LCL濾波并網(wǎng)逆變器的零點(diǎn)配置策略

許津銘，謝少軍，肖華鋒，黃如海，秦 嶺

(1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京210016;2.南通大學(xué)，江蘇 南通226007)

引言

并網(wǎng)系統(tǒng)中，采用LCL濾波器可以較好的濾除進(jìn)網(wǎng)電流中的高次諧波電流，但高階濾波器的存在降低了系統(tǒng)阻尼，并網(wǎng)電流甚至產(chǎn)生無阻尼諧振，危及并網(wǎng)逆變器的安全及穩(wěn)定運(yùn)行。為此，多數(shù)文獻(xiàn)中采用無源阻尼或者有源阻尼的控制方案。無源阻尼方案中，通過在濾波器中串聯(lián)或并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)阻尼特性的改善[1,2]，但該方案所帶來的損耗問題制約了其應(yīng)用。而有源阻尼方案則是通過控制算法給系統(tǒng)引入虛擬阻抗，改善阻尼特性，這種方式不會(huì)帶來多余的損耗。

已見諸文獻(xiàn)的有源阻尼方案，包括逆變器側(cè)電感電流[3]、電容電流[4～6]、電容電壓[6,7]、網(wǎng)側(cè)電感電壓[8]的單變量反饋的有源阻尼方案，以及采用多變量組合的有源阻尼方案等[9]。綜觀上述文獻(xiàn)，由于控制系統(tǒng)的階數(shù)較高，調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。除此之外，文獻(xiàn)[10]中給出了一種新型的控制思想：按照一定比例分裂濾波電容，對(duì)兩電容之間的電流進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了控制環(huán)路上的降階，為系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)帶來方便，控制器的設(shè)計(jì)不存在上述方案的問題。但該方案需對(duì)硬件電路進(jìn)行改動(dòng)。文獻(xiàn)[11]通過對(duì)逆變器側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電流的加權(quán)平均獲得了具有一階特性的電流量，同樣實(shí)現(xiàn)了降階控制，實(shí)現(xiàn)較為簡便。

文獻(xiàn)[11]中的方案僅僅是針對(duì)單一方案進(jìn)行分析，并未全面的分析各電壓以及電流之間的可能的組合方式。本文提出了一種系統(tǒng)性的分析方法，從零點(diǎn)配置角度全面討論了LCL濾波并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的加權(quán)組合方案，給出了在LCL濾波并網(wǎng)系統(tǒng)中可行的組合反饋方式。仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析的有效性。

1 電流加權(quán)的控制方案

圖1(a)所示為采用LCL濾波器的單相并網(wǎng)逆變器，由逆變器側(cè)電感L1、濾波電容C1及網(wǎng)側(cè)電感L2組成。逆變輸出至進(jìn)網(wǎng)電流的幅頻特性見圖1(b)，進(jìn)網(wǎng)電流中存在諧振尖峰，不利于閉環(huán)設(shè)計(jì)。尤其是，采用進(jìn)網(wǎng)電流直接閉環(huán)控制時(shí)，需要將諧振峰抑制到0 dB以下保證系統(tǒng)穩(wěn)定[3]。這意味著較差的系統(tǒng)響應(yīng)。

文獻(xiàn)[11]中采用的電流加權(quán)方案如圖2所示。為簡化分析，將全橋逆變環(huán)節(jié)等效為比例增益，忽略其延遲的影響。當(dāng)加權(quán)系數(shù)β=L1/(L1+L2)時(shí)，即可得到一階特性的加權(quán)組合電流量，如式(1)。該方案實(shí)現(xiàn)了反饋控制系統(tǒng)的降階，閉環(huán)設(shè)計(jì)較為簡便。具體的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)下的魯棒性詳見文獻(xiàn)[11]。

2 零點(diǎn)配置的系統(tǒng)性分析

由式(1)可以看出，該方案的實(shí)質(zhì)是通過合理選取加權(quán)組合系數(shù)實(shí)現(xiàn)了組合量中零點(diǎn)的配置，配置零點(diǎn)與諧振極點(diǎn)抵消。為全面研究可行的加權(quán)組合方式，本文給出基于零點(diǎn)配置策略的統(tǒng)一控制框圖(圖3)，其中x1與x2為三個(gè)濾波元件的六個(gè)電流電壓量，本文將加權(quán)形式擴(kuò)充到比例、積分、微分的加權(quán)組合，即 xf=f(x1,x2)=k1sm·x1+k2sn·x2，m,n∈{0,±1}。 選取的加權(quán)組合需實(shí)現(xiàn)如式(1)所示分母為一階的傳遞函數(shù)，將高階的系統(tǒng)等效為單電感濾波的一階并網(wǎng)系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)控制。

從分析結(jié)果來看(表1)，以實(shí)現(xiàn)抵消諧振極點(diǎn)為目的的零點(diǎn)配置方案比較多，主要可分為兩個(gè)電流的加權(quán)組合、兩個(gè)電壓的加權(quán)組合以及電流與電壓的加權(quán)組合。從表中還可以看出，電流之間的加權(quán)組合方式最為簡單，權(quán)值均為比例系數(shù)。而其它兩大類的權(quán)值均有涉及到積分或者微分形式?？偨Y(jié)來看，這兩類的組合方式均同電流加權(quán)組合相似，可依據(jù)各元件電流電壓間的關(guān)系相互導(dǎo)出。需要注意的是，若實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電壓的解耦，濾波電容電壓同網(wǎng)側(cè)電感電壓一致。

表1 零點(diǎn)配置的組合方案

表中第一個(gè)電流組合方式即為文獻(xiàn)[11]中采用的控制方案。對(duì)于表中所示的多種組合方案來說，其原理是基本一致的，但所需采用的傳感器卻大不相同。而對(duì)于不同的并網(wǎng)系統(tǒng)、不同功率等級(jí)或者電壓等級(jí)下，選擇不同的傳感器的成本可能是不一樣的[6]。因而有必要對(duì)其它可行的組合方案進(jìn)行研究。

3 電流間組合方案的實(shí)驗(yàn)研究

文獻(xiàn)[11]中對(duì)電流組合方式中的第一種進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。需要指出的是，電容電流的幅值相較于其它兩個(gè)電流要小，同時(shí)三個(gè)電流在系統(tǒng)中位置也不一樣，不同的選擇可能會(huì)帶來成本上的降低。本節(jié)對(duì)LCL濾波器中易于測(cè)量的三個(gè)電流間的三種加權(quán)組合方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，閉環(huán)采用簡單的PI調(diào)節(jié)。搭建了一臺(tái)單相并網(wǎng)逆變器，濾波器參數(shù)為：逆變器側(cè)電感值1 066 μH、網(wǎng)側(cè)電感值1 022 μH、濾波電容值10 μF。實(shí)驗(yàn)條件為：直流輸入電壓360 V，電網(wǎng)電壓 220 V/50 Hz，開關(guān)頻率 10 kHz。圖4中分別給出了三種組合方式下的并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)波形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，進(jìn)網(wǎng)電流波形正弦度好，這三種零點(diǎn)配置組合方案均是有效的。應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員可以自由的選擇電流傳感器的位置。

4 電壓間、電流電壓間組合方案的仿真研究

前文對(duì)三個(gè)電流間的兩兩加權(quán)組合方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本節(jié)采用saber仿真軟件針對(duì)三個(gè)電壓間的以及電流電壓間的組合方案進(jìn)行仿真研究，仿真參數(shù)同第3節(jié)所示。表1中示出的組合方案較多，本節(jié)分別從電壓組合方案以及電流電壓組合方案中各選取一種方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，即：圖 5 分別給出了兩種組合方案下的并網(wǎng)仿真結(jié)果，方案是可行的，可以進(jìn)一步擴(kuò)寬該類方案的應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文采用了一種系統(tǒng)性分析方法研究了LCL濾波并網(wǎng)逆變器的零點(diǎn)配置的電流控制技術(shù)，給出了可實(shí)現(xiàn)對(duì)消諧振極點(diǎn)的變量組合方案。對(duì)三個(gè)電流間的兩兩組合方案的實(shí)驗(yàn)以及電壓間、電流電壓間的組合方案的仿真均表明分析的正確性，可以拓寬該類方案實(shí)際應(yīng)用中傳感器選擇的范圍。

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