LCL并网逆变器准比例谐振与网压前馈控制研究*

潘嘉进，　刘彦呈，　孙赫男，　张勤进，　刘厶源

(1. 大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连　116026；

2. 大连海事局，辽宁 大连　116001)



LCL并网逆变器准比例谐振与网压前馈控制研究*

潘嘉进1，刘彦呈1，孙赫男2，张勤进1，刘厶源1

(1. 大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连116026；

2. 大连海事局，辽宁 大连116001)

摘要：针对传统LCL并网逆变器对交流电流信号跟踪存在静差及抗干扰性较差的问题，提出一种基于准比例谐振和网压前馈的新型并网控制策略。该控制策略由逆变器侧电感电流反馈环、网侧电感电流外环和电网电压前馈环组成。其中网侧电感电流外环采用准比例谐振控制器，同时结合逆变器侧电感电流内环，在抑制LCL滤波器谐振峰的同时，提高了控制系统的精度；电网电压前馈控制的引入，一方面提高了系统的响应速度，另一方面保证了在电网发生畸变时并网逆变器较好的动态性能。最后，仿真结果验证了所提控制策略在无静差跟踪及抗电网电压扰动方面具有显著优势。

关键词：LCL并网逆变器； 准比例谐振控制器； 电网电压前馈控制； 静差

0引言

将光伏发电、风力发电等新能源发电技术应用于船舶电力系统，可降低船舶发电柴油机容量、减少化石燃料的消耗及提高船舶用电安全。新能源发电系统的核心是并网逆变器[1]，要求其具有极低的输出电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion， THD)和极高发电功率因数(Power Factor， PF)，以减小无功功率、谐波等因素对船舶电网造成的危害[2]。

为获得低THD的并网电流，并网逆变器的输出滤波器一般包括L、LC以及LCL 3种类型[3-5]。单电感滤波器结构简单，但需要较大的电感量才能对谐波进行有效抑制；LC滤波器工作于并网模式时，滤波电容相当于本地负载，不起滤波作用，因此，其滤波效果等同于单电感L滤波器。LCL滤波器能有效抑制电流高次谐波，并降低总电感量，但LCL滤波器是一个无阻尼的三阶系统，容易发生振荡造成系统不稳定，因此对系统的控制设计提出了更高的要求[2]。

采用传统的PI控制器设计简单，但存在静态误差，对给定值中的交流分量难以进行无差跟踪。文献[6]采用PI加电网电压全前馈控制策略，理论上可完全消除静差，但是全前馈控制策略的引入使系统控制设计变得更为复杂。文献[5]提出的比例谐振(Proportional Resonant， PR)控制能够在指定的频率处提供无穷大的增益，从而实现特定频率的无静差控制，但PR控制器不易实现，且在电网电压突变时，其响应速度会受到影响；同时，由于LCL滤波器谐振峰的存在，采用上述控制方法的LCL并网逆变器是不稳定的。文献[7]提出在电容支路串联电阻来抑制谐振，但却造成了功率损耗。文献[1]采用电容电流内环来增加系统的阻尼，但测量电容电流较为繁琐，使系统变得复杂，且降低了控制系统的精度。

本文针对上述控制方法的不足，提出基于准比例谐振的并网电流外环控制策略；同时采用检测较为方便的逆变器侧电感电流反馈来抑制LCL滤波器的谐振，简化了控制系统的结构且提高了精度。为进一步提高系统抗干扰性和稳定性，本文引入电网电压前馈控制。

1LCL并网逆变器模型

图1(a)为带LCL滤波的单相并网逆变器主电路拓扑。其中Ud为直流侧电压，LCL滤波器由逆变器侧滤波电感L1、网侧滤波电感L2及滤波电容C组成。i1为逆变器侧电感电流，iC、uC分别为滤波电容电流和电压，i2为并网电流，ug为电网电压。当开关频率远高于输出滤波器的截止频率时，逆变桥可等效为比例环节KPWM。本文忽略滤波电感的电阻和滤波电容的寄生电阻。

图1　单相LCL并网逆变器拓扑结构及模型

根据图1，结合基尔霍夫KCL和KVL定律，可得LCL并网逆变器数学模型：

(1)

由式(1)便可得到LCL并网逆变器模型，如图1(b)所示，由此可得逆变器输入电压Ud对输出电流i2的传递特性：

(2)

由式(2)可绘制LCL并网逆变器的bode图，如图2实线所示(图2中： 实线为无阻尼状态，点划线为阻尼系数k=0.01时的bode图，虚线为阻尼系数k=0.05时的bode图)。

图2　有源阻尼LCL滤波器bode图

由图2可知，无阻尼的LCL滤波器在谐振频率处会产生谐振峰，造成系统的不稳定。

2并网控制策略分析

2.1基于网侧电感电流的有源阻尼

为了解决上述问题，最简单的方法就是在滤波电容回路中串联电阻来增加系统的阻尼，即无源阻尼法，但会使系统增加损耗，因此，以控制取代实际阻尼电阻的有源阻尼控制策略得到了广泛应用。

本文采用逆变器侧电感电流i1反馈来抑制LCL滤波器谐振峰，文献[8]已经分析了此方案的可行性，现将其直接引入本文提出的控制系统中，如图3所示，其中k为i1反馈系数，即阻尼系数。

图3　LCL并网逆变器模型

引入有源阻尼控制后，LCL逆变器输入电压Ud对输出电流i2的传递特性变为

(3)

根据式(3)重新绘制LCL逆变器的bode图，如图2中虚线及点划线所示。分析可知： 阻尼系数k对高频段的幅频特性影响较小，但对截止频率fr附近的相频特性有明显影响，使得fr之前的系统相角有所减小。阻尼系数k越大，对系统环路增益谐振尖峰的阻尼效果越好。综合系统稳定性及阻尼效果，本文取k=0.05。

2.2准比例谐振控制器

本文采用直接电流(即网侧电感电流)控制策略，使并网电流与电网电压同频同相。结合上述的有源阻尼控制策略，LCL并网逆变器的控制策略框图如图4所示。

图4　LCL并网逆变器控制策略框图

由此可得系统输入输出关系为

(4)

其中：

(5)

(6)

该表达式可分为两部分： 第1部分为跟随电流指令部分；第2部分为电网作用部分，由于该部分的存在，电网会对所控并网电流造成影响。由此可知，并网电流的误差是由控制器跟踪正弦指令所造成的稳态误差和电网电压造成的误差两部分共同组成的。为了消除上述第一部分的影响，本文对比传统PI控制和准比例谐振控制策略优缺点，拟采用准比谐振控制器。

准比例谐振(QPR)控制器在其传递函数的虚轴上增加两个固定频率的闭环极点，形成该频率下的谐振，使增益增加，从而可实现对输入信号的无静差跟踪，同时减小因电网电压频率偏移带来的不利影响。因此，系统无需增大开关频率，亦不需采用极高的控制增益(这可能造成系统的不稳定)，QPR策略就能跟踪正弦电流指令。本文提出的QPR控制器如图5所示。

图5　准比例谐振控制器

QPR控制器传递函数为

(7)

式中：ω1——基波角频率，314.15rad/s；

KP、KR、ξ——控制器的3个参数。

根据式(7)可画出准比例谐振控制器的bode图，如图6所示。

由图6可以看出，谐振控制器只对谐振频率附近的频域增益很大，而对其他频域几乎没有影响，因此准比例谐振控制器可抑制跟踪正弦指令所造成的稳态误差。

图6　准比例谐振控制器bode图

2.3电网电压前馈控制策略

准比例谐振控制算法虽然控制精度很高，且可有效抑制静态误差，但实时性却不够[9]，若电网电压发生严重畸变时，会因其动态响应较慢而导致系统不稳定。这便是上述式(4)第二部分的影响。为了有效抑制电压发生畸变时影响系统的稳定，文献[6]采用电网电压全前馈控制策略，理论上可完全消除电网电压对并网电流的影响，但会使控制系统设计复杂且精度不够。

综合考虑控制系统的复杂性和动态性，本文引入无延时前馈补偿器改善控制系统动态响应性能，将准比例谐振控制与无延时前馈补偿控制相结合，大大提高了系统控制的动态性和稳定性，如图7所示。

图7　电网电压前馈控制框图

这里引入网压前馈比例系数H，只需改变H的值便可得到更佳的动态性能。H取值越大，对电网电压扰动的动态响应速度越快，也会造成控制系统的不稳定，因此，一般取H=1/KPWM。

3仿真及试验分析

为了验证上述控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink环境下对基于准比例谐振和电网电压前馈的LCL并网逆变器进行仿真建模，如图8所示。

图8　并网逆变器仿真原理图

图8中具体参数如表1所示。

表1　LCL并网逆变器仿真参数

在实际应用过程中，电网或多或少存在一定量的谐波，因此在仿真验证过程中，使电网ug掺入一定的谐波分量。

图9针对本文提出的新型LCL并网逆变器控制算法和传统PI控制算法，在ug含有3、5和7次谐波分量时，就输出并网电流进行了比较。

图9(a)~9(c)分别为传统PI控制、无前馈及含前馈准比例谐振控制器输出并网电流i2和电网电压ug仿真波形。可以看出，采用传统PI控制时，并网电流受电网电压质量的影响较大，且由于存在稳态误差而致使其相位滞后于电网电压；采用准比例谐振控制后，并网电流输出波形明显改善，但当无电网电压前馈时，其相位与电网电压还存在一定的滞后；引入电网电压前馈后，并网电流紧紧跟随电网电压，且较好地消除了电网中含有的低次谐波的影响。

为了验证在电网发生畸变时，本文提出的控制方法的有效性。在电网含13和15次谐波分量下进行了仿真分析，其结果如图10所示。对仿真波形分析可知，当电网突变时，采用传统PI控制器，逆变器输出电流相位严重滞后于电网电压；采用准比例谐振控制而无电网电压前馈时，较好地改善了其输出波形，但是与图9(b)相比，相位差还是稍有增加；由图10(c)可看出，即使电网电压发生畸变时，并网电流还是紧紧跟随电网电压，因此基于准比例谐振和网压前馈的逆变器并网控制策略可有效地抑制电网电压畸变对并网电流的影响。

图9　电网含3、5、7次谐波分量时仿真波形

图10　电网含13、15次谐波分量时仿真波形

4结语

本文针对传统LCL并网逆变器跟踪交流信号存在静差的问题，提出一种新型的并网控制策略。该控制策略采用准比例谐振对并网电流进行直接控制，准比例谐振在特定的频率下可产生极高的增益，进而可消除跟踪静差，且提高控制系统的鲁棒性。同时采用逆变器侧电感电流反馈来抑制LCL滤波器的谐振峰，提高系统的稳定性。另外，电网电压前馈控制的引入，提高了系统的响应速度和动态性能。仿真结果表明，本文提出新型控制策略能有效消除交流信号跟踪静差，进而使并网电流相位紧紧跟随电网相位变化，始终保持与电网电压同频同相，且引入电网电压前馈，其响应速度和抗干扰性得到明显的改善。

【参 考 文 献】

[1]徐志英，许爱国，谢少军.采用LCL滤波器的并网逆变器双闭环入网电流控制技术[J].中国电机工程学报，2009，29(27)： 36-41.

[2]陈东，张军明，钱照明.带LCL滤波器的并网逆变器单电流反馈控制策略[J].中国电机工程学报，2013，33(9)： 10-16.

[3]杨勇，赵春江.分布式发电系统中并网逆变器比例谐振控制[J].电力自动化设备，2011，31(11)： 51-55.

[4]王恒利，付立军，揭贵生，等.采用比例谐振和状态反馈的三相逆变器最优控制[J].西安交通大学学报，2013，47(8)： 127-132.

[5]杭丽君，李宾，黄龙，等.一种可再生能源并网逆变器的多谐振PR电流控制技术[J].中国电机工程学报，2012，32(12)： 51-58.

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Control Strategy of LCL-Filtered Grid-Connected Inverter Based on

Quasi-Proportional Resonant and Grid Voltage Feed-Forward*

PANJiajin1，LIUYancheng1，SUNHenan2，ZHANGQinjin1，LIUSiyuan1

(1. Marine Engineering College， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China；

2. Dalian Maritime Safety Administration， Dalian 116001， China)

Abstract：Aiming at solving a problem， which there are static error and a weak anti-interference performance when traditional LCL grid-connected inverter track AC current signal， a novel LCL grid-connected inverter control strategy was proposed. The control strategy was composed of an inner loop of the inductor feedback current of inverter side， feed-forward of grid voltage and an outer loop of the grid-current which employs Quasi-proportional resonant controller to improve the accuracy of control system. Meanwhile， the inductor feedback current of inverter side was applied to damp the resonance peak of LCL filter. In addition， the control strategy introduced grid voltage feed-forward so that it improved system response speed and dynamic performance when grid voltage distortion causes. Finally， the simulation and experiment results showed the proposed control strategy had a significant advantage in the zero static error tracking and anti-disturbance of grid voltage.

Key words：LCL grid-connected inverter； quasi-resonant proportional controller； grid voltage feed-forward； static error

收稿日期：2015-07-09

中图分类号：TM 301.2

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)01- 0017- 05

作者简介：潘嘉进(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为光伏并网发电系统控制。刘彦呈(1963—)，男，教授，研究方向为智能电气与控制网络、机电检测与自动化技术等方面的研究。

*基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(3132014300)