LCL型组合反馈并网逆变器谐波控制策略研究

LCL型组合反馈并网逆变器谐波控制策略研究

作者：金钊 易建波

来源：《电子科学技术》2016年第06期

摘 要：对于LCL并网逆变器在谐波下的控制策略，本文利用组合反馈，精简了反馈变量的测量；采用比例谐振控制，使系统获得较优的稳态性能和抗干扰性能；利用电网电压前馈，使系统对电网谐波具有良好的抑制能力，文章详细说明了该控制策略的参数设计步骤。仿真结果表明，该方法可使逆变器获得高质量的并网电流。

关键词：LCL并网逆变器；组合反馈；比例谐振控制；电网电压前馈控制

中图分类号：TM4 文献标识码： A 文章编号： 2095-8595 （2016） 06-676-06电子科学技术 URL： http//www.china-est.com.cn DOI： 10.153/j.issn.2095-8595.2016.06.002 引言

目前，电压型并网逆变器多采用脉宽调制技术（Pulse Width Modulation， PWM）进行控制[1]，但其产生的高次电流谐波会污染电网公共并网点（Point of Common Coupling，PCC）。采用LCL滤波器进行滤波时，在谐振频率处其幅频特性存在谐振尖峰，导致并网逆变器系统不稳定。目前常用基于状态变量的有源阻尼法抑制谐振尖峰，包括电容电压一次微分反馈法[2]、电容电流二次微分反馈法[3]和电容电流比例反馈法[4]等，但对于前两者，一是难以实现理想微分环节，实际近似引入的误差会削弱有源阻尼的效果，二是微分环节容易放大高频噪声，所以其应用均受到。相比之下，本文采用的电容电流比例反馈法实现较为简单、阻尼效果较好。

此外，并网逆变器的PCC附近往往存在有谐波源，导致逆变器的并网电流出现明显畸变。从抑制方法来看，与采用比例加多谐振调节器或重复控制器[5]相比，采用电网电压前馈策略[6]不影响逆变器并网电流环路增益，在保持系统原有良好动态性能的基础上可同时抑制多次谐波，结构较简单，有利于提高并网电流波形质量。

本文采用LCL并网滤波器有源阻尼法，设计了基于比例谐振控制的电流调节器和组合控制策略，克服了传统的基于比例积分控制的电容电流比例反馈无法实现无静差跟踪的缺点，有着更优的稳态性能和抗干扰性能；同时，加入电压前馈，在保证较好动态性能的前提下，提高了系统对各次谐波的抑制能力。最后进行实例的验证。 1 原理

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1.1 比例积分控制与比例谐振控制的比较

传统的比例积分（Proportional Integral，PI）控制器无法使输出并网电流与指令电流完全同相[7]。而比例谐振（Proportional Resonant，PR）控制器构造了基波频率处的谐振，消除了系统的稳态误差。本文采用更容易实现的准PR（Quasi-Proportional Resonant，QPR）控制器，传递函数为 ：

1.2 组合反馈控制策略分析

设逆变器侧电感L1、滤波电容C、网侧电感 共同构成了LCL滤波器。通过电感 的电流为L2，通过电容L1的电流为i1，电容电压为uc，电流i1和电压uc的采样系数分别为K1和K2，采样信号组合后馈入控制回路。通过电感L2的电流为i2，电流的采样系数为Hi2，采样获得的信号与指令电流i2*比较，并将所得误差送入电流调节器Gi。Uin为直流输入电压，uinv为逆变器输出电压。设iC与uC的组合反馈函数为H（s），有

由式（5），得单相LCL并网逆变器拓扑结构及其控制结构，如图1所示。

由式（5）可知，控制系统的内环为电容电流iC与并网电流i2的组合反馈，其中，电容电流采用比例积分反馈，并网电流采用比例反馈。变换后减少了需要的状态量数目，在实际中减少了传感器数目，降低了成本。控制框图如2图所示，KPWM为调制波到逆变桥输出电压的传递函数。

将框图化简，如图3所示。 1.3 电网电压前馈控制策略分析

要使得i2能够很好地跟踪指令电流，就需要消除电网电压扰动项的影响，即

添加支路，将综合点前移，并使前馈函数与电流调节器Gi（s）无关，可得框图如图4所示。

2 组合控制策略参数整定

2.1 单相LCL型并网逆变器基本参数设计

根据文献[8]，取电感波纹系数λL=30%，滤波电容引入的无功功率与并网逆变其输出额定有功功率之比λC=3%，确定单相LCL型并网逆变器的基本参数如表1所示。

由于并网逆变器采用SPWM调制，可将逆变单元等效成增益为KPWM的比例环节[9]，KPWM = Uin/Utri，得，KPWM ≈118.033。

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2.2 组合反馈模块参数设计及确定

由图1及图2可得，系统从逆变器输出电压 至并网电流 的传递函数为：

由文献[10]，通过反馈控制，可将欠阻尼LCL滤波器逆变器输出电压uinv至并网电流i2的传递函数控制为具有合适阻尼的三阶模型，即

式（12）可看为一个惯性环节和一个二阶振荡环节的级联，其中，ωn为该三阶滤波器模型的谐振频率；ζ为谐振极点的阻尼系数，ζ越大，谐振抑制能力越大，但如果过大，则会其相位裕度，ζ的取值范围一般为0.4 2.3 比例谐振控制器参数设计及确定 2.3.1 比例谐振控制器参数ωo、ωi确定

ω0为基波角频率，得ω0=2πf0 ≈314 rad/s。小型光伏电站允许的电网频率波动范围为49.5～50.5 Hz[13]，即允许电网频率偏差Δf=0.5 Hz，为了保证电网频率波动的时PR调节器有足够的增益，本文取ωi=2πΔf0 =π rad/s。 2.3.2 比例系数Kp确定

由图3及式（6）、式（7）可得环路增益

在分析频率低于或等于环路增益的截止频率fc时，由于滤波电容容抗远大于网侧电感感抗，可认为滤波电容所在支路开路[8]，因此有

对于PR调节器，由于在基波频率f0附近有较大负相移，为减小其对相位裕度的影响，截止频率fc需远高于基波频率f0，因此，在频率等于或高于截止频率 fc时，PR调节器可近似为Kp，又由于在截止频率处，环路增益的幅值为1，即 2.3.3 比例系数Kr确定

由图3及式（6）、式（7）可得系统的闭环传递函数

使用劳斯稳定性判据（Routh Criterion）即得Kr范围。由于篇幅，劳斯表（Routh Table）本文略去，代入前文设计的参数，得

在式（18）范围内，可计算不同Kr对应的系统幅值裕度Gm与相位裕度Pm，如表2所示。

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要使系统具有良好的性能，Gm一般取在5～15 dB，Pm一般取在30°～70°；要使系统具有良好的过渡过程，Pm需要在45°～70°，由表2，本文折中取，即选取Kr=2500。 3 实例分析

建立基于Matlab/Simulink仿真模型，在前文参数条件下，可得系统波特图如图8所示，可以看出基于比例谐振控制的组合反馈方法有效的抑制了LCL并网逆变器的谐振尖峰。 当系统满运行时，波形形状良好无畸变，测得并网功率因数0.999，相位误差1.°。并网电流指令值为27.27A，仿真测得并网电流有效值为27.27，无幅值误差，满足IEEE Std 17-2003[14]标准。

3.1 电网电压含谐波运行

向电网电压同时注入10%3次谐波、5%5次谐波、3%7次谐波、3%9次谐波、2%11次谐波、2%13次谐波，测得电网电压畸变明显，但是并网电流波形质量良好且无相位滞后，如图6所示。

加入与未加入电网电压前馈控制策略，基于比例谐振控制的组合反馈输出并网电流总谐波畸变率（Total Harmonics Distortion，THD）值如表3 所示。很明显，基于比例谐振控制的组合反馈策略本身已经具有较好的谐波抑制能力，加入电网电压前馈控制后，系统对谐波的抑制能力进一步提升。且满足IEEE Std 17-2003标准。 3.2 并网指令电流与电网电压跳变

当并网指令电流在半载和满载之间跳变时，并网电流能够迅速跟踪指令变化，如图7，指令电流分别在0.45 s与0.105 s时刻发生跳变，调节时间0.857 ms，满足IEEE Std 17-2003标准。

当电网电压在220V和180V之间跳变时，如图8所示，电网电压分别在0.45 s与0.105 s时刻发生跳变，并网电流稳态值保持不变，并网逆变器具有良好的动态性能。 4 结论

本文针对LCL并网逆变器，提出了基于比例谐振控制的组合反馈和电网电压前馈控制策略，首先分析了比例谐振控制、组合反馈、电压前馈策略的优越性，之后详细说明了本控制策略的原理及参数的设计方法，最后通过仿真测试验证，测试了本控制策略的可行性。得出结论如下：

（1）本反馈策略基于状态变量，变量采集需求少、易测量，控制参数根据滤波器相关参数计算即可得到，实际中简单易行。

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（2）本策略有效地抑制了LCL并网逆变器的谐振尖峰，稳态性能较好，具有合适的相位裕度与幅值裕度。

（3）本策略具有很好的动态性能，可以对指令电流进行很好的跟踪。

（4）本文提出的策略从理论上消除了电网电压波动对逆变器输出并网电流的干扰，对电网电压跳变、电网含多次谐波等情况有较好的抵抗能力，并网电流质量高。 资助信息：

四川省科技支撑计划项目（2015GZ0137）。 参考文献

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