750V；仿真2令系統在0.063s時將系統的網側參考電流峰值從31.1A降為25A；仿真3則令系統在0.063s時同時改變Udc和網側參考電流峰值。仿真1、2和3網側電流A相的波形分別如圖4～圖6所示。

圖4　仿真1網側電流A相波形

圖5　仿真2網側電流A相波形

仿真1、2和3網側電流A相的波形的相位差Δθ和THD變化如表2所示。

表2　仿真數據

從圖4可知，系統只需要半個周期就能夠到達穩定，在0.063s時直流電壓的突升對網側電流的影響很小。從圖5可知，A相電流在0.063s時突然下降，只經過0.002s后便重新穩定。由表2可知，改變前THD由1.34%到改變后的1.63%，電流的下降并沒有引起太大的諧波失真。從圖5及表2中的相關數據可知，同時讓直流電壓上升和網側電流突降，相較于仿真1和2，對系統的干擾大一點。但系統的控制效果仍很好，對于相位基本都沒有偏差。根據以上仿真分析可以說明，單周期控制對于逆變并網系統直流端的擾動有很好的抑制能力而且有很好的動態性能。

5結語

雙閉環的LCL型濾波器的逆變器并網控制策略已經很成熟，本文則采用電容電流內環、電網電流外環的控制方式構建了陷波器，很好地抑制了系統的固有諧振。但是，傳統的PWM方式無法完全抑制直流端的擾動，對擾動的響應緩慢，需要幾個周期才能穩定。單周期作為一種非線性控制策略，始終保證每個開關周期的平均輸出等于參考輸入，很好地抑制了直流輸入端的擾動，而且具有很好的動態性能。本文通過理論分析和仿真分析驗證了上述結論，表明該策略的可行性和正確性。

【參 考 文 獻】

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A Control Strategy of Grid-Connected Inverter with LCL Filter Based on One-Cycle Control*

YANGXuhong，HEChaojie

(Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology, Automatic Engineering of Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Abstract：A digital one-cycle control (OCC) technology was adopted to improve the control performance of grid-connected inverter with LCL filter which could inhabit the input disturbance of voltage source and improve the system dynamic response. The dual closed-loop feedback control was implemented with the inner loop of capacitor current and the outer loop of grid-tied current. Moreover, an OCC bipolar control algorithm was analyzed and designed to modulate the duty cycle signals of the inverter switches from the inner loop output signals. Proportional (P) control at the feedback channel of the inner loop and Proportional-integral (PI) control at the forward channel of the outer loop were adopted in proposed system. The principle was analyzed mathematically that a trap filter formed by capacitor current feedback restrained LCL resonance and the parameters of filters and controllers was designed. On the basis of MATLAB/Simulink platform, a model of grid-connected inverter with LCL filter was established and the results of simulation were analyzed to verify feasibility of the strategy.

Key words：one-cycle control(OCC); grid-connected inverter; LCL filter; dual loop control; active damping method

*基金項目：國家自然科學基金項目(61203224);上海市電站自動化技術重點實驗室開放課題(13DZ2273800); 上海市科技創新行動技術高新技術領域重點項目(14511101200);上海市重點科技攻關計劃(上海市科委地方院校能力建設項目)(14110500700);上海自然科學基金項目(13ZR1417800)

作者簡介：楊旭紅(1969—)，女，教授，碩士生導師，研究方向為智能電網控制技術、新能源發電及儲能技術、火電和核電機組的仿真建模及控制技術。

中圖分類號：TM 464

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)05- 0007- 05

收稿日期：2015-10-26

何超杰(1990—)，男，碩士，研究方向為微電網逆變器控制技術。