基于LCL濾波的單相虛擬矢量并網逆變器

劉述喜，陳寶剛，楊儒龍

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054; 2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心， 重慶 400054)

基于LCL濾波的單相虛擬矢量并網逆變器

劉述喜1,2，陳寶剛1,2，楊儒龍1,2

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054; 2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心， 重慶 400054)

在新能源并網發電應用中，傳統的單相并網逆變器的控制策略有滯環比較控制和雙環控制等，但這些控制存在著有諧波干擾、濾波效果差、無法對有功功率和無功功率進行調節等問題。為此，提出了基于LCL濾波的單相虛擬矢量并網逆變器控制策略，在控制方式上利用T/4傳輸延時構建虛擬矢量，通過坐標變換、解耦、雙環控制等，以實現對有功和無功的調節，以及對電流的無靜差跟蹤，并在逆變器輸出側設計了LCL型濾波器。最后，通過仿真驗證了方案的可行性。

并網逆變器；虛擬矢量；LCL型濾波器

Abstract: In the application of new energy generation and grid connection, the traditional single-phase grid-connected inverters control strategies contain hysteresis control, double loop control and etc. These control strategies exist problems, such as harmonic interference, not adjusted for active power and reactive power, and that filtering effect is poor. This paper proposes a single-phase virtual vector grid-connected inverters with LCL filter control strategy. This strategy builds a virtual vector based on the T/4 transfer delay. After coordinating transformation, decoupling, double loop control to realize the active and reactive power regulation and to track floating current. The inverter output side LCL filter is designed as well. The feasibility of the proposed strategy is verified by simulation.

Keywords: grid-connected inverter; virtual vector; LCL filter

傳統的單相逆變器控制策略主要有滯環電流控制和雙環控制。滯環電流控制策略有著結構簡單、電流跟蹤效果好、響應速度快等優點。盡管在電流跟蹤方面有固定的誤差范圍，但功率開關器件的開通、關斷頻率不固定給諧波治理帶來很大困難。單相逆變器雙環控制一般是指電壓外環采用PI控制，電流內環采用P控制的技術[]。這種技術利用SPWM調制可以實現功率開關器件通斷頻率的固定，但是無法實現對有功功率和無功功率的調節。

三相逆變器的控制策略電流內環采用PI控制，能很容易地實現對有功功率和無功功率的調節。單相與三相逆變器雙環控制的主要區別在于：單相逆變在靜止坐標系中只有1個自由度，無法利用坐標旋轉變換為同步坐標系下的直流量，因而無法采用PI控制，只能利用P控制進行調節。針對這一問題，相關學者進行研究后提出了一些解決方法，目前主要有T/4傳輸延時、Hilbert變換[2]、反Park變換[3]。本文采用T/4傳輸延時技術，虛擬出一個與原自由度正交的矢量，成功實現了對有功功率和無功功率的調節以及對電流的無靜差跟蹤，并在逆變器輸出側設計了LCL型濾波器，利用有源阻尼電流電容比例反饋法，使LCL型濾波器實現了理想的諧波抑制效果。

1 并網LCL型濾波器設計

LCL型濾波器因其體積小、濾波效果好，成為并網逆變器中濾波器研究的熱點[4]。本文采用如圖1所示的LCL型單相并網逆變器主電路，其中：Q1、Q2、Q3、Q4為開關器件PMOSFET，電感L1、L2和電容C構成了LCL型濾波器。

圖1 LCL型單相并網逆變器主電路

由此可以推導出LCL型濾波器輸出的并網電流i2與橋臂輸出電壓udc(s)之間的傳遞函數為：

(1)

采用雙極性SPWM控制，根據文獻[5-6]可分別對LCL型濾波器中L1、L2以及C的參數進行設計：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Ts為載波周期；Udc為直流側電壓；Im為基準電流；ω為基波角頻率；Po為輸出有功功率；ωh為主諧波角頻率；λh為主諧波所占并網電流百分比。

設計一個功率為5 kW的逆變器，其中直流側電壓為360 V，網側電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz，載波頻率為10 kHz。根據式(1)～(5)可得出LCL型逆變器的相應參數。

圖2是在同樣等級下L型濾波器和LCL型濾波器的頻率特性對比，可發現在高頻階段LCL型濾波器對高頻諧波的衰減效果更好。

圖2 L型和LCL型濾波器的頻率特性

采用電流電容比例反饋法[7]，對圖2出現的諧振尖峰[8]進行有源阻尼法處理，得到圖3所示的LCL濾波器阻尼特性。從圖3的阻尼特性曲線可看出：LCL濾波器對諧振尖峰的阻尼效果良好。

圖3 LCL型濾波器阻尼特性

2 基于T/4傳輸延時的虛擬矢量控制模型

圖4為基于LCL型逆變器的傳統雙閉環控制。電流內環的比例控制無法實現對有功、無功的單獨調節。為此，本文采用改進的虛擬矢量控制，應用正交信號發生器對結構進行改善。為滿足坐標旋轉變換，至少需要2個自由度要求，這樣就可以得到直流量，再利用PI控制實現有功、無功的單獨調節以及電流的無靜差跟蹤。利用T/4傳輸延時可以得到與原交流量正交的分量，且方法簡單、容易實現。

假設單相逆變系統輸出電流，即網側電流io為

io=Icos(ωot+φ)

(6)

式中：I為電流幅值；φ為初始相角；ωo為基波角頻率。

利用T/4傳輸延時得到1個與網側電流i0正交的虛擬分量ilm，即：

ilm=Isin(ωot+φ)

(7)

io和ilm在靜止坐標系下經過坐標旋轉變換后便可以得到同步旋轉坐標系下的id和iq：

(8)

圖4 傳統的雙閉環控制

圖5為靜止坐標到同步旋轉坐標變換示意圖，其中io和其虛擬出的正交分量ilm的合成便構成了靜止坐標系中的虛擬矢量I。通過坐標旋轉變換得到虛擬矢量I在同步坐標下對應的有功電流分量id和無功電流分量iq，則通過PI控制對id和iq進行控制調節，就能對傳統單相逆變器雙環控制進行改進，實現對有功功率和無功功率的獨立調節[9]。

圖5 坐標變換示意圖

單相逆變器在靜止坐標系下的狀態方程：

(9)

結合式(8)可得在同步旋轉坐標系下單相逆變器的狀態方程為：

(10)

即：

(11)

從式(11)可以看出：在同步旋轉坐標系中d軸和q軸存在分量的耦合，在控制時相互之間會產生影響，無法實現對有功功率和無功功率的單獨調節。分量-ωLid會對q軸產生影響，分量ωLiq對d軸產生的可以忽略。因此，需要對dq軸進行解耦[10]。

對式(11)進行變形可得：

(12)

設

(13)

可得：

(14)

(15)

代入式(13)可得：

(16)

式(16)便是經過解耦后，利用PI控制得到的數學模型，解耦結構框圖如圖6所示。

圖6 解耦結構框圖

3 仿真分析

由前面的分析可得：在單相逆變器的系統控制上采用虛擬矢量控制策略，在輸出側采用電容電流反饋有源阻尼的LCL型濾波器。最終確定如圖7所示的單相并網逆變器控制策略結構。

圖7 單相并網逆變器控制策略結構

為了對該理論進行驗證，利用Matlab仿真軟件，在Simulink平臺對該模型進行搭建、仿真[11]。圖8為Matlab仿真模型，其中逆變器直流側電壓為360 V，網側電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz，輸出的有功功率為5 kW，載波頻率為10 kHz。

圖8 單相逆變器仿真圖

據圖9和圖10仿真結果數據圖顯示：逆變器輸出側的電壓、電流實現了完美的相位跟蹤，對逆變器輸出側電流進行傅里葉分析，THD值是1.80%，波形畸變率較小，達到了國標要求，說明有源阻尼LCL型濾波器濾波效果良好。

圖9 輸出側電壓、電流

圖10 輸出側電流傅里葉分析

為了進一步對有源阻尼LCL型濾波器優越性進行驗證，對單L型濾波器和無阻尼LCL型濾波器在同等條件下建立了仿真模型。單L型濾波器輸出側電流的傅里葉分析如圖11所示。從圖中可以看出：在高頻階段單L型濾波器對諧波的抑制效果比較差，導致波形畸變率較大，THD值達到了3.15%，濾波效果不理想。無阻尼LCL型濾波器輸出側電流的傅立葉分析如圖12所示，較單L型濾波器，波形的畸變率較低，THD值為2.76%，但與有源阻尼型LCL濾波器相比仍然較高。通過對以上3種濾波器的濾波效果進行對比分析可以得出：有源阻尼LCL型濾波器對諧波的抑制效果最好。

圖11 單L型濾波器輸出側電流傅里葉分析

圖12 無阻尼LCL型濾波器輸出側電流傅里葉分析

4 結束語

對帶LCL濾波的單相虛擬矢量并網逆變器進行仿真，達到了預期的效果，也進一步驗證了前面理論分析的正確性。研究結果表明：這是一種較為理想的單相逆變器控制策略，該理論對新能源發電并網有一定的意義。但虛擬矢量是通過T/4傳輸延時形成，即在開始的前1/4個周期內虛擬矢量的值為0，且一旦基波電壓被諧波污染，難以保證虛擬矢量與原分量的正交性。這些都會對系統的穩定造成一定危害，需要進一步改進。通過仿真結果也可以發現THD值為1.80%，還存在提升的空間。

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(責任編輯陳 艷)

Single-PhaseVirtualVectorGrid-ConnectedInverterwithLCLFilter

LIU Shuxi1,2, CHEN Baogang1,2, YANG Rulong1,2

(1.College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2. Research Center of Engineering Technology for Energy Interconnection Internet of Chongqing, Chongqing 400054, China)

2017-05-03

國家自然科學基金資助項目(51607020)

劉述喜(1969—)，男，湖南邵陽人，博士，教授，主要從事電力電子、電力傳動及其控制技術的研究，E-mail：154154816@qq.com。

劉述喜，陳寶剛，楊儒龍.基于LCL濾波的單相虛擬矢量并網逆變器[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(9):132-137.

formatLIU Shuxi, CHEN Baogang, YANG Rulong.Single-Phase Virtual Vector Grid-Connected Inverter with LCL Filter[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):132-137.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.021

TM464

A

1674-8425(2017)09-0132-06