基于LCL型并網(wǎng)逆變器的二自由度控制技術(shù)研究

成燕　徐博　劉曉飛　王釗

摘 要： 并網(wǎng)逆變器的交流側(cè)大多都采用LCL型濾波器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行濾波，相比于L型濾波器它可以達(dá)到更好的濾波效果，然而，由于LCL型濾波器容易產(chǎn)生高頻諧振，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)因此而受到影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了多種解決方案，其中無(wú)源阻尼和有源阻尼是使用比較廣泛的兩種控制方法。該文將一種二自由度PID控制策略應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)之中，通過(guò)Matlab仿真分析了系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性和跟隨性，對(duì)系統(tǒng)的諧波有較好的抑制效果。

關(guān)鍵詞： 并網(wǎng)逆變器； 二自由度控制； 有源阻尼； LCL濾波器

中圖分類號(hào)： TN65?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）06?0171?04

Abstract： The LCL?type filter is used at the AC side of the photovoltaic grid?connected inverter to perform system filtering， and has more excellent filtering effect than that of the L?type filter. Since the system stability can be effected by the high frequency resonance produced by the LCL?type filter， various solutions are proposed by scholars at home and abroad to solve the problem， in which the reactive damping control method and active damping control method are the two widely?used ones. A two?degree?of?freedom PID control strategy is applied to the photovoltaic grid?connected inverter control system. The system performance is analyzed with Matlab simulation. The experimental results indicate that the method has improved the robustness and following performance of the system， and has a better suppression effect for the system harmonic.

Keywords： grid?connected inverter； two?degree?of?freedom control； active damping； LCL filter

0 引 言

隨著人們對(duì)電力需求的日益增長(zhǎng)，大電網(wǎng)成為過(guò)去幾十年里電力供應(yīng)的主要渠道。然而，大電網(wǎng)存在著一些弊端：成本高，運(yùn)行難度大，難以滿足用戶與日俱增的安全性和可靠性的要求[1]。因此，分布式發(fā)電成為了電力系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)之一。

在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器充當(dāng)系統(tǒng)中的各種微源與電網(wǎng)的并網(wǎng)接口，它對(duì)電能的質(zhì)量有著非常大的影響。因此，人們對(duì)三相逆變器的性能的要求也越來(lái)越高。需要其具有高可靠性，能夠抗負(fù)載沖擊以及較強(qiáng)的過(guò)載能力，在過(guò)載、短路時(shí)能夠提供實(shí)時(shí)保護(hù)、限流的能力。穩(wěn)態(tài)輸出電壓精度高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快并且穩(wěn)定，面對(duì)負(fù)載擾動(dòng)或者輸入電壓的擾動(dòng)能夠快速響應(yīng)。所以逆變器的控制技術(shù)是并網(wǎng)系統(tǒng)中一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的逆變器控制中，由于PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、易于工程實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，大多采用PID控制方式[2?3]。

然而由于微網(wǎng)慣性小，受干擾影響大，因此對(duì)逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高。傳統(tǒng)的PID控制器只能設(shè)計(jì)一組參數(shù)，它不能使系統(tǒng)的跟隨性以及抗擾性同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，在其參數(shù)整定時(shí)，一般需要在系統(tǒng)的跟隨性和抗擾抑性之間選取一個(gè)折中的值[4]，這樣做雖然可以達(dá)到多數(shù)控制系統(tǒng)對(duì)精度的要求，但是，對(duì)于微電網(wǎng)而言就難以滿足人們?nèi)找嬖龈叩囊蟆?/p>

為了解決傳統(tǒng)PID控制器的這些不足，二自由度PID控制的思想應(yīng)運(yùn)而生。二自由度PID控制的兩個(gè)自由度就是指抗擾特性的PID參數(shù)和目標(biāo)值跟隨性的PID參數(shù)[5]。二自由度PID控制器使它們可以同時(shí)獨(dú)立地調(diào)節(jié)目標(biāo)值跟隨性、抗干擾性，使兩者的特性同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。文獻(xiàn)[6?7]研究了二自由度控制在LCL型并網(wǎng)逆變器中的控制策略，它能有效地抑制電網(wǎng)的諧波，但是其參數(shù)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。本文選用的二自由度控制器為設(shè)定值濾波型，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

本文根據(jù)二自由度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出系統(tǒng)中各參數(shù)的值或者取值范圍，同時(shí)將二自由度控制應(yīng)用于微電網(wǎng)中的逆變器控制中，以改善其抗干擾性能，并在Matlab中進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，二自由度控制使微電網(wǎng)中逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到了很好的改善。

1 LCL型并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

早期光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的并網(wǎng)濾波器大多都使用單L型濾波器[8?10]，其具有結(jié)構(gòu)、控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并且只需采用電流單環(huán)反饋就可以取得非常好的效果。然而隨著系統(tǒng)容量的增大，對(duì)濾波器的濾波效果也有了更高的要求，如果仍然使用單L型濾波器則需要更大的電感，這極大地增加了整個(gè)系統(tǒng)的體積和成本。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，用LCL型濾波器代替單電感L型濾波器的思想被提出。相比于L型濾波器，在相同的濾波效果之下LCL型濾波器可以選取較小的電感，這樣可以顯著減小系統(tǒng)的成本以及體積。

圖1顯示了三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓?fù)鋱D。其中L1為三相逆變器輸出濾波電感值，r1表示電感L1上的寄生電阻，L2為電網(wǎng)側(cè)電感值，r2表示電感L2上的寄生電阻，C為輸出LCL濾波器的電容值。

由于三相并網(wǎng)光伏逆變器的工作方式可以看作三個(gè)單相逆變器的合成，因此在分析其系統(tǒng)性能時(shí)，可以分析其單相的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，忽略電感上的寄生電阻，單相無(wú)阻尼LCL濾波器的等效電路如圖2所示。

由此可以看出，LCL濾波器對(duì)并網(wǎng)電流中的高次諧波有非常好的抑制作用。但是，系統(tǒng)中的寄生電阻可以忽略不計(jì)，LCL濾波器可以被看作是一個(gè)無(wú)阻尼的三階系統(tǒng)，它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中存在諧振的問(wèn)題，降低電能的質(zhì)量。針對(duì)LCL型濾波器存在諧振峰的問(wèn)題，有許多解決方法被提出，其中使用最廣泛的就是無(wú)源阻尼控制和有源阻尼控制這兩種方法[11?13]。無(wú)源阻尼控制的一般方案有四種，分別為：電感串聯(lián)電阻、電感并聯(lián)電阻、電容串聯(lián)電阻、電容并聯(lián)電阻。這里，以電容串聯(lián)電阻的方法來(lái)進(jìn)行分析。假設(shè)串聯(lián)的電阻為R，則可以得到LCL型濾波器的逆變器橋臂側(cè)輸出電壓到入網(wǎng)電流的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)其傳遞函數(shù)，可以得到其伯德圖如圖4所示。通過(guò)圖4可以看出在電容支路添加阻尼電阻后，系統(tǒng)的諧振峰明顯得到抑制。分別取阻尼電阻R等于1 Ω，2 Ω，5 Ω，10 Ω，從系統(tǒng)的伯德圖中可以看出，隨著串聯(lián)的阻尼電阻值的變大，諧振峰得到的抑制越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了一定程度的增強(qiáng)。然而，隨著阻尼電阻的增大，系統(tǒng)衰減的速率也會(huì)隨之變慢，導(dǎo)致濾波的效果變差。同時(shí)阻尼電阻上的功率損耗會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的效率下降，并且在大功率場(chǎng)合阻尼電阻面臨著發(fā)熱的問(wèn)題，通常還需要額外的散熱系統(tǒng)。這也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的成本進(jìn)一步增加。

對(duì)于并網(wǎng)逆變器而言，除了上述的無(wú)源阻尼法還可以采用有源阻尼的控制策略，有源阻尼法有如下幾種：虛擬電阻法、全狀態(tài)反饋法、單狀態(tài)反饋法等。有源阻尼控制可以解決無(wú)源阻尼控制中發(fā)熱以及功率損耗的問(wèn)題，但是需要額外采集反饋信號(hào)，增加了系統(tǒng)的硬件成本。本文采用一種二自由度有源阻尼控制技術(shù)對(duì)LCL濾波器進(jìn)行控制，以改善控制性能，提高并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性和抗干擾性。對(duì)比無(wú)源阻尼控制，該方法沒(méi)有阻尼電阻發(fā)熱及損耗問(wèn)題；對(duì)比有源阻尼控制，該方法不需要采集額外的反饋信號(hào)，減少了硬件成本。

2 二自由度控制器的設(shè)計(jì)

本文采用的二自由度控制器的結(jié)構(gòu)可以看作是在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上構(gòu)造一個(gè)帶有微分先行環(huán)節(jié)的目標(biāo)值濾波型二自由度PID控制器。其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖5。

取KP=0.54，TI=2.7×10-3，TD=3×10-4，λ=0.5，根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可以得到其伯德圖如圖7所示。根據(jù)其伯德圖，可以看出使用了微分先行PID控制后系統(tǒng)的諧振峰得到了有效的抑制，并且系統(tǒng)達(dá)到了穩(wěn)定。最后，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值法調(diào)整a，b，c的參數(shù)，使系統(tǒng)的跟隨性也達(dá)到最佳。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)研究

本文在Matlab的Simulink平臺(tái)下，結(jié)合光伏逆變器的二自由度控制，搭建了LCL型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，該模型主要有電容電壓、電感電流負(fù)反饋以及二自由度PI調(diào)節(jié)等部分組成。搭建的模型中，設(shè)定并網(wǎng)逆變器參數(shù)如表1所示。

使用二自由度控制的仿真結(jié)果如圖10所示，作為對(duì)比，使用了常規(guī)的PID控制在相同的參數(shù)條件下進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖11所示。在仿真結(jié)果圖中，給出了三相并網(wǎng)電流、瞬時(shí)輸入功率。在0.1 s時(shí)刻，逆變器突加0.5 p.u.的阻感性負(fù)載，輸出電流在經(jīng)過(guò)短暫的波動(dòng)后能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)定，從仿真結(jié)果可看出，采用二自由度控制方式后，系統(tǒng)在其他性能不變的情況下，對(duì)負(fù)載的不確定性有比較好的適用性。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于傳統(tǒng)控制策略所存在的缺陷，為了兼顧穩(wěn)定性和抗干擾性，針對(duì)采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器，提出了一種基于二自由度的控制方法。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的建模及分析，在Simulink仿真平臺(tái)下，搭建了基于LCL型并網(wǎng)逆變器的二自由度控制系統(tǒng)模型，從模型的仿真結(jié)果可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)的PI控制器，在負(fù)載突變的情況下，逆變器的響應(yīng)時(shí)間更短、超調(diào)量較小、抗負(fù)載干擾能力更強(qiáng)。因此可以看出，本文所提出的基于二自由度的并網(wǎng)逆變器的控制模型是有效可行的。

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