基于單周期控制的LCL并網(wǎng)逆變器控制策略研究*

楊旭紅，何超杰

(上海市電站自動化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院，上海200090)

基于單周期控制的LCL并網(wǎng)逆變器控制策略研究*

楊旭紅，何超杰

(上海市電站自動化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院，上海200090)

摘要：采用單周期數(shù)字控制技術(shù)以提高LCL型并網(wǎng)逆變器對電壓源側(cè)輸入擾動的抑制能力和系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，以電容電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)、入網(wǎng)電流反饋?zhàn)鳛橥猸h(huán)的雙閉環(huán)反饋控制為系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。其中，單周期控制采用雙極性算法，對內(nèi)環(huán)輸出信號進(jìn)行逆變器開關(guān)管占空比的調(diào)制，內(nèi)環(huán)在反饋通道使用比例控制，外環(huán)在前向通道使用比例積分控制。分析了以電容電流反饋構(gòu)建的陷波器抑制LCL諧振的原理，并設(shè)計(jì)濾波器及控制器參數(shù)。通過MATLAB/Simulink仿真平臺，建立了LCL型濾波的逆變器并網(wǎng)模型，仿真分析證明了該策略的可行性。

關(guān)鍵詞：單周期控制； 并網(wǎng)逆變器； LCL濾波器； 雙閉環(huán)控制； 有源阻尼法

0引言

分布式并網(wǎng)發(fā)電是對太陽能、風(fēng)能等可再生能源利用的主流方式，并網(wǎng)逆變器作為分布式電源和電網(wǎng)的接口，其控制技術(shù)十分關(guān)鍵[1-4]。逆變器控制的兩個主要的目標(biāo)為：(1) 逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相；(2) 輸出的正弦波電流滿足THD標(biāo)準(zhǔn)。由于逆變器開關(guān)元件工作時會產(chǎn)生大量諧波，必須在逆變器和電網(wǎng)之間加入濾波器。相比于LC型濾波器，LCL型濾波器在相同條件下對高頻諧波的抑制能力更好，逐漸廣泛應(yīng)用于大功率、低開關(guān)頻率的并網(wǎng)變換器設(shè)備[5]。但是，LCL型濾波器的三階特性即在諧振頻率處增益會無窮大，同時相位發(fā)生180°跳變，會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振蕩甚至不穩(wěn)定[6]。因此，對LCL濾波器的參數(shù)選擇和固有諧振的抑制十分重要。

對于諧振的抑制，方法之一是有源阻尼法中的以電容電流為反饋?zhàn)兞康南莶ㄆ餍Ｕ╗7-8]。該方法只需在反饋通道配置一個比例環(huán)節(jié)，且不受系統(tǒng)參數(shù)影響，易于實(shí)現(xiàn)有源阻尼控制[9]。文獻(xiàn)[10]提出一種電容支路電流反饋有源阻尼策略和反饋參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并與無源阻尼法進(jìn)行對比研究。文獻(xiàn)[11]采用單周期控制實(shí)現(xiàn)三相整流器的控制并證明當(dāng)直流源端電壓恒定時單周期控制(One-Cycle Control, OCC)與正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)在本質(zhì)上是一致的。但OCC兼具調(diào)制和控制雙重功能，可根據(jù)控制的要求在一定范圍內(nèi)增加控制器的自由度[12]。其中一個應(yīng)用是在分布式能源并網(wǎng)發(fā)電中直流端的穩(wěn)壓目標(biāo)，可通過對OCC添加輔助控制器實(shí)現(xiàn)。由于OCC本身的控制特點(diǎn)決定了其對輸入的擾動有很好的抑制效果。文獻(xiàn)[13]提出了在αβ0坐標(biāo)系下采用比例諧振控制和單周期控制實(shí)現(xiàn)LCL型濾波器的逆變器并網(wǎng)。

基于上文所述，本文采用OCC技術(shù)，作為一種非線性控制的新型PWM調(diào)制技術(shù)，對并網(wǎng)逆變器輸入和負(fù)載擾動都有很好的抑制能力，且具有很好的動態(tài)響應(yīng)。另外，在dq0坐標(biāo)系下采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)采用PI控制，內(nèi)環(huán)采用比例P和OCC控制，與αβ0坐標(biāo)系下采用比例諧振控制相比，減少了系統(tǒng)的階數(shù)，在系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)上更容易。通過理論和仿真分析，驗(yàn)證了該策略的可行性與正確性。

1逆變器并網(wǎng)的單周期控制技術(shù)

LCL型濾波器的三相逆變器并網(wǎng)的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1中，Ua、Ub、Uc為三相電網(wǎng)電壓；Udc為直流源電壓；L1、L2、C為逆變側(cè)濾波電感、網(wǎng)側(cè)濾波電感和濾波電容；i1、i2、ic為逆變側(cè)的電感電流、并網(wǎng)(網(wǎng)側(cè))電流和電容電流。

圖1　LCL型濾波器三相逆變器并網(wǎng)拓?fù)?/p>

本文的控制策略主要是：以電容電流作為內(nèi)環(huán)的反饋?zhàn)兞?，以電網(wǎng)電流作為外環(huán)的反饋?zhàn)兞浚赿q0坐標(biāo)系下外環(huán)的控制器為PI控制器，內(nèi)環(huán)采用比例P和OCC控制，內(nèi)環(huán)的輸出通過數(shù)字單周期控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)逆變器開關(guān)管的占空比調(diào)制。由此，可以得到本文提出的控制策略的控制結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2　LCL型并網(wǎng)逆變器控制結(jié)構(gòu)圖

從圖2可知，電容電流在dq0坐標(biāo)系下反饋后經(jīng)比例P調(diào)節(jié)的輸出量重新反變換到三相靜止坐標(biāo)系下。該輸出量作為參考信號經(jīng)過OCC獲得開關(guān)信號。

對于OCC算法的實(shí)現(xiàn)，首先假設(shè)逆變器的內(nèi)阻抗為零、無死區(qū)時間和遲滯以及同一橋臂的上下開關(guān)管始終為互補(bǔ)狀態(tài)[14-15]。根據(jù)圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以得式(1)：

(1)

(2)

式中：Dap、Dbp、Dcp——逆變器開關(guān)管1、3、5的占空比；

uCaN′、uCbN′、uCcN′——各相濾波電容的電壓。

由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)電壓頻率，認(rèn)為L1的電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)為0。因此，可根據(jù)式(1)和式(2)推得

(3)

求解矩陣方程可知，方程的通解由齊次解和特解組成，如式(4)所示。

(4)

由于電容的電壓與其電流呈正比，因此控制電容的電壓可通過控制電容的電流實(shí)現(xiàn)，即電容電流反饋后經(jīng)P控制器的輸出量等同于根據(jù)電容的電壓除以jωC后反饋的輸出。因此，可由式(4)得到電容電流和占空比之間的關(guān)系，表達(dá)示如式(5)所示。

(5)

由式(5)可知，OCC的傳遞函數(shù)為GOCC(s)=K。

由于單周期控制的每個開個周期內(nèi)的輸出平均值都等于參考輸入，由GOCC(s)=K可知，其傳遞函數(shù)與直流端的輸入無關(guān)，這也是其對直流輸入端抗干擾好的原因。

對于k的選取[16-18]，由于占空比Dmp(m=a,b,c)的范圍為：0

(6)

2三相逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)三相并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知，逆變器輸出電壓uinv(s)和ic(s)的傳遞函數(shù)為

(7)

式中：ωres=sqrt[(L1+L2)/L1CL2]——系統(tǒng)的固有諧振頻率。

根據(jù)式(7)和圖2可求得以ic為反饋?zhàn)兞康幕谙莶ㄆ餍Ｕǖ挠性醋枘峥刂瓶驁D，如圖3所示。

圖3　雙閉環(huán)電流控制系統(tǒng)框圖

圖3中，k1為比例P控制的參數(shù)，G(s)為uinv(s)和i2(s)的傳遞函數(shù)，表達(dá)式如式(8)所示。

(8)

GPI(s)=kp+ki/s。因此，根據(jù)圖3可以求得該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gop(s)：

(9)

由式(9)可知，圖3虛線框中構(gòu)建的陷波器通過零極點(diǎn)對消在開環(huán)傳遞函數(shù)中已不存在諧振頻率。其閉環(huán)傳遞函數(shù)Gcl(s)為

(10)

因此，系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式為

(11)

根據(jù)勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)[20]可得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件

(12)

滿足條件式(12)只能保證系統(tǒng)是穩(wěn)定的，而系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能還取決于對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行更細(xì)致的選擇。對于高階系統(tǒng)，可以采用主導(dǎo)極點(diǎn)的概念對其進(jìn)行近似分析。對于本文所述的4階系統(tǒng)，將閉環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)為

(13)

由于零點(diǎn)的存在會影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，所以b0應(yīng)在范圍內(nèi)盡可能大，或與某一個極點(diǎn)構(gòu)成偶極子，但也要盡可能地遠(yuǎn)離虛軸。對于極點(diǎn)，則設(shè)計(jì)為兩個主導(dǎo)的共軛極點(diǎn)和兩個非主導(dǎo)的共軛極點(diǎn)或兩個非主導(dǎo)的實(shí)軸上的根。將極點(diǎn)配置的傳遞函數(shù)與系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)比較，得[21]

(14)

若系統(tǒng)的阻尼系數(shù)ξ越大，系統(tǒng)的剪切頻率越小，轉(zhuǎn)折頻率越大，則系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快，穩(wěn)態(tài)精度變差，但是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)裕度變大。因此，需在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能之間折中選擇。

3仿真與分析

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，進(jìn)行了相關(guān)的仿真分析。在MATLAB/Simulink平臺上搭建了三相逆變器并網(wǎng)模型，仿真模型基本參數(shù)如表1所示。

表1　模型基本參數(shù)

根據(jù)上文參數(shù)設(shè)計(jì)的理論分析，再對其進(jìn)行一定的微調(diào)，得到以下控制器的參數(shù)：kp=0.61，ki=88，k1=0.91，K=265.4。本文主要對單周期控制輸入端的擾動抑制能力和系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行驗(yàn)證分析。因此，仿真1令系統(tǒng)在0.063s時增大Udc的幅值到750V；仿真2令系統(tǒng)在0.063s時將系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)參考電流峰值從31.1A降為25A；仿真3則令系統(tǒng)在0.063s時同時改變Udc和網(wǎng)側(cè)參考電流峰值。仿真1、2和3網(wǎng)側(cè)電流A相的波形分別如圖4～圖6所示。

圖4　仿真1網(wǎng)側(cè)電流A相波形

圖5　仿真2網(wǎng)側(cè)電流A相波形

仿真1、2和3網(wǎng)側(cè)電流A相的波形的相位差Δθ和THD變化如表2所示。

表2　仿真數(shù)據(jù)

從圖4可知，系統(tǒng)只需要半個周期就能夠到達(dá)穩(wěn)定，在0.063s時直流電壓的突升對網(wǎng)側(cè)電流的影響很小。從圖5可知，A相電流在0.063s時突然下降，只經(jīng)過0.002s后便重新穩(wěn)定。由表2可知，改變前THD由1.34%到改變后的1.63%，電流的下降并沒有引起太大的諧波失真。從圖5及表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，同時讓直流電壓上升和網(wǎng)側(cè)電流突降，相較于仿真1和2，對系統(tǒng)的干擾大一點(diǎn)。但系統(tǒng)的控制效果仍很好，對于相位基本都沒有偏差。根據(jù)以上仿真分析可以說明，單周期控制對于逆變并網(wǎng)系統(tǒng)直流端的擾動有很好的抑制能力而且有很好的動態(tài)性能。

5結(jié)語

雙閉環(huán)的LCL型濾波器的逆變器并網(wǎng)控制策略已經(jīng)很成熟，本文則采用電容電流內(nèi)環(huán)、電網(wǎng)電流外環(huán)的控制方式構(gòu)建了陷波器，很好地抑制了系統(tǒng)的固有諧振。但是，傳統(tǒng)的PWM方式無法完全抑制直流端的擾動，對擾動的響應(yīng)緩慢，需要幾個周期才能穩(wěn)定。單周期作為一種非線性控制策略，始終保證每個開關(guān)周期的平均輸出等于參考輸入，很好地抑制了直流輸入端的擾動，而且具有很好的動態(tài)性能。本文通過理論分析和仿真分析驗(yàn)證了上述結(jié)論，表明該策略的可行性和正確性。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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A Control Strategy of Grid-Connected Inverter with LCL Filter Based on One-Cycle Control*

YANGXuhong，HEChaojie

(Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology, Automatic Engineering of Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Abstract：A digital one-cycle control (OCC) technology was adopted to improve the control performance of grid-connected inverter with LCL filter which could inhabit the input disturbance of voltage source and improve the system dynamic response. The dual closed-loop feedback control was implemented with the inner loop of capacitor current and the outer loop of grid-tied current. Moreover, an OCC bipolar control algorithm was analyzed and designed to modulate the duty cycle signals of the inverter switches from the inner loop output signals. Proportional (P) control at the feedback channel of the inner loop and Proportional-integral (PI) control at the forward channel of the outer loop were adopted in proposed system. The principle was analyzed mathematically that a trap filter formed by capacitor current feedback restrained LCL resonance and the parameters of filters and controllers was designed. On the basis of MATLAB/Simulink platform, a model of grid-connected inverter with LCL filter was established and the results of simulation were analyzed to verify feasibility of the strategy.

Key words：one-cycle control(OCC); grid-connected inverter; LCL filter; dual loop control; active damping method

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61203224);上海市電站自動化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(13DZ2273800); 上海市科技創(chuàng)新行動技術(shù)高新技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目(14511101200);上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃(上海市科委地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目)(14110500700);上海自然科學(xué)基金項(xiàng)目(13ZR1417800)

作者簡介：楊旭紅(1969—)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)控制技術(shù)、新能源發(fā)電及儲能技術(shù)、火電和核電機(jī)組的仿真建模及控制技術(shù)。

中圖分類號：TM 464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)05- 0007- 05

收稿日期：2015-10-26

何超杰(1990—)，男，碩士，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)逆變器控制技術(shù)。