新能源并网逆变器入网电流通用控制

郭燕琼，王志敏，张建军

（西安石油大学,电子信息工程学院, 陕西西安 710065）

0 引言

在新能源的发展过程中，太阳能、风力发电等新能源的并网发电日渐流行，而并网逆变器发电技术已成为一个重要的研究方向。IEEE Std 929-2000 标准要求逆变器输出电流总谐波失真小于5%，3、5、7、9 次谐波小于4%，11～15次谐波小于2%，35 次谐波以上小于0.3%[1]，为了达到输出标准必须使用滤波器滤波。传统并网逆变器的输出一般采用L滤波，单一电感L滤波器结构简单，并网电流控制容易，但其高频滤波特性很差，不适合开关频率较低的应用场合。1995 年 M.Lindgren 和 J.Svensson 首次提出用三阶LCL滤波器替换传统L滤波器的使用[2]。在低频段时LCL滤波器可以被看成是L=L1+L2的单电感滤波器，在高频时LCL滤波器相比于L滤波器更具有良好的高频衰减特性，因此被广泛用于大功率、低开关频率的并网设备。

然而LCL滤波器是一个无阻尼三阶系统，容易发生谐振，在谐振频率处会有一个很高的谐振尖峰。没有阻尼电阻的光伏并网系统在谐振频率附近容抗非常高，对控制系统的相位影响也较大，将会导致大量谐波电流注入电网，容易导致系统运行不稳定，因此如何设计控制器使系统稳定运行是必须解决的问题。

控制器策略有很多，比如间接电流控制策略、直接电流控制策略、混合控制策略等。在当前的研究中，使用比较多的是带有源阻尼的直接电流控制策略以及基于电容分裂法的混合控制策略[3-4]。从文献[1]中可知基于电容分裂法的混合控制法是通过零极点抵消的方法来提高闭环控制带宽，但它对电网参数依赖很大，同时部分电容电流还在闭环控制环外，不能从根本上解决电网侧电感和滤波电容之间可能存在的谐振问题。

本文选择直接电流控制策略中的电容电流内环、入网电流外环控制方法进行仿真分析，从同频同相、功率因素（PF）以及谐波测试等3个方面验证其可靠性。

1 带LCL滤波器的逆变器结构分析

太阳能电池阵列将太阳能转换成直流输出，经过最大功率点跟踪（MPPT）控制后，对直流母线上电容C1充电，达到约380 V电压后开始放电，经过逆变器电能转换和LCL滤波器滤波后,向电网馈入与电网电压同频同相的正弦波电流。

图1所示为带LCL滤波器的单相光伏并网逆变器系统结构图。图中Q1、Q2、Q3、Q4为IGBT开关管，L1、L2、C分别为LCL滤波器的两个滤波电感和滤波电容，R1、R2分别为电感寄生电阻，寄生电容为0。设直流电压为Udc,逆变器输出电压为U1,i1为电感L1上电流，i2为入网侧电流，ic为电容C上的电流，Ugrid为电网电压。

电路中，直流电压为Udc=380 V，开关频率fs=10 kHz，L1=2 mH，L2=1 mH，C=2 μF，寄生电阻 R1=R2= 0.1Ω。

图1 带LCL滤波器的单相光伏并网逆变器主电路图

2 控制方案

传统采用电网侧电感电流作为反馈信号的直接电流控制策略存在谐振尖峰，为了抑制谐振并提高系统的稳定性提出了无源阻尼的方法，比如在电容支路串联电阻。但是无源阻尼的直接电流控制法在提高系统稳定性的同时增加了系统的损耗，降低了LCL滤波器的高频衰减。因此有学者提出了采用有源阻尼的方法进行直接电流控制，其中电容电流内环、入网电流外环的双闭环控制策略成为典型的有源阻尼方案，通过反馈电容电流可以实现阻尼电阻同样的效果。

电容电流内环的双闭环控制是采用入网电流i2为外环控制量，电容ic为内环控制量。图2给出了单相并网逆变器ic内环和i2外环的双闭环控制策略控制框图。

图2 i2和ic双闭环控制策略框图

由图2可知，系统不加PI调节器环节前，系统开环为一个Ⅰ型系统，加上PI调节器后系统为一个Ⅱ型系统。很明显采用PI调节器引入反馈校正后，Ⅱ型系统相比于Ⅰ型系统有较好的动态性能和稳态误差。并且PI控制器结构简单，容易控制，得到了充分的应用。由图1可得从外环PI控制器的输出ic*到并网侧电感电流i2的开环传递函数为：

入网电流的开环传递函数特征方程阻尼系数：

取阻尼系数§=0.707，带入式（2）得：K=77.82。从稳态精度和稳定裕度考虑，设置PI控制器参数，当Ki=1000 时，设 KP分别等于 0.1、0.3、0.5 时，得电容电流内环的双闭环控制系统开环Bode图，如图3所示。从图可以看出，当Ki=1000，Kp=0.1时，系统动态响应更快，稳定性更好，此组PI参数的选择满足要求。

图3 i2和ic双闭环控制系统开环Bode图

3 仿真结果与分析

为了验证文中第2节中讨论的电容电流内环、入网电流外环的双闭环控制系统建立的模型，本文使用MATLAB2007b版SimulinkSimPowerSystems功能模块进行仿真。仿真图如图4所示。

图5为电容电流内环的双闭环控制的逆变输出电流跟踪入网电压波形图,从图可以看出逆变器输出电流能很好地跟踪电网电压的频率和相位，实现了同频同相控制。图6所示为在0.1 s时使用负载扰动，从图可以看出，当负载发生变化时，入网电流仍然能快速地跟踪电网电压。

图4 光伏并网发电系统仿真结构

图5 入网电流跟踪并网电压仿真波形图

图6 负载扰动时入网电流跟踪并网电压波形图(t=0.1 s处负载扰动）

并网发电功率因数（PF）和入网电流的总谐波失真(total harmonic distortion，THD)是衡量并网发电电能质量的相两项重要指标。图7（a）、（b）分别为功率因数（power factor，PF）的验证波形图和并网电流谐波频谱分析图。由图得，系统功率因数在t=0.15 s处约等于1，由两图可得系统THD＜0.5%，完全满足并网要求。

图7（a）功率因数（PF）验证波形图(在0.15s处PF约为1）

图7（b）并网波形频谱分析图

4 结论

采用LCL滤波器的并网逆变器在谐波抑制方面有着显著的效果,常用于对中大功率场合。通过对基于电容电流内环、入网电流外环的电流双环控制策略的分析，逆变输出可以准确地跟踪电网电压，达到同频同相，THD值小于0.5。虽然在实际使用中要增加额外的传感器，但是系统具有反应速度快,抗干扰能力强的优点。设计中选择PI控制器作为控制策略，设计简单，参数易得到，具有很高的可执行性。

因此，基于电容电流内环、入网电流外环的电流双环控制策略可以作为各种新能源的逆变部分。

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[2]LINDGREN M,SVENSSON J.Control of a voltage-source converter connected to the grid through an LCL-filter-application to active filtering [C]. IEEE PESC,FUkuoda,Japan,1998:18-21.

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[4]李鑫,姚勇涛.采用电容电流内环的逆变器双闭环控制研究[J].电气传动,2008,38(2):22-25.

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