單相LCL并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)分析

楊昆樺

單相LCL并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)分析

楊昆樺

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

圍繞單相LCL并網(wǎng)的逆變器相應(yīng)控制技術(shù)開展深入研究及探討，希望能夠?yàn)榻窈蟠朔矫婕夹g(shù)應(yīng)用及研究工作的高效化進(jìn)展提供指導(dǎo)性的建議或者參考。

單相LCL；逆變器；控制技術(shù)；控制參數(shù)

由于近幾年全球能源方面的問題更為突出，分布式的發(fā)電在全球范圍內(nèi)得以廣泛應(yīng)用及迅猛發(fā)展。因并網(wǎng)的逆變器屬于分布式的發(fā)電裝置核心構(gòu)成部分，設(shè)計(jì)及控制技術(shù)優(yōu)劣程度，均會(huì)對(duì)電能實(shí)際質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。在這一背景之下，單相LCL并網(wǎng)的逆變器及其控制技術(shù)逐漸成為了國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)。對(duì)此，深入研究單相LCL并網(wǎng)的逆變器相應(yīng)控制技術(shù)，有一定現(xiàn)實(shí)意義及價(jià)值。

1 單相LCL類型并網(wǎng)的逆變器概述

近幾年來(lái)，世界各國(guó)均在積極探索能夠克服世界范圍能源危機(jī)的重要手段或者方法，光伏、風(fēng)力等各種分布式的發(fā)電系統(tǒng)得到廣泛關(guān)注及重視。單相并網(wǎng)的逆變器作為分布式的發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部控制及轉(zhuǎn)換能量核心部門，它的各項(xiàng)性能往往會(huì)對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)整體質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。為能夠?qū)δ孀兤髦C波輸出產(chǎn)生一定抑制作用，需在電網(wǎng)與并網(wǎng)的逆變器相互間加設(shè)濾波器，并網(wǎng)的逆變器實(shí)際所輸出的濾波器有三種類型，即為L(zhǎng)CL、LC、L。L單電感的濾波器，屬于一階系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，只有處于較大電感條件下，才會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生一定抑制作用，系統(tǒng)成本相對(duì)較高，且會(huì)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)化的性能產(chǎn)生一定影響；LC的濾波器，屬于二階系統(tǒng)，對(duì)所輸出電流高頻紋波無(wú)平抑作用，極易由于電網(wǎng)的阻抗角各種不確定性因素，以至對(duì)濾波效果產(chǎn)生影響；LCL型號(hào)的濾波器，針對(duì)高頻諧波的電流方面衰減作用較為強(qiáng)烈，小電流條件下可獲取良好濾波效果，其網(wǎng)側(cè)電感可對(duì)沖擊的電流產(chǎn)生抑制作用。對(duì)此，LCL型號(hào)的濾波器可獲取較高質(zhì)量進(jìn)網(wǎng)的電流。然而，LCL型號(hào)的濾波器屬于三階系統(tǒng)，極易引發(fā)系統(tǒng)諧振現(xiàn)象，影響系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，需抑制諧振的尖峰。

LCL型號(hào)的濾波器抑制諧波振的方法有源阻尼、無(wú)源阻尼。無(wú)源阻尼法，指在濾波電容或者電感支路上面并聯(lián)或者串聯(lián)電阻，將系統(tǒng)阻尼增加，濾波電感支路所串聯(lián)電阻促使濾波器低頻增益降低；并聯(lián)電阻促使濾波器高頻增益降低；濾波電容的支路上面所串聯(lián)電阻，促使濾波器高頻增益降低，并聯(lián)電阻并不會(huì)對(duì)低頻及高頻的增益產(chǎn)生影響，但卻會(huì)出現(xiàn)較大損耗情況。有源阻尼主要通過對(duì)控制算法改進(jìn)處理，即引入濾波電容或者電感的電流、電壓內(nèi)環(huán)后，構(gòu)造出虛擬阻抗，便于對(duì)諧振產(chǎn)生抑制作用，此種方法無(wú)需配備其他無(wú)源的元件，損耗功率問題并不存在。文中所闡述的單相LCL類型并網(wǎng)逆變器以網(wǎng)側(cè)電感的電流為外環(huán)，并用濾波電容的電流為內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)式控制技術(shù)，積極引入了電容電流的內(nèi)環(huán)構(gòu)造下虛擬阻尼，將系統(tǒng)阻尼增加，對(duì)諧振產(chǎn)生良好抑制作用，網(wǎng)測(cè)電感的電流外環(huán)可對(duì)并網(wǎng)電流實(shí)現(xiàn)直接控制，確保進(jìn)網(wǎng)電流有著較大的功率因數(shù)。

2 系統(tǒng)總控制框架

在含有單相LCL類型并網(wǎng)的逆變器主電路當(dāng)中，直流的輸入電壓為dc，逆變器側(cè)的輸出電流為L(zhǎng)1，濾波的電容電流為c，電網(wǎng)側(cè)的輸出電流為L(zhǎng)2，電網(wǎng)電壓為Grid。文中設(shè)計(jì)單項(xiàng)的逆變器1 kW/220 V基礎(chǔ)模型，=20 kHz為其開關(guān)的頻率，dc=400 V為其直流的電壓，該LCL型號(hào)的濾波器各項(xiàng)參數(shù)為2=2 mH、=5 μF、1=3 mH。對(duì)諧振問題加以分析，需對(duì)單項(xiàng)LCL類型并網(wǎng)的逆變器，通過網(wǎng)測(cè)電感的電流單環(huán)形式實(shí)現(xiàn)直接控制，可獲取進(jìn)網(wǎng)電流L2、PI輸出（）相互傳遞的函數(shù)關(guān)系列式，即L2（）/（）=pwm/12s3+（1±2）。該式中，逆變器的等效比環(huán)節(jié)pwm=400，通過在PI的控制器后，積極引入電容電流的內(nèi)環(huán)控制，便可獲取到PI所輸出（）及進(jìn)網(wǎng)電流L2相互間傳遞的函數(shù)關(guān)系列式：L2（）（）=pwm/12s3+pwm2s3+（1+2）。通過該式，能夠獲取頻特性的曲線。從該曲線中即可了解到引入網(wǎng)測(cè)電流實(shí)現(xiàn)直接控制期間，該系統(tǒng)諧振的頻率會(huì)存在著較大尖峰值情況，添加電容電流的內(nèi)環(huán)控制科學(xué)技術(shù)后，尖峰得以有效抑制。電容電流的內(nèi)環(huán)反饋，可促使系統(tǒng)阻尼增加，提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

3 分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性與各項(xiàng)控制參數(shù)

為了解電容電流的內(nèi)環(huán)，針對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性方面具體影響，需選相應(yīng)控制參數(shù)，獲取到電容電流的內(nèi)環(huán)傳遞具體函數(shù)關(guān)系列式：（）（）=pwm2s3/12s3+pwm2s+1+2。通過該式，能夠獲取電容電流C所反饋調(diào)節(jié)器的內(nèi)環(huán)軌跡。從中即可了解到，pwm內(nèi)環(huán)增益無(wú)法改變，該系統(tǒng)根軌跡一直處于復(fù)平面左側(cè)半平面中。對(duì)此，以電容電流C為基礎(chǔ)反饋調(diào)節(jié)器，其內(nèi)環(huán)控制一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。依據(jù)上式，可求得該入網(wǎng)電流實(shí)際開環(huán)傳遞基本函數(shù)特征的阻尼系統(tǒng)方程列式：

從該式可知，內(nèi)環(huán)反饋的系數(shù)越大，則系統(tǒng)阻尼就相對(duì)越大，對(duì)諧振尖峰就有著更加的抑制效果。然則，阻尼若過于大，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)的速度逐漸放慢。為兼顧吸引阻尼的效果及動(dòng)態(tài)化響應(yīng)的速度，要求工程實(shí)踐當(dāng)中選取=0.706。同時(shí)，獲取系統(tǒng)開環(huán)傳遞的函數(shù)關(guān)系列式：L2（）=*L2（）－L2（）=pwmp+pwmi/12s3+pwm23+（1+12）2。

從根軌跡中可了解到，若想維持系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，需對(duì)選定最適宜調(diào)節(jié)器的i及p參數(shù)，確保系統(tǒng)根軌跡處于復(fù)平面所致左側(cè)半平面位置。

系統(tǒng)閉環(huán)傳遞的函數(shù)關(guān)系列式為：

L2（）*L2（）=pwmp+pwmi/44+33+22+1+0，該式中，0=pwmi；1=pwmp；2=1+12；3=pwm2；4=12。

閉環(huán)系統(tǒng)特征方程列式為：（）=124+pwm23+（1+2）2+pwmp+pwmi。依據(jù)勞斯穩(wěn)定學(xué)判斷依據(jù)，能夠獲取系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行基礎(chǔ)條件表達(dá)列式：1+2－p1＞0，且p（1+2－p1）－pwmi2＞0。對(duì)此，選定最適宜調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)參數(shù)，可確保系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。通過分析電容電流的雙閉環(huán)式控制系統(tǒng)及入網(wǎng)電流處于p不同參數(shù)值條件下伯德圖后可了解到，越小的p參數(shù)值，諧振的尖峰值也就相對(duì)越小。但是，系統(tǒng)帶寬會(huì)隨之降低，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)化響應(yīng)的速度有著一定影響；通過分析電容電流的雙閉環(huán)式控制系統(tǒng)及入網(wǎng)電流處于i不同參數(shù)值條件下伯德圖后可了解到，越大的i參數(shù)值，諧振的尖峰值也就相對(duì)越小。但是，系統(tǒng)相角的裕度會(huì)降低，對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性有著一定影響。結(jié)合以上分析論述可表明，文中PI的調(diào)節(jié)器各項(xiàng)參數(shù)取值即為：i=1 200，p=0.5。

4 系統(tǒng)仿真

為進(jìn)一步驗(yàn)證文中控制技術(shù)動(dòng)態(tài)性能、良好穩(wěn)態(tài)及正確性，借助PSIM9.0的仿真系統(tǒng)軟件，針對(duì)于此系統(tǒng)實(shí)施仿真分析。通過單電感式濾波并網(wǎng)的逆變器電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流縮小至5倍波形，可了解到進(jìn)網(wǎng)電流高頻諧波的分量相對(duì)較大，單電感L類型濾波器高頻濾波整體效果相對(duì)較差一些。通過分析i=1 200，p=0.5條件下，電流雙環(huán)式控制穩(wěn)態(tài)仿真的波形可了解到，電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流處于同頻同相狀態(tài)下，功率因數(shù)比較接近于1。雙閉環(huán)的控制之下，并網(wǎng)電流諧波含量減少趨勢(shì)明顯。通過分析i=1 200，p=1.6條件下，電流的雙閉環(huán)式控制穩(wěn)態(tài)仿真的波形后可了解到，此系統(tǒng)臨界的穩(wěn)定p參數(shù)值即為1.6，對(duì)比正常穩(wěn)定條件下并網(wǎng)電流的波形，臨界穩(wěn)定條件下并網(wǎng)電流的波形已有大量毛刺出現(xiàn)，圓滑正弦波已存在。而此時(shí)，如果持續(xù)將p參數(shù)值增加，則此系統(tǒng)穩(wěn)定性必然降低，引發(fā)振蕩現(xiàn)象。通過分析逆變器自滿載至半載、自半載至滿載這一動(dòng)態(tài)化仿真波形后可了解到，系統(tǒng)處于負(fù)載突變條件之下，可始終維持著穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)化響應(yīng)的速度也相對(duì)較快。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文中主要借助電容電流及并網(wǎng)電流雙閉環(huán)式控制技術(shù)，直接控制并網(wǎng)電流，相比傳統(tǒng)并網(wǎng)電流的單環(huán)控制技術(shù)來(lái)說，通過虛擬阻抗的引入，促使此系統(tǒng)阻尼增加，對(duì)諧振產(chǎn)生較強(qiáng)的抑制作用，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性得到提升。經(jīng)系統(tǒng)仿真分析的結(jié)果證明，此技術(shù)措施能夠?qū)M(jìn)網(wǎng)電流的諧振產(chǎn)生良好抑制效果，入網(wǎng)電流的功率因數(shù)相對(duì)較高，穩(wěn)態(tài)性能較為良好。

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TM464

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.049

2095－6835（2019）24－0112－02

楊昆樺（1995—），男，侗族，貴州天柱人，在讀研究生，研究方向?yàn)長(zhǎng)CL并網(wǎng)逆變器。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕