單相LCL并網逆變器控制技術分析

楊昆樺

單相LCL并網逆變器控制技術分析

楊昆樺

（武漢理工大學，湖北 武漢 430000）

圍繞單相LCL并網的逆變器相應控制技術開展深入研究及探討，希望能夠為今后此方面技術應用及研究工作的高效化進展提供指導性的建議或者參考。

單相LCL；逆變器；控制技術；控制參數

由于近幾年全球能源方面的問題更為突出，分布式的發電在全球范圍內得以廣泛應用及迅猛發展。因并網的逆變器屬于分布式的發電裝置核心構成部分，設計及控制技術優劣程度，均會對電能實際質量產生直接影響。在這一背景之下，單相LCL并網的逆變器及其控制技術逐漸成為了國內研究的重點。對此，深入研究單相LCL并網的逆變器相應控制技術，有一定現實意義及價值。

1 單相LCL類型并網的逆變器概述

近幾年來，世界各國均在積極探索能夠克服世界范圍能源危機的重要手段或者方法，光伏、風力等各種分布式的發電系統得到廣泛關注及重視。單相并網的逆變器作為分布式的發電系統內部控制及轉換能量核心部門，它的各項性能往往會對并網系統整體質量產生直接影響。為能夠對逆變器諧波輸出產生一定抑制作用，需在電網與并網的逆變器相互間加設濾波器，并網的逆變器實際所輸出的濾波器有三種類型，即為LCL、LC、L。L單電感的濾波器，屬于一階系統，整體結構十分簡單，只有處于較大電感條件下，才會對諧波產生一定抑制作用，系統成本相對較高，且會對系統動態化的性能產生一定影響；LC的濾波器，屬于二階系統，對所輸出電流高頻紋波無平抑作用，極易由于電網的阻抗角各種不確定性因素，以至對濾波效果產生影響；LCL型號的濾波器，針對高頻諧波的電流方面衰減作用較為強烈，小電流條件下可獲取良好濾波效果，其網側電感可對沖擊的電流產生抑制作用。對此，LCL型號的濾波器可獲取較高質量進網的電流。然而，LCL型號的濾波器屬于三階系統，極易引發系統諧振現象，影響系統整體穩定性，需抑制諧振的尖峰。

LCL型號的濾波器抑制諧波振的方法有源阻尼、無源阻尼。無源阻尼法，指在濾波電容或者電感支路上面并聯或者串聯電阻，將系統阻尼增加，濾波電感支路所串聯電阻促使濾波器低頻增益降低；并聯電阻促使濾波器高頻增益降低；濾波電容的支路上面所串聯電阻，促使濾波器高頻增益降低，并聯電阻并不會對低頻及高頻的增益產生影響，但卻會出現較大損耗情況。有源阻尼主要通過對控制算法改進處理，即引入濾波電容或者電感的電流、電壓內環后，構造出虛擬阻抗，便于對諧振產生抑制作用，此種方法無需配備其他無源的元件，損耗功率問題并不存在。文中所闡述的單相LCL類型并網逆變器以網側電感的電流為外環，并用濾波電容的電流為內環雙閉環式控制技術，積極引入了電容電流的內環構造下虛擬阻尼，將系統阻尼增加，對諧振產生良好抑制作用，網測電感的電流外環可對并網電流實現直接控制，確保進網電流有著較大的功率因數。

2 系統總控制框架

在含有單相LCL類型并網的逆變器主電路當中，直流的輸入電壓為dc，逆變器側的輸出電流為L1，濾波的電容電流為c，電網側的輸出電流為L2，電網電壓為Grid。文中設計單項的逆變器1 kW/220 V基礎模型，=20 kHz為其開關的頻率，dc=400 V為其直流的電壓，該LCL型號的濾波器各項參數為2=2 mH、=5 μF、1=3 mH。對諧振問題加以分析，需對單項LCL類型并網的逆變器，通過網測電感的電流單環形式實現直接控制，可獲取進網電流L2、PI輸出（）相互傳遞的函數關系列式，即L2（）/（）=pwm/12s3+（1±2）。該式中，逆變器的等效比環節pwm=400，通過在PI的控制器后，積極引入電容電流的內環控制，便可獲取到PI所輸出（）及進網電流L2相互間傳遞的函數關系列式：L2（）（）=pwm/12s3+pwm2s3+（1+2）。通過該式，能夠獲取頻特性的曲線。從該曲線中即可了解到引入網測電流實現直接控制期間，該系統諧振的頻率會存在著較大尖峰值情況，添加電容電流的內環控制科學技術后，尖峰得以有效抑制。電容電流的內環反饋，可促使系統阻尼增加，提升系統整體穩定性。

3 分析系統的穩定性與各項控制參數

為了解電容電流的內環，針對系統整體運行穩定性方面具體影響，需選相應控制參數，獲取到電容電流的內環傳遞具體函數關系列式：（）（）=pwm2s3/12s3+pwm2s+1+2。通過該式，能夠獲取電容電流C所反饋調節器的內環軌跡。從中即可了解到，pwm內環增益無法改變，該系統根軌跡一直處于復平面左側半平面中。對此，以電容電流C為基礎反饋調節器，其內環控制一直處于穩定狀態。依據上式，可求得該入網電流實際開環傳遞基本函數特征的阻尼系統方程列式：

從該式可知，內環反饋的系數越大，則系統阻尼就相對越大，對諧振尖峰就有著更加的抑制效果。然則，阻尼若過于大，則會導致系統響應的速度逐漸放慢。為兼顧吸引阻尼的效果及動態化響應的速度，要求工程實踐當中選取=0.706。同時，獲取系統開環傳遞的函數關系列式：L2（）=*L2（）－L2（）=pwmp+pwmi/12s3+pwm23+（1+12）2。

從根軌跡中可了解到，若想維持系統穩定的運行狀態，需對選定最適宜調節器的i及p參數，確保系統根軌跡處于復平面所致左側半平面位置。

系統閉環傳遞的函數關系列式為：

L2（）*L2（）=pwmp+pwmi/44+33+22+1+0，該式中，0=pwmi；1=pwmp；2=1+12；3=pwm2；4=12。

閉環系統特征方程列式為：（）=124+pwm23+（1+2）2+pwmp+pwmi。依據勞斯穩定學判斷依據，能夠獲取系統穩定性運行基礎條件表達列式：1+2－p1＞0，且p（1+2－p1）－pwmi2＞0。對此，選定最適宜調節器的各項參數，可確保系統處于穩定的運行狀態。通過分析電容電流的雙閉環式控制系統及入網電流處于p不同參數值條件下伯德圖后可了解到，越小的p參數值，諧振的尖峰值也就相對越小。但是，系統帶寬會隨之降低，對系統動態化響應的速度有著一定影響；通過分析電容電流的雙閉環式控制系統及入網電流處于i不同參數值條件下伯德圖后可了解到，越大的i參數值，諧振的尖峰值也就相對越小。但是，系統相角的裕度會降低，對系統整體運行穩定性有著一定影響。結合以上分析論述可表明，文中PI的調節器各項參數取值即為：i=1 200，p=0.5。

4 系統仿真

為進一步驗證文中控制技術動態性能、良好穩態及正確性，借助PSIM9.0的仿真系統軟件，針對于此系統實施仿真分析。通過單電感式濾波并網的逆變器電網電壓、并網電流縮小至5倍波形，可了解到進網電流高頻諧波的分量相對較大，單電感L類型濾波器高頻濾波整體效果相對較差一些。通過分析i=1 200，p=0.5條件下，電流雙環式控制穩態仿真的波形可了解到，電網電壓與并網電流處于同頻同相狀態下，功率因數比較接近于1。雙閉環的控制之下，并網電流諧波含量減少趨勢明顯。通過分析i=1 200，p=1.6條件下，電流的雙閉環式控制穩態仿真的波形后可了解到，此系統臨界的穩定p參數值即為1.6，對比正常穩定條件下并網電流的波形，臨界穩定條件下并網電流的波形已有大量毛刺出現，圓滑正弦波已存在。而此時，如果持續將p參數值增加，則此系統穩定性必然降低，引發振蕩現象。通過分析逆變器自滿載至半載、自半載至滿載這一動態化仿真波形后可了解到，系統處于負載突變條件之下，可始終維持著穩定的運行狀態，動態化響應的速度也相對較快。

5 結語

綜上所述，文中主要借助電容電流及并網電流雙閉環式控制技術，直接控制并網電流，相比傳統并網電流的單環控制技術來說，通過虛擬阻抗的引入，促使此系統阻尼增加，對諧振產生較強的抑制作用，系統整體運行穩定性得到提升。經系統仿真分析的結果證明，此技術措施能夠對進網電流的諧振產生良好抑制效果，入網電流的功率因數相對較高，穩態性能較為良好。

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TM464

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.049

2095－6835（2019）24－0112－02

楊昆樺（1995—），男，侗族，貴州天柱人，在讀研究生，研究方向為LCL并網逆變器。

〔編輯：嚴麗琴〕