LCL滤波并网逆变器新型阻尼控制策略

杨公德, 施火泉, 丁豪, 刘会超

(江南大学,电气自动化研究所,江苏无锡214122)

LCL滤波并网逆变器新型阻尼控制策略

杨公德, 施火泉*, 丁豪, 刘会超

(江南大学,电气自动化研究所,江苏无锡214122)

无源和有源阻尼协同控制保证系统具有良好的阻尼效果,但闭环设计较为困难。加权电流控制降低了系统的阶数,使系统易于实现闭环设计,然而并网电流谐波抑制效果受到系统非理想因素的影响,并且系统带宽受到限制。为此提出将无源和有源阻尼协同控制并与加权电流控制相结合的方法,提高了系统的稳定性,增大了系统带宽,并能满足分布式发电的并网标准。Matlab仿真结果表明,所提出的控制方法是可行有效的。

阻尼效果;加权电流;谐波抑制;分布式发电

LCL滤波器较好的高频滤波性能和易于集成封装的物理结构使其在基于电压源型并网逆变器的应用中日益广泛[1]。然而,LCL并网滤波器发生谐振时产生的零阻抗可能导致系统不稳定。目前,抑制系统谐振问题的阻尼方案可分为两类,即通过外加无源元件改变滤波器结构的无源阻尼方案和通过调整并网逆变器的参数或结构的有源阻尼方案[2-3]。

针对电网电感对有源阻尼有增强作用,对无源阻尼起到削弱作用;控制器参数对有源阻尼的影响较大,而对无源阻尼影响较小的特点。雷一等[4]采用无源和有源阻尼协同控制方法能使二者互补达到良好的阻尼效果,但闭环设计较为困难。许津铭等[5]提出将有源阻尼控制和电流加权控制相结合的方法,克服了闭环设计困难和系统带宽受限的问题,但有源阻尼反馈系数的取值可能会影响系统的稳定性。

文中提出将无源和有源阻尼协同控制并与加权电流控制相结合的方法,通过对比分析可知,该方法能使系统具有很好的稳定性和较宽的系统带宽,并能满足分布式发电的并网标准。仿真结果也表明该控制方法不仅能保证系统抑制谐波效果较好,而且并网逆变器可以在近似单位功率因数下工作。

1 LCL滤波器模型与谐振特性分析

LCL滤波器等效模型如图1所示。其中:Uinv为单相逆变器输出电压;L1,L2分别为逆变器侧和电网侧滤波电感;Lg为电网电感;Cf为滤波电容;Ug为电网电压。

图1 LCL滤波器等效模型Fig.1 Equivalentmode of LCL filter

利用梅森公式以电网电流ig为输出变量,逆变器输出电压Uinv为输入变量建模,可得如下LCL滤波器的传递函数[6]:

该三阶滤波器由于分母缺项将导致系统发生谐振而不稳定,此时由式(1)得到谐振角频率

式(1)和式(2)表明电网电感的存在对系统的稳定性及谐振频率的大小都有一定的影响。而对于弱电网,电网电感Lg可达数毫亨,因而在分析时,需予以考虑。图2为不同的电网电感值对幅频特性影响的曲线图。作为分析算例,文中研究的滤波器参数设计值为:L1=1 mH;L2=1 mH;Lg=0.5 mH; Cf=10μF。

图2 不同电网电感值时的幅频特性曲线Fig.2 Am p litude-frequency characteristics of different grid inductance

2 控制策略原理及其特性分析

2.1 控制策略原理

通过分析文献[4]所提出的无源阻尼和有源阻尼协同控制方法和文献[5]所采用的加权电流控制方法,文中在此基础上提出一种无源和有源阻尼协同控制同加权电流控制相结合的控制方法,其原理框架如图3所示。

图3 控制策略原理框架Fig.3 Princip le block diagram of the control strategy

图3中:iref为给定的参考电流;if为加权组合电流;Kp+Ki/s构成了逆变器电流调节器的比例积分环节;KPWM为逆变器数学模型的比例系数;Td为系统延迟时间,Kc为有源阻尼反馈系数;K1,K2为加权电流的加权系数;Rd为阻尼电阻。

当忽略图3中的控制延迟和PWM的作用时,利用梅森公式可得到并网逆变器输出电压Uinv至组合电流if的传递函数

为了便于描述阻尼值和无源阻尼值与有源阻 尼值的关系,现转化为

依据式(4)可得采用该控制策略的阻尼值为

其中:ζw为无源阻尼值;ζy为有源阻尼值。由式(6)可知,无源和有源阻尼协同控制时的阻尼值是无源阻尼电阻和有源阻尼系数的函数。为了使系统有较好的阻尼效果,需要保证ζ不变,考虑到电网电感对无源阻尼值和有源阻尼值的作用效果相反、阻尼损耗以及控制系统参数约束等因数的影响,文中所设计的阻尼参数为:ζ=1.125,Rd=10.7Ω,Kc=1.2。

通过分析电流加权控制方案和结合无源阻尼的电流加权控制方案,可得到如下加权系数K1,K2的值:

在滤波参数和电网电感给定的情况下,电流的加权系数K1,K2是个定值。由于电流加权控制是对组合电流的反馈控制,而谐振峰并不在反馈回路内[5],因而与网侧电感电流反馈环相比,不仅便于设计而且系统的带宽较大。

2.2 系统稳定性分析

采用文中方法(记为方法1)及无源和有源阻尼协同控制方法(记为方法2)的Nyquist曲线如图4所示。由Nyquist稳定判据可知,方法1和方法2都具有较好的稳定性;由奈斯稳定判据可知,方法1的Nyquist曲线比方法2的Nyquist曲线离(-1,j0)点较远,因而其能使系统具有更好的稳定性。

图4 控制方法的Nyquist曲线Fig.4 Nyquist graph of controlm ethod

2.3 滤波特性分析

采用方法1和方法2的幅频-相频特性曲线如图5所示。

图5 控制策略的幅频-相频特性曲线图Fig.5 Phase and am p litude-frequency characteristics of control strategies

由图5可以看出,两种方法在低频时具有相同的滤波特性,但在高频时方法1的谐波抑制效果有所下降。然而,其较大的带宽能保证系统有较大的工作范围,同时使得系统具有很大的稳定裕度。

3 仿真分析

为了验证所研究控制策略的正确性和有效性,在Matlab/Simulink中依据图6所示的LCL滤波单相并网逆变器控制框架搭建了采用文中控制方法的仿真模型。其中主要仿真参数:直流母线电压Ud为400 V;逆变器容量为3 kV·A;开关频率为5 000 Hz;采样频率5 000 Hz;电网电压为220 V/50 Hz[7-8]。

图6 LCL滤波单相并网逆变器控制框架Fig.6 Control diagram of the single-phase bridge connected-grid inverter w ith LCL filter

图7为采用方法1和方法2仿真得到的逆变器侧电感电流i1、电容电流ic、并网电流ig的波形。

利用FFT分别对采用方法1和方法2的系统输出并网电流进行分析得到各次谐波的柱状曲线(见图8)。

图7 电压电流仿真波形Fig.7 Voltage and current simulation waveform s

图8 系统输出并网电流FFT分析Fig.8 FFT analysis of the system output gridconnected current

由图8可以看出,可见采用方法1的系统输出并网电流的THD低于采用方法2的系统输出并网电流的THD,满足分布式发电并网标准。

采用方法1时的电网电压和并网电流的仿真波形如图9所示。

图9 电网电压和网侧电感电流的仿真波形Fig.9 Sim ulation waveform between the grid voltage and the net side inductance current

由图9可见,电网电压和并网电流相位差近似为0,因此并网逆变器可以工作在单位功率因数下。

4 结 语

文中所提出的控制方法能获得无源和有源阻尼协同控制时的良好阻尼效果,从而能保证系统具有足够的稳定性,同时利用加权电流控制易于实现系统的闭环设计。但由于分布式发电在接入电网时引入的线缆、变压器及近端负荷等感性元件对系统阻尼、谐振频率和加权系数都有很大的影响,而文中并没有研究这些感性元件的动态变化对该控制方法的影响,因而如何使控制系统自适应的跟随感性元件的变化来提高系统的控制性能有待深入研究。

[1]刘长浥,陈默子.智能电网可再生能源设计[M].北京:机械工业出版社,2012.

[2]刘尚伟.单相LCL逆变器并网技术研究[D].武汉:华中科技大学,2011.

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[4]雷一,赵争鸣.LCL滤波的光伏并网逆变器有源阻尼与无源阻尼混合控制[J].电力自动化设备,2012,11(32):23-27.

LEIYi,ZHAO Zhengming.Hybrid control of active and passive damping for grid-connected PV inverter with LCL filter[J]. Electric Power Automation Equipment,2012,11(32):23-27.(in Chinese)

[5]许津铭,谢少军.LCL滤波并网逆变器的鲁棒电流控制[J].电力系统自动化,2012,19(36):99-103.

XU Jinming,XIE Shaojun.A robust current control strategy for grid-connected inverterswith LCL filters[J].Automation of Eletric Power Systems,2012,19(36):99-103.(in Chinese)

[6]周克亮,王政,徐青山.光伏与风力发电系统并网变换器[M].北京:机械工业出版社,2012.

[7]Liserre Aquila.Genetic algorithm-based design of the active damping for an LCL filter three phase active rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electron,2004,1(19):76-86.

[8]Agorreta,Borrega,Lopez.Modeling and control of n-paralleled grid-connected inverters with LCL filter coupled due to grid Impedance in PV plants[J].IEEE Transactions on Power Electron,2011,3(26):770-785.

(责任编辑:邢宝妹)

A New Dam ping Control Strategy for Grid-Connected Inverters w ith LCL Filter

YANG Gongde, SHIHuoquan*, DING Hao, LIU Huichao
(Institute of Electrical Automation,Jiangnan University,Wuxi214122,China)

The adaptive characteristics for grid inductance and control delay can guarantee the passive and active damping coordination control with a good damping effect,but the closed loop the design is difficult.The weighted current controlmethod can reduce the orders of the system and make it easy to design the closed loop control.But the harmonic suppression effect of grid current is influenced by the non-ideal factors of system,as well as the system bandwidth.This paper combines the passive and active damping controlwith weighted current control,and can not only improve the system stability,but also increase the system bandwidth and meet the standard of distributed generation. The results of Matlab simulation show that the proposed controlmethod is feasible and effective.

damping effect,weighted current,harmonic suppression,distributed generati-on

TM 46

A

1671-7147(2015)01-0052-04

2014-09-18;

2014-10-18。

杨公德(1988—),男,河南驻马店人,电气工程专业硕士研究生。

*通信作者:施火泉(1964—),男,江苏苏州人,高级工程师,硕士生导师。主要从事电力电子与电力传动等研究。

Email:shq@jiangnan.edu.cn