一種單相LCL型并網(wǎng)逆變器新型諧波阻尼策略設(shè)計

王　旭

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校，云南 昆明 650033)

一種單相LCL型并網(wǎng)逆變器新型諧波阻尼策略設(shè)計

王旭

(昆明冶金高等專科學(xué)校，云南 昆明 650033)

摘要：在構(gòu)建LCL型并網(wǎng)逆變器控制數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對LCL型并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)的諧振尖峰問題，提出了有源阻尼控制策略，并對控制系統(tǒng)參數(shù)特性進行了設(shè)計，以及采用電網(wǎng)電壓前饋補償方法提高了系統(tǒng)控制性能。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)逆變器；阻尼策略；有源阻尼；前饋補償

隨著常規(guī)能源消耗的增加，清潔能源發(fā)電成為當(dāng)前討論的熱點話題，并受到政府的重視。將光伏、風(fēng)能等清潔能源發(fā)電應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，是實現(xiàn)清潔能源發(fā)電轉(zhuǎn)換的重要手段。并網(wǎng)逆變器作為并網(wǎng)系統(tǒng)中的核心的組件，通常采用電流控制的方式。入網(wǎng)電流的諧波失真是衡量并網(wǎng)發(fā)電質(zhì)量的一個非常重要的指標(biāo)。根據(jù)IEEE Std 929—2000標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，對并網(wǎng)發(fā)電總諧波失真比例不得>5%，35次諧波的分量應(yīng)<0.3%。因此，電流企業(yè)為獲得高品質(zhì)的入網(wǎng)電流，通常在并網(wǎng)逆變器側(cè)配置LCL型濾波器，該濾波器與傳統(tǒng)的L型、LC型相比，其需要更小的電感量，從而可有效地減小逆變器的體積以及質(zhì)量，并具有更好的高頻毛刺衰減效果，但LCL型濾波器為三階系統(tǒng)，存在諧振問題，頻率的響應(yīng)存在諧振尖峰，其相位也會出現(xiàn)-180°的跳變，因此很容易導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)不穩(wěn)定，需要對諧振尖峰進行有效的阻尼。

傳統(tǒng)針對LCL型并網(wǎng)逆變器的諧波阻尼策略采用直接電流控制策略和直接雙環(huán)控制策略，但是直接雙環(huán)電流控制策略由于本身存在的控制結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致其不能真正達到單位功率因數(shù)輸出；直接電流控制策略包括逆變器側(cè)電感電流反饋和電容電流反饋2種阻尼補償方式，在對2種方式的比較中采用電容電流反饋更具有較好的整流性負載適應(yīng)能力和動態(tài)響應(yīng)性，因此，本文在構(gòu)建并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出一種新型的有源阻尼策略。

1 LCL型并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

圖1所示為LCL型濾波器單相并網(wǎng)逆變器電路拓撲結(jié)構(gòu)。在圖1中新能源向逆變器直接提供直流電壓，逆變橋采用單相全橋結(jié)構(gòu)，側(cè)電感為L1、網(wǎng)側(cè)電感為L2，它們和電容C共同構(gòu)成了LCL型濾波器，其中Ug的為電網(wǎng)電壓。當(dāng)載波的頻率在比較高的情況下，因采樣時間所造成的延時變得很小，其中的逆變橋則可等效為比例環(huán)節(jié)kPWM。

圖1　LCL型并網(wǎng)逆變器電路

圖1中逆變橋工作時，其中的開關(guān)是處于開或者關(guān)兩種狀態(tài)，對此將該逆變橋看作一個離散的非線性系統(tǒng)。針對這類問題采用狀態(tài)空間平均法對狀態(tài)平均模型進行分析，用脈沖平均值代替其瞬時的值。

當(dāng)逆變橋調(diào)制方式為SPWM時，其調(diào)制信號則為vm=Vmsinwt，三角載波的波峰則為Vtri，對此逆變器的輸出電壓uin則為：

uin=Udc(2S-1)

(1)

式中，Udc為逆變橋輸入的直流母線的電壓；S為開關(guān)函數(shù)，當(dāng)其中的Q1和Q4為導(dǎo)通狀態(tài)時，S的值為1，當(dāng)Q2和Q3為導(dǎo)通狀態(tài)時，S的值為0。

通過開關(guān)函數(shù)S可以看出，該函數(shù)為不連續(xù)函數(shù)，因此，為提高計算的精度，對式1求平均值，即：

(2)

同時根據(jù)雙極性調(diào)制原理，從而可以得到逆變橋的平均輸出電壓為：

(3)

(4)

通過圖1所示的LCL型濾波器結(jié)構(gòu)，根據(jù)基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律，則可以得到其電路方程：

(5)

忽略其中的寄生電路，則可得到LCL型濾波器結(jié)構(gòu)模型，具體如圖2所示。

圖2　LCL型濾波器模型結(jié)構(gòu)圖

通過圖2可以看出，其中的并網(wǎng)電流相對該逆變橋的輸出電壓和電網(wǎng)電壓的關(guān)系可以表示為：

(6)

由式6可以看出，并網(wǎng)電流由2部分構(gòu)成：一部分為逆變橋的輸出電壓控制；另一部分由電網(wǎng)電壓控制。因此，可以將逆變器看成是輸出電壓和電網(wǎng)電壓為雙輸入，入網(wǎng)電流為單輸出的一個系統(tǒng)。而對入網(wǎng)電流的控制主要是通過逆變器的輸出電壓對其中的并網(wǎng)電壓來進行的，將電網(wǎng)電壓看成為其中的一個擾動量。由此通過式6則可以得到逆變橋輸出電壓和入網(wǎng)電流的關(guān)系：

(7)

通過式7可以看出LCL型濾波器為三階系統(tǒng)，其中存在諧振尖峰，影響該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，必須采用一定的阻尼策略對其進行控制[1-2]。

2LCL型并網(wǎng)逆變器的阻尼控制策略

2.1新型阻尼控制策略提出的動機分析

為保證入網(wǎng)電流的穩(wěn)定，通常采用PI或者是比例濾波器進行控制，以此實現(xiàn)入網(wǎng)電流信號控制。本文采用入網(wǎng)電流單閉環(huán)反饋控制，具體如圖3所示。通過圖3可得到入網(wǎng)電流的閉環(huán)函數(shù)：

(8)

圖3　入網(wǎng)電流反饋控制框圖

通過式8計算可得出該控制方式中存在無阻尼諧振尖峰。在該頻率點其阻抗非常小，并且在實際的電壓中存在大量的各次諧波。由此認為通過上述的PI控制策略，存在諧振尖峰，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2新型阻尼控制策略

通過對電容電流反饋和電感電流反饋的比較，本文提出采用電容電流反饋阻尼策略。其具體的控制系統(tǒng)反饋框圖如圖4所示。

圖4　電容電流反饋控制框圖

通過圖4可以得到有源阻尼內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：

(9)

根據(jù)式9可以看出，在內(nèi)環(huán)函數(shù)中引入了一個阻尼函數(shù)kkPWML2Cs3，通過對該系數(shù)的引用，從而使其實現(xiàn)了對LCL型濾波器波峰的阻尼控制。同時在結(jié)合合適的PI控制參數(shù)和內(nèi)環(huán)的阻尼系數(shù)，可得到有效阻尼策略的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

GCd(s)=

(10)

3電容電流反饋控制方式的參數(shù)設(shè)計

3.1內(nèi)環(huán)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)式10所推導(dǎo)出的開環(huán)傳遞函數(shù)，從而可以得到該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(11)

由式11得到該系統(tǒng)的特征方程為：

D(s)=L1L2Cs4+kkPWML2Cs3+(L1+L2)s2+

kkPWMkps+kkPWMki

(12)

通過勞斯穩(wěn)定判據(jù)，得到該系統(tǒng)的穩(wěn)定條件為：

(13)

系統(tǒng)的阻尼比為：

(14)

通過對式14的分析可以看出，其中的值越大，則該阻尼系數(shù)就越大，對LCL型濾波器諧振尖峰的效果也就更好。為更好地兼顧閉環(huán)控制的阻尼效果，在工程上對該參數(shù)的取值為ξ=0.707。將該值帶入到式14中，則可得到內(nèi)環(huán)控制的比例系數(shù)k=0.136。

3.2外環(huán)參數(shù)設(shè)計

對外環(huán)參數(shù)的設(shè)計則根據(jù)該系統(tǒng)的入網(wǎng)電流和電容電流雙閉環(huán)等效控制框架，具體如圖5所示。

在該控制框圖中，系統(tǒng)為開環(huán)的I型系統(tǒng)，要使得其具備良好的性能，則通過PI直接校正為Ⅱ型系統(tǒng)。

圖5　入網(wǎng)電流和電容電流雙閉環(huán)等效控制框圖

典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(15)

通過求解可得到k0、τ0和T0的值。其中kp=0.485,ki=1 200。

4電網(wǎng)電壓前饋控制

通過上述研究，可以將電網(wǎng)電壓看成一個擾動信號。對此加入反饋環(huán)節(jié)，具體如圖6所示。因此，通過圖4可得到加入電容電流反饋方式后的數(shù)學(xué)表達式：

(16)

圖6　電網(wǎng)電壓前饋控制框圖

通過圖6和式16可以得到其實際的前饋補償為Gn(s)=1/kPWM。

5仿真與結(jié)果分析

本文應(yīng)用MATLAB和Simulink軟件對電容電流閉環(huán)控制進行仿真，可得到如圖7所示的電流波形圖。

圖7　k=0.136,kp=0.485,ki=1 200雙閉環(huán)電流波形圖

通過上述阻尼策略，并結(jié)合PI控制策略，使得LCL波形的諧振頻率在2.7 kHz處達到諧振尖峰，波形呈現(xiàn)出穩(wěn)定運行。同時通過計算，得到其分量為3.18%，在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，也驗證了上述方法設(shè)計的正確性。

6結(jié)語

本文對LCL并網(wǎng)逆變器進行了初步研究，得出了下述結(jié)論：1)通過常規(guī)的PI等控制策略其不能有效的對諧振尖峰進行阻尼控制；2)采用電容電流反饋控制方式，同時通過對其中參數(shù)的有效設(shè)計，可對諧波進行有效的阻尼控制，并通過仿真實驗平臺驗證了其正確性。

參考文獻

[1] 杜杰,馬春庭,常青. 基于離散單元法顆粒阻尼的耗能研究[J].新技術(shù)新工藝，2011(7)：78-80.

[2] 胡雪峰, 韋徵, 陳軼涵, 等. LCL濾波并網(wǎng)逆變器的控制策略[J].中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(27):142-148.

責(zé)任編輯鄭練

A Design of Single-phase Grid-connected Inverter Type LCL Novel Harmonic Damping Strategy

WANG Xu

(Kunming Metallurgy College, Kunming 650033, China)

Abstract:On the basis of building LCL type and inverter control mathematical model and LCL resonant peaks problem appearing in grid- connected inverter type, active damping control strategy was presented, and characteristics of the control system parameters were designed, and the grid voltage feed forward compensation method was used to improve system control performance.

Key words:grid-connected inverter, damping strategy, active damping, feed forward compensation

收稿日期：2015-01-05

作者簡介：王旭(1980-)，男，講師，主要從事電氣自動化技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號：TM 615

文獻標(biāo)志碼：A