单相LCL型光伏并网逆变器的控制技术

戴剑丰，赵晋斌，屈克庆，李 芬

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

近年来，在寻找克服世界能源危机的方法中，风力和光伏等分布式发电系统受到越来越多的关注.［1］作为分布式发电系统中能量转换和控制的核心，单相并网逆变器的性能会直接影响并网系统的好坏.

为了抑制逆变器的输出谐波，需要在并网逆变器和电网之间加装滤波器.按照滤波器的分类，并网逆变器的输出滤波器一般可以分为L型、LC型和LCL型3种.［2-3］单电感L滤波器是一阶系统，结构简单，需要较大的电感来抑制谐波，会增加系统的成本和影响系统的动态性能.LC滤波器是二阶系统，无法平抑输出电流的高频纹波，容易因电网阻抗角的不确定性而影响滤波效果.［4-5］LCL型滤波器对高频谐波电流能起到很大的衰减作用，较小的电感就能取到很好的滤波效果，并且网侧电感还能起到抑制冲击电流的作用，因此LCL滤波器更能获得高质量的进网电流.但LCL型滤波器是一个三阶系统，容易引起系统的谐振问题，使系统不稳定，因此需要对谐振尖峰进行抑制.

LCL滤波器的谐振抑制方法有无源阻尼和有源阻尼两种.无源阻尼方法是在滤波电感或滤波电容的支路上串联或并联电阻来增加系统的阻尼.滤波电感支路串联电阻会降低滤波器的低频增益，而并联电阻会降低滤波器的高频增益;滤波电容支路串联电阻也会降低滤波器的高频增益，而并联电阻不会影响高频和低频增益，但会带来很大的损耗.［6-8］

有源阻尼则是通过改进控制算法，即引入滤波电感或滤波电容的电压或电流内环来构造一种虚拟阻抗以抑制谐振，该方法不需要其他无源元件，所以不存在功率损耗问题.

本文分析了采用网侧电感电流作为外环、滤波电容电流作为内环的双闭环控制策略，引入电容电流内环构造的虚拟阻抗来增加系统的阻尼，以抑制谐振的发生，并用网侧电感电流外环直接控制并网电流，以保证进网电流的高功率因数.

1 系统控制结构分析

图1为含有LCL滤波器的单相并网逆变器的主电路.其中，Udc为直流输入电压;iL1为逆变器侧输出电流;iC为滤波电容电流;iL2为电网侧输出电流;UGrid为电网电压.为了便于分析，忽略电感和电容的电阻.

图1 LCL型单相并网逆变器主电路示意

本文设计了一个1 kW/220 V的单相逆变器模型.开关频率 fs=20 kHz，直流电压 Udc=400 V.LCL 滤波器的参数为 L1=3 mH，C=5 μF，L2=2 mH.［7-8］

为了分析谐振问题，首先对单相LCL并网逆变器采用网侧电感电流单环直接控制，其控制框图如图2所示.由图2可以得到进网电流iL2与PI输出的I(s)之间的传递函数为:

式中:Kpwm——逆变器等效比例环节，Kpwm=400.

在PI控制器后加入电容电流内环控制，其控制框图如图3所示.

图2 iL2直接闭环控制示意

由图3可以得到进网电流iL2与PI输出的I(s)之间的传递函数为:

根据式(1)和式(2)分别画出幅频特性曲线，如图4所示.

由图4可以看出，当采用网侧电流直接控制时，系统在谐振频率处会产生一个很大的尖峰，而加入电容电流内环控制后，有效地抑制了尖峰.由此可见，电容电流内环反馈可以增加系统阻尼，增强系统的稳定性.

图3 入网电流和电容电流双闭环控制示意

图4 幅频特性曲线

2 系统稳定性及控制参数分析

为分析电容电流内环对系统稳定性的影响，并选择相关的控制参数，由图3可以得到电容电流内环的传递函数为:

根据式(3)画出电容电流iC反馈的调节器内环根轨迹如图5所示.从图5可以看出，无论内环增益KKpwm如何变化，系统的根轨迹始终在复平面的左半平面，因此基于电容电流iC反馈的调节器内环控制始终是稳定的.

图5 电容电流iC反馈的调节器内环根轨迹

根据式(3)还可以求得入网电流的开环传递函数特征方程阻尼系数为:

由式(4)可知，内环反馈系数K越大，系统的阻尼越大，抑制谐振尖峰的效果更好.但是过大的阻尼会使系统的响应速度变慢.为了兼顾系统的阻尼效果和动态响应速度，在实际工程应用中一般取 ξ=0.707.

根据图3还可以得到系统的开环传递函数为:

其根轨迹如图6所示.由图6可以看出，要使系统稳定运行，必须选择合适的调节器参数Kp和Ki，使系统的根轨迹在复平面的左半平面.

图6 电流双闭环控制系统根轨迹

由式(5)可以得到系统的闭环传递函数为:

式中

则闭环系统的特征方程为:

根据劳斯稳定判据，［9-10］可求得系统稳定运行的条件如下:

因此，合适的调节器参数能够保证系统的稳定运行.图7为入网电流和电容电流双闭环控制系统在Kp取不同值时的伯德图.由图7可以看出，Kp越小，则谐振尖峰值越小，但同时会降低系统的带宽，影响系统的动态响应速度.

图7 双闭环控制系统Kp取不同值时的伯德图

图8为入网电流和电容电流双闭环控制系统在Ki取不同值的伯德图.

图8 双闭环控制系统Ki取不同值时的伯德图

从图8可以看出，Ki越大，则谐振尖峰值越小，但同时会降低系统的相角裕度，从而影响系统的稳定性.

综合以上分析，本文的PI调节器的参数取值分别为:Kp=0.5;Ki=1 200.

3 仿真分析

为了验证本文控制策略的正确性及良好的稳态和动态性能，利用PSIM9.0仿真软件对该系统进行仿真分析.

图9为采用单电感滤波并网逆变器的并网电流和电网电压缩小5倍的波形.由图9可以看出，进网电流含有较大的高频谐波分量，单电感L滤波器的高频滤波效果较差.

图9 单电感滤波的并网逆变器仿真波形

图10为Kp=0.5，Ki=1 200时的电流双闭环控制的稳态仿真波形，可以看出并网电流和电网电压同频同相，功率因数接近1.与图9相比，双闭环控制的并网电流的谐波含量明显减少.

图10 Kp=0.5和Ki=1 200时的电流双环控制仿真波形

图11为Kp=1.6，Ki=1 200时的电流双闭环控制的稳态仿真波形.由式(9)可知系统临界稳定的Kp值为1.6，临界稳定的并网电流波形与图9的正常稳定并网电流波形相比，不再是圆滑的正弦波，而是出现了大量的毛刺.此时，若继续增大Kp的值，系统将会变得不稳定而出现振荡.

图11 Kp=1.6和Ki=1 200时的电流双环控制仿真波形

图12和13分别为逆变器从满载到半载和从半载到满载的动态仿真波形.

图12 逆变器满载到半载的动态仿真波形

图13 逆变器半载到满载的动态仿真波形

由图12和图13可知，系统在负载突变的情况下，仍然能维持稳定运行，且具有较快的动态响应速度.

4 结语

本文采用并网电流和电容电流双闭环控制策略对并网电流进行直接控制，较传统的并网电流单环控制而言，相当于引入了虚拟阻抗来增加系统阻尼，从而抑制了谐振，增加了系统的稳定性.仿真结果也表明，该策略可有效抑制进网电流谐振，并且具有较高的入网电流功率因数和良好的稳态性能.

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