基于LCL滤波的逆变器并网电流控制策略研究

韩咏如，薛士龙，邓勇智

（上海海事大学物流工程学院电气自动化系，上海201306）

引言

能源一直是社会进步的重要推动力。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，化石能源不仅无法满足持续增长的能源需求，而且对环境和生态造成严重破坏，所以大力发展新能源已成为当务之急。在自然界当中，最丰富的能源来源是太阳能，绿色可再生资源太阳能越来越多地进入到我们生活的各个领域，而光伏发电是太阳能利用的主要方式，因此近些年来光伏并网发电技术发展非常迅速。

光伏发电中提高光伏并网电源的逆变效率和供电质量引起人们极大关注。光伏逆变器的脉宽调制(PWM)过程中会产生大量的开关频率次谐波，为提高并网电流质量，需要采用适当的滤波器。常用滤波器有L型、LC型、LCL型滤波器。LCL滤波器所需总电感量比L和LC滤波器小得多，不仅能降低成本，减小滤波器的体积和重量，还能提高动态响应能力，对谐波的抑制效果佳，具有较好的应用前景。但LCL滤波器是一个三阶系统，本身存在着谐振问题而使系统不稳定。为了抑制谐振必须增加阻尼环节，而阻尼环节会带来系统功率损耗。为了提高逆变效率和供电质量，可以采用合适的控制策略来实现有源阻尼降低系统功率损耗同时抑制谐振，因此优化逆变器的控制策略是近些年的研究的一个重点和热点。

本文分析了LCL滤波并网逆变器的常规PI控制方法，并设计了一种新型的准PR控制方法，通过建模仿真对两种控制方法从供电质量的谐振抑制效果、动态响应等方面进行对比。

1 LCL型滤波器建模

LCL滤波器以其所需电感量小、对高频谐波抑制能力强等优点，受到广泛认可[1,2]。LCL滤波单相并网逆变器主拓扑如图1。

本文按额定输出功率为3 kW的单相并网逆变器设计，直流母线电压Ud=400 V，IGBT开关频率fs=20 kHz， 经计算及优化取 L1=1 mH，C=8 μF，L2=0.65mH。忽略电感内阻等因素，根据图1所示LCL型滤波器结构图可以得到LCL型滤波器的等效框图模型如图2所示，其中G1(s)=1/L1s,G2(s)=1/Cs,G3(s)=1/L2s。

图1 LCL滤波单相并网逆变器主拓扑

若将电网电压作为扰动量，可以得到化简后入网电流ig到滤波器输入电压u0的传递函数为：

由式（1），根据参数在MATLAB中画出LCL型滤波器的幅频相频特性曲线如图3所示。

图2 LCL型滤波器的等效框图

从图3可以看出LCL滤波器对低频段抑制较弱，而对高频段有良好的抑制效果，但是存在谐振问题。

2 基于PI调节的电流双闭环有源阻尼控制策略

图3 LCL型滤波器的幅频相频特性曲线

通过入网电流I2反馈实现有源阻尼控制，能有效抑制LCL滤波器的谐振，但是由于入网电流I2反馈闭环控制系统是不稳定的，所以通常引入逆变侧电流I1或者电容电流Ic作为内环增加系统的稳定性[3,4]。由于Ic通常是高频的微弱电流，检测和采样困难[5-7]，所以本文以逆变侧电流I1反馈作为内环控制。其系统的控制框图如图4。

以并网电流I2作为电流外环控制变量，电感L1电流I1作为电流内环的双环控制策略，其开环系统的传递函数为：

图4 基于PI调节系统控制框图

采用比例调节 Go（s）=0.2，其系统的 bode图如图 5。

从图5可以看出，引入逆变侧和并网侧双电流闭环控制不仅有良好的高频衰减特性，还能有效地抑制LCL滤波器的谐振。系统的开环根轨迹图如图6，可以看出选择合适的参数系统能稳定。

图5 基于PI调节的双电流闭环控制系统bode图

图6 基于PI调节的双电流闭环控制系统根轨迹图

为了验证上述理论分析，搭建基于PSIM 9.0仿真环境的额定输出3 kW的单相并网逆变器仿真模型。其中电流内环采用比例控制器以保证电流跟踪的快速性，电流外环采用PI控制器以获得良好的动态特性和电流跟踪精度，PI调节的双电流闭环系统主电路如图7，控制电路如图8。

从0 s开始仿真，并在0.025 s时将给定电流信号减半，将电网电压缩小到2%并与逆变侧电流I1和并网侧电流I2对比，动态响应如图9，图8为逆变侧电流I1和0.02 Ug，图9为并网侧电流I2和0.02 Ug。

图7 双电流闭环系统主电路

图8 PI调节的双电流闭环系统控制电路

图9 PI调节的逆变器侧电流I1和并网电流侧I2输出仿真图

图10 PI调节并网电流I2的总谐波失真（THD）图（左）及逆变侧电流I1频谱图（右）

由实验结果可以看出，当入网电流基准给定突然减半时,双闭环方案能够准确跟踪给定电流，动态响应时间约为周期（0.005 s）。并网电流 I2的 THD图及逆变侧电流I1的频谱分析图如图10，THD为2.3%，小于5%，满足IEEE Std 929-2000标准对并网谐波的要求，但是逆变侧存在载波频率（20 kHz）及其倍频。

3 新型的基于准PR控制的电流双闭环控制策略

为了对交流信号的无静差跟踪，使其在特定的带宽中有相同的频率响应特性,从而达到消除跟踪误差的目的，构造一个对参考输入信号进行交流补偿的传递函数,实现系统输出在谐振频率处的高增益,而在其他频率段均大幅衰减,且满足系统稳定性要求，可以引进比例谐振控制[8-10]。比例谐振控制器的传递函数为：

式（3）中,w0为谐振频率,Kp为比例增益系数。谐振控制器Gpr(s)理论上虽正确,但在谐振频率w0附近过于狭窄的频段和过高的增益,使得系统对负载和电网的参数波动异常敏感,为了降低在谐振频率处的敏感度和高增益特性,同时满足系统稳定性要求,改进PR控制为准PR控制，其传递函数为：

Kp为比例增益系数 （0.5），Ki为积分增益系数（4），wc为截止频率 （取 10%电网频率 50 Hz的=5 Hz）， w0为谐振频率（50 Hz）。 式（4）准 PR 控制的bode图如图11。

为了使系统获得良好的响应速度和稳定性，将逆变器侧电流I1反馈，取偏差经PI调节，其中Gpi(s)同时为了抑制谐振，将并网电流I2反馈给输入，同时引进准PR控制器来抑制50±5 Hz以外的频率。构建新型基于准PR调节系统控制框图如图12，新型系统奈奎斯特图如图13，可以看出系统是稳定的。

图11 准PR控制器的伯德图

为了提高光伏并网电源逆变效率和供电质量，消除三角载波的谐波频率，本文设计了一种新型的通过定时控制（时钟脉冲信号为1 μs）的滞环瞬时值比较法控制策略。这种新型策略通过将LCL滤波器输出与给定信号比较，取差值进行准PR调节，并将逆变器输出与给定信号比较，取差值进行PI调节，最后由定时控制的时钟脉冲使能调节后的信号来控制H全桥逆变开关动作实现逆变，调制过程不需要引入三角载波，在逆变器输出中没有特定载波频率及其谐波分量，又能实现对给定信号的高精度跟踪，且动态响应速度快，而且定时控制环节能防止开关动作频率超过开关管的最高频率而导致控制失效。基于PSIM9.0的新型准PR双电流闭环系统主电路如图7，控制电路如图14。

图12 基于准PR调节系统控制框图

图13 基于准PR调节系统双电流闭环控制奈奎斯特图

将电网电压缩小到10%并与并网电流I2和逆变侧电流I1对比，并在0.025 s给定电流减半，动态响应如图15，上图为并网电流I1和0.02 Ug，下图为逆变侧电流I2和0.02 Ug。

由仿真结果可以看出，当入网电流给定信号突然减半时,此方案能够准确快速地跟踪给定电流，动态响应时间约为1/10周期（0.002 s）。此方案并网电流I2的THD图（左）及逆变侧电流I1的频谱分析图（右）如图16，THD约为0.7，远小于5，并且从图 15（右）可以看出逆变侧电流I1中无高频载波频率。

分别对比图 9，图 15和图10,图16，可以看出此新型准PR控制双电流闭环对比与基于PI控制双电流闭环有源阻尼控制方案，不仅THD小，跟踪精度高，动态性能好，无载波频率，而且与滤波电容C交换的无功功率小，能有效地提高光伏并网电源的逆变效率和供电质量。

图14 新型准PR调节的双电流闭环系统控制电路图

图15 新型准PR调节的逆变器侧电流I1和并网侧电流I2输出仿真图

图16 准PR调节并网电流I2的总谐波失真（THD）图（左）及逆变侧电流I1频谱图（右）

4 结论

LCL滤波器能很好抑制逆变器输出中的高频谐波电流，但因为它是为三阶系统，存在谐振问题而造成控制系统不稳定。本文从理论上分析了逆变侧和网侧双闭环电流控制策略能够有效抑制LCL的谐振问题，并对传统的PI调节进行改进，设计了一种新型的准PR调节的控制策略，此策略通过定时控制的滞环瞬时值比较法来控制H桥逆变开关，极大地提高了光伏并网电源的逆变效率和供电质量。并搭建基于PSIM 9.0的仿真模型，验证了新型准PR控制策略的稳定性和优越性。

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