一種不需要電容電流傳感器的LCL濾波電路有源阻尼控制方法

尹正兵，　張　偉，　張魯華

1.上海電氣集團股份有限公司 輸配電分公司技術中心　上海　200042

2.國網山東省電力公司檢修公司　濟南　250118

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一種不需要電容電流傳感器的LCL濾波電路有源阻尼控制方法

尹正兵1，張偉2，張魯華1

1.上海電氣集團股份有限公司 輸配電分公司技術中心上海200042

2.國網山東省電力公司檢修公司濟南250118

針對LCL濾波電路中電力電子變流器的諧振問題，提出了一種反饋虛擬電容電流的有源阻尼控制方法。根據LCL濾波電路的拓撲結構，建立系統狀態方程，再結合網側電壓推導出電容基波電流的幅值和相位，將產生的虛擬電容電流反饋到控制環，從而實現電力電子變流器LCL濾波拓撲的有源阻尼控制，抑制系統振蕩，提高系統的穩定度。通過500kW光伏發電系統實驗驗證了這一控制方法的有效性。

虛擬電容電流反饋； 濾波電路； 有源阻尼； 變流器

當前在對諧波要求較高的電力電子變流器的應用場合，單純的單電感L型式的濾波電路已經很難滿足系統要求。特別是在大功率應用背景下，較多采用的是LCL或者LC型式的濾波電路。由于LCL為三階系統，LC為兩階系統，容易引起系統諧振，因此有大量圍繞著抑制LCL或者LC諧振的研究文獻[1-6]。總體上抑制諧振的方法分為兩種： 無源阻尼控制和有源阻尼控制。無源阻尼控制通常采用在電感側或電容側串聯電阻的方法，缺點是功率損耗大，影響系統效率；電阻發熱量大，使變流器柜體內的散熱設計增加了難度；串聯電阻會降低低頻段諧波的衰減幅值，影響濾波效果。在有源阻尼控制中，大量文獻和實驗發現反饋變流器側電感電流系統較易穩定，但是在要求功率因數靈活可調控制的場合，很難通過直接給定電網電流指令的方法達到目標要求[7-14]。基于上述原因，采用反饋網側電抗器電流的方法，首先要解決的問題就是抑制諧振。當前的文獻提出了多種控制方法，主要為反饋電容電流或電壓至控制回路，這就需要加裝電流或電壓傳感器，會增加系統成本。

建立系統狀態方程，推導出電容電流與網側電壓幅值和相位的關系，將產生的虛擬電容電流反饋至控制環，無需增加額外的電流傳感器。這一方法基于基本電路原理，理論簡潔明了，實現方法簡單，特別適用于對諧波要求較高或有大功率電力電子變流器應用的場合。

另外，這一方法是根據簡單的傳遞函數關系推導而來的，因此只針對采用LCL濾波電路的變流器展開研究，對于采用LC濾波電路的變流器，可以采用類似的方法實現有源阻尼控制。

1　傳統的LCL諧振抑制方法

1.1拓撲結構

采用LCL濾波電路的變流器主電路拓撲結構如圖1所示，其中S1～S6為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，Udc為直流母線電壓，C為電容，Grid為電網，L1、L2分別為變流器側和網側電抗器，i1、i2分別為變流器側和網側電流，ic為濾波電容電流，uc為濾波電容電壓。圖中忽略線路的電阻。

圖1　采用LCL濾波電路的變流器拓撲

1.2傳遞函數

LCL濾波電路的等效單線圖如圖2所示，圖中ug為電網電壓，R1、R2為電抗器等效電阻。

圖2　LCL濾波電路的等效圖

濾波參數設置后，網側電流i2主要受uin和ug影響。通常情況下，電網可以視作一個容量無窮大的穩定電壓源，此時uin為系統的輸入，電網電壓ug可以視作系統的擾動量，由此可得到網側電流i2與變流器輸出電壓uin的傳遞函數：

i2(s)/uin(s)=[s3L1L2C+s2(L1CR2+L2CR1)

+s(L1+L2+R1R2C)+R1+R2]-1

(1)

1.3傳統的反饋電容電流控制方法

對于一般接入電網的變流器，可以通過外環(電壓環，一般為直流母線電壓)、內環(電流環)的方法進行控制。對于采用LCL濾波器的變流器，在沒有無源阻尼的情況下，單純使用電流內環PI控制無法使系統穩定運行。由系統的控制性能分析可以得出，在外環的基礎上增加電容電流內環的反饋量可以提高系統的響應速度，有利于系統穩定[15]。電壓外環不作改變，電流內環的控制框圖如圖3所示。

圖3　基于電容電流反饋的內環控制圖

圖中s為拉普拉斯算子，uin、uc、ug分別為系統輸入電壓、電容電壓和電網電壓，圖中上標帶有*的量表示目標給定值。電抗器的等效電阻忽略不計，電容電流ic作為內環控制變量，可以抑制諧振，增加系統阻尼，以達到穩定系統的目的。因為網側電流外環要求對并網電流進行精確的跟蹤控制，所以一般選擇PI控制器，由此電容電流反饋環節可以使用簡單的比例控制器Kc，只需達到穩定系統的目的，而不需考慮控制精度，誤差值也不會影響網側電流的跟蹤精度。

2　控制器設計

2.1濾波電容電流

由圖2及圖3可知，在電流反饋環節，網側電流是控制目標，需要使用傳感器采集的量。由圖2可知，濾波電容電流ic與網側電流i2可以通過電路拓撲推導得到，因此在圖3所述控制策略中，反饋的電容電流沒有必要再使用單獨電流傳感器采集。

由圖2可得：

ic=s2CL2i2+sC(R2i2+ug)

(2)

式中i2和ug都是已知量，由此時域情況下電容電流的幅值、相位為：

ic=jωC(R2i2+ug)-ω2CL2i2

(3)

式(3)進一步說明，電容電流的幅值、相位由網側電抗器的參數、電網電壓及網側電流決定，通常電抗器的等效電阻數值較小，可以忽略不計。此外，式(3)中等號右側第二項中濾波電容C與網側電感L2的乘積非常小，亦可忽略不計，因此式(3)可以改寫為：

ic≈jωCug

(4)

這樣可得，電容電流相位超前于電網電壓90°，幅值與電網電壓成正比。

2.2虛擬電容電流反饋控制

基于式(4)，通過測得的電網電壓，可以生成濾波電容電流，然后代替傳統電容電流反饋中所需要使用的電流傳感器采集的電流數據，直接反饋到控制回路中。基于虛擬電容電流反饋的內環控制框圖如圖4所示，圖中jw為算子，其它符號定義與圖3相同。

圖4　基于虛擬電容電流反饋的內環控制圖

3　實驗驗證

3.1實驗設備

上述基于虛擬電容電流反饋的有源阻尼控制方法在500kW光伏變流器產品(Solar-500-315)中進行實驗驗證。拓撲結構與圖1類似，直流電源由模擬太陽能陣列的可調大功率直流輸出電源替代，設備的額定功率為500kW，交流輸出端電壓為315V。圖5為產品的調試界面。

圖5　500kW光伏變流器調試界面

3.2實驗過程及結果

為了驗證所提出的有源阻尼控制方法的有效性，進行不同功率等級下的實驗，如圖6所示。圖中第1(黃色)、3(藍色)通道為網側電流，第2(綠色)通道為濾波電容電流，第4(粉色)通道為電網電壓。

圖6中a、b、c、d、e所發出的網側電流有效值分別為98.5A、399.4A、602.7A、701A和836A。

比較圖6中不同功率等級下的電容電流可以發現，其有效值基本固定在52A左右，不隨系統功率的變化而變化，僅與濾波電容的容值和電網電壓有關，由此驗證了式(4)的正確性。式(4)正是虛擬電容電流反饋控制的基礎。從圖6還可以看出，網側電流無論在何種功率等級下均沒有出現諧振現象，說明本文所述方法的有效性。

4　結論

通過推導LCL拓撲結構的狀態方程，建立起濾波電容與電網電壓的簡單數學關系，進而在不加裝額外電流傳感器的情況下，通過電網電壓得到虛擬電容電流，并將之反饋到系統控制環，實現有源阻尼控制，抑制系統振蕩。這一方法過程簡單，理論基礎可靠，可以在降低變流器產品成本的同時獲得較高的控制性能。經過500kW光伏發電系統實驗，驗證了這一方法的正確性。

[1] 許津銘,謝少軍,肖華鋒.LCL濾波器有源阻尼控制機制研究[J].中國電機工程學報,2012，32(9)： 27-33.

[2] 鮑陳磊,阮新波,王學華,等.基于PI調節器和電容電流反饋有源阻尼的LCL型并網逆變器閉環參數設計[J].中國電機工程學報,2012，32(25)： 133-142.

[3] 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.

[4] 楊淑英,張興,張崇巍,等.LCL濾波電壓源并網逆變器多環控制策略設計[J].電力系統自動化,2011，35(5)： 66-70.

[5] 彭雙劍,羅安,榮飛,等.LCL濾波器的單相光伏并網控制策略[J].中國電機工程學報,2011，31(21)： 17-24.

[6] 李芬,鄒旭東,鄒云屏,等.并網LCL濾波的PWM整流器輸入阻抗分析[J].電工技術學報,2010，25(1)： 97-103.

[7] 郭偉峰,徐殿國,武健,等.LCL有源電力濾波器新型控制方法[J].中國電機工程學報,2010，30(3)： 42-48.

[8] 劉飛,查曉明,段善旭.三相并網逆變器LCL濾波器的參數設計與研究[J].電工技術學報,2010，25(3)： 110-116.

[9] 王斯然,呂征宇.LCL型并網逆變器中重復控制方法研究[J].中國電機工程學報,2010，30(27)： 69-75.

圖6　反饋虛擬電容電流的有源阻尼算法功率實驗

[10] 殷進軍.LCL濾波并網逆變器的數字單環控制技術研究[D].武漢： 華中科技大學,2012.

[11] 薛明雨.LCL型并網逆變器的解耦控制與優化設計[D].武漢： 華中科技大學,2012.

[12] 潘冬華,阮新波,王學華,等.提高LCL型并網逆變器魯棒性的電容電流即時反饋有源阻尼方法[J].中國電機工程學報,2013，33(18)： 1-10.

[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] 劉飛,段善旭,查曉明.基于LCL濾波器的并網逆變器雙環控制設計[J].中國電機工程學報,2009，29(增刊)： 234-240.

[15] 唐亮.三相并網逆變器LCL濾波特性分析及控制研究[D].秦皇島： 燕山大學,2010.

In view of the resonance of power electronic converters with LCL filter circuit, proposed an active damping control method for virtual feedback capacitance current. The system state equation was created depending on the topology of LCL filter circuit, and then, amplitude value and phase of fundamental current of the capacitor were derived in combination with the voltage at the side of the network, thus the created virtual capacitor current would feed back to the control loop, thereby LCL filter topology of the power electronic converter could achieve active damping control, suppression of system disturbance, and improvement of system stability. By the experiment in 500kW PV generating system it demonstrated the validity of this control method.

Feedback of Virtual Capacitance Current; Filter Circuit； Active Damping； Convertor

2015年12月

尹正兵(1979—)，男，碩士，工程師，主要從事大功率電力電子技術及其在新能源變流器系統中應用的工作，

Email: yinzhengbing@126.com

TM46;TP273

A

1674-540X(2016)02-052-04