基于雙采樣的LCL 型并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流間接控制研究

張具琴， 賀素霞， 馬 康， 劉威龍

（1.黃河科技學(xué)院 工學(xué)部， 河南 鄭州 450063； 2.中科（洛陽(yáng)）機(jī)器人與智能裝備研究院， 河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引言

分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展給電網(wǎng)帶來(lái)了靈活的調(diào)度，同時(shí)也給微電網(wǎng)的電壓質(zhì)量帶來(lái)了一定的考驗(yàn)[1]～[3]。并網(wǎng)逆變器將分布式發(fā)電系統(tǒng)中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電匯入電網(wǎng)時(shí)具有頻率不等的諧波分量，尤其因?yàn)楦哳l動(dòng)作的開(kāi)關(guān)器件而引起的高頻諧波較為嚴(yán)重。 因此，并網(wǎng)逆變器需要配置濾波器濾除高頻分量，LCL 型濾波器較LC型濾波器具有較強(qiáng)的高頻諧波濾除能力，而得到了廣泛使用[4]，[5]。

LCL 型濾波器的低頻段與LC 型幾乎一致，但高頻段的諧波濾除能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LC 型。 LCL型并網(wǎng)逆變器是一個(gè)三階系統(tǒng)，可能會(huì)引起諧振效應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此諧振抑制問(wèn)題是必須要解決的。 LCL 諧振抑制方法可以分為無(wú)源阻尼法和有源阻尼法兩大類。 其中：無(wú)源阻尼法通過(guò)在LCL 型濾波器的元件上串聯(lián)或者并聯(lián)電阻以實(shí)現(xiàn)阻尼[6]，無(wú)源阻尼法因?yàn)槟芰繐p耗常常不被單獨(dú)使用；有源阻尼法通過(guò)控制方法抑制諧振，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生損耗。 文獻(xiàn)[7]提出基于電容電流反饋法的有源阻尼方法來(lái)抑制諧振。 文獻(xiàn)[8]提出通過(guò)電容電壓計(jì)算電容電流的方法，從而抑制諧振效應(yīng)。文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)三階的LCL 型濾波器系統(tǒng)進(jìn)行降階，提出將濾波電容按比例進(jìn)行拆解的方法。文獻(xiàn)[10]提出一種逆變器側(cè)電流和電網(wǎng)側(cè)電流雙閉環(huán)的控制方法來(lái)抑制諧振效應(yīng)。

本文在逆變器側(cè)電流反饋?zhàn)鳛椴⒕W(wǎng)電流間接控制方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)推導(dǎo)占空比表達(dá)式，直接推導(dǎo)出以逆變器側(cè)電流為控制對(duì)象， 同時(shí)以電容電壓反饋為諧振效應(yīng)抑制的控制方法。 所提方法減少了傳感器個(gè)數(shù)， 基于正序分量提取的鎖相環(huán)技術(shù)能夠精確地獲取電網(wǎng)電壓相位信息， 使得LCL 型并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定運(yùn)行，諧振效果得到抑制。

1 LCL 型濾波器結(jié)構(gòu)

圖1 為三相LCL 型濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 LCL型濾波器由濾波電感Lx1，Lx2以及濾波電容Cfx組成，同時(shí)將Lx1稱為逆變器側(cè)電感，電感上電流ix1稱為逆變器側(cè)電流，將Lx2稱為電網(wǎng)側(cè)電感，電感上電流ix2稱為電網(wǎng)側(cè)電流。 vx為逆變器輸出電壓，Lgx為電網(wǎng)電感，vgx為電網(wǎng)電壓，其中，x=a，b，c。

圖1 三相LCL 型濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology diagram of three-phase LCL-type filter

如圖2 所示，無(wú)源阻尼法通過(guò)在LCL 型濾波器的濾波元件上串聯(lián)或者并聯(lián)電阻以實(shí)現(xiàn)阻尼的效果，顯然這種方法會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生損耗，因此無(wú)源阻尼法通常不被單獨(dú)使用。 而有源阻尼法是在無(wú)源阻尼法的基礎(chǔ)上，通過(guò)狀態(tài)變量的反饋，在效果上等效為無(wú)源阻尼法，但是不會(huì)產(chǎn)生損耗。

圖2 6 種無(wú)源阻尼法Fig.2 Six passive damping methods

可以推導(dǎo)出單相LCL 型并網(wǎng)逆變器的控制框圖，如圖3 所示。 為了方便傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，將變量中的x 全部剔除，以此代替單相的系統(tǒng)。

圖3 單相LCL 型并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.3 Control block diagram of single-phase LCL-type gridconnected inverter

根據(jù)圖3 中的控制框圖， 能夠推導(dǎo)出以逆變器側(cè)電流為控制目標(biāo)的s 域傳遞函數(shù)為

根據(jù)式（1），（2）中的傳遞函數(shù)可以繪制出系統(tǒng)的Bode 圖，如圖4 所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)存在正負(fù)諧振峰，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖4 系統(tǒng)Bode 圖Fig.4 Bode diagram

當(dāng)LCL 型濾波器的電感參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，繪制不同參數(shù)下的Bode 圖，如圖5 所示。 從圖中可以看出，當(dāng)電感值發(fā)生變化時(shí)，諧振頻率會(huì)左移，意味著諧振頻率的降低。

2 并網(wǎng)電流間接控制算法

根據(jù)圖1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 考慮電網(wǎng)電感為0 的情況下， 可以列出三相靜止abc 下的數(shù)學(xué)模型為

一般情況下，由于開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50 Hz，因此可以利用前向差分法對(duì)式（5） 進(jìn)行整理，得到：

式中：Ix1（n+1）為逆變器側(cè)電流的第n+1 時(shí)刻的參考給定值。

傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流控制方法， 基本上采用坐標(biāo)變換至dq 坐標(biāo)系或者αβ 坐標(biāo)系下進(jìn)行控制。 本文的并網(wǎng)電流控制方法不需要坐標(biāo)變換， 直接在三相abc 坐標(biāo)系下完成控制，控制更加簡(jiǎn)單，無(wú)需設(shè)計(jì)控制參數(shù)。

3 電流參考值計(jì)算

在實(shí)際中，電網(wǎng)常會(huì)出現(xiàn)非理想情況，此時(shí)電網(wǎng)電壓可以分解為正序分量UP、 負(fù)序分量UN和零序分量U0，表示如下：

式中：U 為三相電壓信號(hào)。

三相電網(wǎng)電壓可以表示為

使用PI 控制器使變換后輸出的電網(wǎng)電壓無(wú)功分量趨近于0，從而完成電網(wǎng)電壓相位的鎖定，控制框圖如圖6 所示。

圖6 鎖相環(huán)控制框圖Fig.6 Phase locked loop control block diagram

在完成鎖相環(huán)之后， 可以得到電網(wǎng)電壓相位信息，之后建立電流參考信號(hào)如下：

式中：Im為電流參考給定值的幅值。

4 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，利用PSIM軟件和如圖7 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experimental platform

圖8 為三相并網(wǎng)電流仿真波形，0.05 s 之前只采用逆變器側(cè)電流控制（圖中a），0.05 s 之后采用逆變器側(cè)電流控制結(jié)合電容電壓反饋控制（圖中b）。從圖中可看出：未采用電容電壓反饋抑制諧振時(shí)，電流出現(xiàn)較大的諧波，系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)采用電容電壓反饋抑制諧振后，諧振效應(yīng)被完全抑制。

圖8 三相并網(wǎng)電流仿真波形Fig.8 Simulation waveform of three-phase grid connected current

圖9 為三相并網(wǎng)電流突變仿真波形。從圖中可以看出，當(dāng)電流給定值發(fā)生變化時(shí)，并網(wǎng)電流能準(zhǔn)確快速地跟蹤參考給定值。 同時(shí)，采用本文所述的控制方案，能夠保證突變過(guò)程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖9 三相并網(wǎng)電流突變仿真波形Fig.9 Sudden change simulation waveform of three-phase grid connected current

圖10 為采用本文所提出的并網(wǎng)電流間接控制方法的三相并網(wǎng)電流實(shí)驗(yàn)波形。 從圖中可以看出： 當(dāng)未采用電容電壓反饋時(shí)， 并網(wǎng)電流出現(xiàn)諧波，系統(tǒng)不穩(wěn)定；采用本文的方法，并網(wǎng)電流能夠得到很好的控制，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 三相并網(wǎng)電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveform of three-phase grid connected current

圖11 為三相并網(wǎng)電流突變情況下的實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可以看出，采用本文所述的電流控制方案，能夠保證電流突變時(shí)的快速跟蹤，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖11 三相并網(wǎng)電流突變實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveform of sudden change of threephase grid connected current

5 結(jié)語(yǔ)

LCL 型濾波器比LC 型濾波器具有更好的高次諧波濾除能力，然而LCL 型并網(wǎng)逆變器存在諧振效應(yīng)。 本文在LCL 型濾波器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出逆變器占空比表達(dá)式，同時(shí)給出基于正序分量提取的鎖相環(huán)技術(shù)， 能夠精確地獲取電網(wǎng)電壓相位信息，從而構(gòu)建電流參考值。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 采用逆變器側(cè)電流控制結(jié)合電容電壓反饋這一間接并網(wǎng)電流控制方法， 能夠很好地保證并網(wǎng)電流的精確跟蹤，同時(shí)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。