極點配置雙閉環(huán)控制單相并網(wǎng)逆變器研究

宋懷祥

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

太陽能、風能等新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展為解決供電日益緊張問題提供了很好的解決途徑，而并網(wǎng)逆變器作為并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的核心已經(jīng)逐漸成為人們研究的重點[1-2]。由文獻[3-4]可知常在并網(wǎng)逆變器輸出側(cè)用LCL 濾波器抑制高次諧波，但由于LCL濾波器本身存在諧振會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響，文獻[5-6]中采用直接在LCL 濾波的電容支路串聯(lián)電阻的無源阻尼的方法抑制諧振，但會增加系統(tǒng)損耗，降低效率。另外電網(wǎng)電壓的擾動會導致并網(wǎng)電流的畸變，該問題在文獻[7]提出用電網(wǎng)電壓前饋法來解決。

本文采用一種帶有電網(wǎng)電壓前饋的電流雙閉環(huán)控制策略，其中網(wǎng)側(cè)電感電流為外環(huán)，電容電流為內(nèi)環(huán)。采用電流雙閉環(huán)控制可以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并用極點配置法設(shè)計控制器。分析加入電網(wǎng)電壓前饋可使電網(wǎng)擾動對LCL 濾波器的影響得以消除的原因。最后通過仿真和實驗驗證方案的可行性。

1 隔離并網(wǎng)系統(tǒng)的LCL 濾波分析

1.1 單相隔離并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

圖1所示為單相隔離并網(wǎng)逆變器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)，其中直流側(cè)電壓為Udc，逆變器側(cè)電感L1的電流為i1，濾波電容C的電流為ic，網(wǎng)側(cè)電感電流為i2，電網(wǎng)電壓為ugrid，匝數(shù)比為1:1 的變壓器T使電網(wǎng)與逆變器隔離，可提高安全性。

圖1 單相隔離并網(wǎng)逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 LCL 濾波分析

由圖2可得其輸出電流i2與輸入電壓ul之間的傳遞函數(shù)。

圖2 LCL 濾波等效原理圖

式中，i1，ic，i2分別為電感L1的電流、電容C的電流和電感L2的電流，ui，uc，uo分別為LCL 濾波器的輸入電壓、電容兩端電壓和輸出電壓。由于電阻R1和R2很小，可以忽略不計。

電容支路串入阻尼電阻R后輸出電流i2與輸入電壓ui之間的傳遞函數(shù)為

由文獻[8]提出的LCL 濾波器參數(shù)設(shè)計方法及限制條件可知阻尼電阻取值一般為諧振頻率處濾波電容C容抗ZC的1/3。所以合適的阻尼電阻值的計算式為

式中，fc為LCL 濾波器的諧振頻率。

合適的 LCL 濾波器參數(shù)可選為L1= 2 .0mH ，C= 9.5μF ，L2=1.0mH，R=10Ω。其中圖3為選取不同阻尼值時Bode 圖對比。

圖3 不同阻尼Bode 圖

2 控制策略分析及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計

圖4 加阻尼并帶電網(wǎng)電壓前饋的電流雙閉環(huán)控制等效結(jié)構(gòu)框圖

由（4）式可得電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方為

比較（5），（6）兩式可得

由此可知，式（7），（8），（9）為基于極點配置設(shè)計的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的P 和PΙ 調(diào)節(jié)器的參數(shù)。若按常規(guī)方法設(shè)計雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器的參數(shù)，則要考慮P 和PΙ 兩調(diào)節(jié)器之間的頻帶寬度和響應(yīng)速度的互相影響與協(xié)調(diào)問題，調(diào)節(jié)器設(shè)計步驟很復雜，且需反復試湊驗證。而用極點配置的方法設(shè)計控制器的參數(shù)時，將會使設(shè)計過程得到很大簡化，能使其高性能指標得到滿足。此設(shè)計方法優(yōu)越性明顯。

3 電網(wǎng)電壓前饋去擾動分析

電網(wǎng)電壓在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中可被視為擾動信號，為了使電網(wǎng)電壓干擾作用減弱或消除，需加入電網(wǎng)電壓前饋控制。由圖4可推導出帶電網(wǎng)電壓前饋時，電網(wǎng)電壓對入網(wǎng)電流的擾動影響的傳遞函數(shù)

由式（10）可知，要想克服電網(wǎng)電壓對入網(wǎng)電流的擾動影響，則可令式（10）中的Gg(s) =1/kPWM，加入電網(wǎng)電壓前饋可大大減少其對進網(wǎng)電流的干擾，使系統(tǒng)的外特性得到改善。

4 仿真及實驗分析

4.1 仿真分析

根據(jù)分析建立加阻性負載的單相隔離并網(wǎng)逆變器仿真模型。仿真參數(shù)分別為：直流輸入電壓為400V，電網(wǎng)電壓有效值為220V，電網(wǎng)電壓頻率為50Hz，調(diào)節(jié)器參數(shù)分別為k=1.5，kp=0.6，ki= 800，開關(guān)頻率為10kHz。圖5為在阻性負載下逆變器工作由半載在0.3s 時刻突變到滿載的變化仿真波形。由仿真波形可知，入網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，在入網(wǎng)電流突變時能快速響應(yīng)，突變后能快速恢復穩(wěn)定運行。

圖5 并網(wǎng)電流從半載到滿載變化仿真波形

4.2 實驗分析

根據(jù)分析設(shè)計了一臺3kW 的單相隔離并網(wǎng)逆變器樣機，逆變模塊采用三菱的ΙPM 模塊，主控芯片采用TMS320LF2407 型DSP 芯片，直流側(cè)輸入電壓用直流穩(wěn)壓電源模擬。圖6為逆變器加阻性負載半載到滿載的變化波形，從實驗波形可知并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓基本同頻同相，負載突變后能很快穩(wěn)定運行，實驗波形與仿真波形基本相同。

圖6 并網(wǎng)電流從半載到滿載變化實驗波形

5 結(jié)論

仿真和實驗結(jié)果表明，采用基于加阻尼的帶電網(wǎng)電壓前饋的電流雙閉環(huán)控制策略的能使網(wǎng)側(cè)逆變輸出電流很好地與電網(wǎng)電壓保持同頻同相并實現(xiàn)并網(wǎng)且無沖擊，且在負載突變情況下變化不大。從而驗證采用的控制策略的正確性與可行性。

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