基于LCL滤波器的光伏并网复合控制策略

齐　飞，　李建文，　张舒怡，　李永刚

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定　071003)



基于LCL滤波器的光伏并网复合控制策略

齐飞，李建文，张舒怡，李永刚

(华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定071003)

摘要：针对滞环控制精度低的问题，提出一种将滞环控制与重复控制有机结合的复合控制方法。复合控制保留了滞环控制良好的动态性能和重复控制较高的稳态精度性能。在此基础上，一方面提出了基于LCL滤波器的自适应变环宽滞环控制策略，另一方面，提出应用于LCL型逆变器的重复控制器，采用一阶超前环节进行相位与幅值补偿；利用陷波器消除LCL谐振尖峰，采用二阶滤波器进行高频衰减。最后在MATLAB/Simulink平台上仿真验证了复合控制方法的有效性。

关键词：滞环控制； 重复控制； LCL滤波器； 并网逆变器

0引言

随着石化等不可再生能源的逐渐枯竭，研究开发光伏与风电等新能源发电具有重要意义，而光伏与风电的核心环节之一是逆变器的并网电流控制技术。通常，采用单一的控制技术难以得到高质量的输出电流波形。滞环控制属于实时控制，动态响应快，具有自动抑制电流尖峰能力，但控制精度低且开关频率不固定[1-2]。重复控制具有无静差地跟踪参考信号特性，并且能消除周期性扰动，具有较高的输出稳态精度，但是其属于延时控制，动态性能差[3-4]。根据文献[1-4]可知，滞环控制与重复控制优缺点互补，因此本文提出一种将滞环控制与重复控制相结合的复合控制策略应用于光伏发电系统。

随着光伏发电容量的不断增大，LCL滤波器由于其良好的滤波性能，被广泛应用。文献[5-6]针对滞环控制开关频率波动性大、网侧滤波电感设计困难、电流的波动也较大等问题，提出了自适应滞环控制，实现了准定频滞环电流控制技术。但文献[5-6]自适应变环宽计算均是针对L滤波器而言，为此有必要先设计基于LCL滤波器的自适应滞环控制方法。另一方面，文献[7-10]指出重复控制具有无静差调节等优点，但文献[7-8]提出的重复控制器是针对L滤波器设计的。文献[9]通过极点配置与重复控制相结合对LCL滤波器进行整定，增加了控制系统的复杂性。文献[10]提出了PI控制与重复控制相结合的复合控制策略，然而，两控制器之间存在控制耦合，使并网逆变器在动态过程中发生电流畸变。

综上，本文一方面在L滤波器自适应变环宽滞环控制基础上推导了基于LCL滤波器的自适应环宽计算公式；另一方面提出应用于LCL逆变器的重复控制器。主要采用一阶超前环节进行相位与幅值补偿；利用陷波器消除LCL谐振尖峰，采用二阶滤波器进行高频衰减。进而，将两种方法结合为复合控制，复合控制方法在误差大时，滞环控制工作，加快减小误差的速度；当误差减小至某一范围时，重复控制工作，实现稳态无差。最后通过仿真验证了其有效性。

1复合控制

鉴于滞环控制与重复控制具有互补性，为此，可采用将重复控制和自适应滞环控制相结合的复合控制方法，其控制结构如图1所示。

图1　复合控制

复合控制的基本思想是： 首先设定一个合理的滞环宽度，当被控对象出现较大的干扰时，导致误差信号突然变大，自适应滞环控制器感受到误差信号的突变从而立即产生控制作用，此时重复控制器不工作。随着误差信号的不断减小，自适应滞环控制作用逐渐减弱，直到系统达到新的稳态；当误差信号小于环宽时，自适应滞环控制器作用很小，对系统的影响很小，此时，重复控制器工作，实现稳态无差。由于复合控制中的滞环控制与重复控制平行工作，因此可以分别对两种控制器进行设计。

2自适应滞环控制

2.1系统模型

图2是三相逆变器并网原理图，通过控制各个开关管的通断来调节桥臂中点a、b、c端的输出电压。

图2　LCL并网逆变器原理图

2.2滞环控制

滞环控制原理是将参考电流与输出电流的误差信号经固定环宽H的滞环比较器得到PWM信号，驱动开关管控制输出电流在设定的正负环宽内(±H)，如图3所示。

图3　滞环控制原理

先只考虑电感L1存在，R1、L2、R2与Cf等均不存在的情况。

由基尔霍夫电压定律有

(1)

式中：Usa——A相电源电压；

Ua——a点相对于直流侧中点电压；

i1a——A相电流。

(2)

将式(2)减去式(1)得

(3)

根据图2可知，设Ts为开关周期，当0

(4)

当t1

(5)

联立式(4)与式(5)可得

(6)

将式(2)代入式(6)得

(7)

式(7)所示变环宽公式是针对单L1滤波器而言，由于L1滤波器位于逆变器与电网之间；而对于LCL滤波器而言，L1滤波器位于逆变器与电容器之间，故可推出LCL滤波器的变环宽公式如式(8)所示：

(8)

由图1，根据基尔霍夫定律有

(9)

(10)

根据式(8)与式(10)可得

(11)

式(11)即为滞环宽度与开关频率的关系。在常规滞环控制下，由于滞环宽度H是固定的，因此开关管的开关频率是随着直流侧电压、电源电压和指令电流斜率等的变化而改变。可见只要H随着电源电压、直流侧电压和指令电流的微分等变化进行调整，即可保证开关管开关频率为常数。

3应用于LCL滤波器的重复控制

在通常情况下，Rc为毫欧级，RL为欧姆级,故Rc可忽略不计[11]，根据图3，可以得到输入Uin与I2之间的关系为

(12)

其中： A1=L1L2Cf；A2=L1R2Cf+L2R1Cf；A3=L1+L2+R1R2Cf+R2Cf+R1Cf。

其对应波特图如图4所示。

图4　系统波特图

重复控制是基于内模原理的一种控制方法[12-13]，在应用重复控制时通常采用图5所示结构。

图5　重复控制原理图

(13)

其中，Q(z)是积分系数，一般有两种设置方法：低通滤波器或者小于1的常数，通常情况下选取Q(z)为小于1的常数[14]。本文设置为0.97。将重复控制技术运用于LCL型滤波器的控制的关键是矫正器的设计。

3.1补偿器设计

根据图4可知，被控对象在LCL谐振频率段内相位出现了滞后、幅值出现了衰减。为此有必要先对其超前补偿器进行设计。其设计原则是在低频补偿带宽内被控对象的频率特性校正为0dB和0°。

由于电容值远远小于电感值，故在低频段式(12)可近似为

(14)

根据式(14)可知，若B(s)=1，则不会出现幅值衰减与相位滞后，故可取C(s)作为补偿函数：

(15)

采用双线性变换法离散化后可得补偿器：

(16)

C(z)G(z)与G(z)补偿前后的效果对比如图6所示。

图6　应用C(z)补偿前后对比的波特图

3.2陷波器设计

根据图6可知，一方面，通过C(z)进行补偿后，系统在低频段的幅值基本未发生衰减，相位未发生滞后，但是LCL滤波器的谐振尖峰未消除。文献[12]指出可利用零相移陷波器抑制谐振尖峰，此函数对特定的频率有很强的衰减作用，而且衰减速度很快,对周围频段的影响小，且此函数具有零相移特性,不必进行相位补偿，传递函数如式(17)所示：

(17)

其中： z=ejθ，代入式(17)可得

(18)

(19)

为了消除LCL谐振尖峰，可将陷波器频率设置为LCL谐振频率，故有

mθ=mωTs=π

(20)

(21)

另一方面，根据稳定性要求，需要对高频段进行幅值衰减，从而保证系统的稳定性。可采用二阶滤波器进行高频段幅值衰减，因为此时二阶滤波器只需进行高频衰减，所以大大提高了其截止频率，避免了由其引入的低频增益损失。设二阶滤波器的截止频率为逆变器的截止频率，阻尼比取0.707，其函数表达式为[15]

(22)

代入表1参数并将其通过双线性变换法离散化可得

(23)

同时，可通过两拍超前环节来抵消二阶滤波器的低频相移，故矫正器为

(24)

S(z)G(z)与G(z)幅频与相频特性的对比如图7所示。根据图7可知，在低频段以下S(z)G(z)的幅值和相位非常接近于0dB和0°，保证了稳态补

图7　应用S(z)补偿前后对比的波特图

偿精度；在谐振频率处有效地抑制了谐振尖峰；在高频段，S(z)G(z)具有足够的幅值衰减。

3.3稳定性校验

根据控制理论中小增益原理可知控制系统稳定的充分条件[16]是

(25)

式(25)含义是：在ω从0到π/T的整个变化范围内，矢量S(ejωT)P(ejωT)的末端所划过的轨迹不能超出以矢量Q(ejωT)的末端为圆心的单位圆。图8绘出ω从0到π/T的S(ejωT)P(ejωT)矢量轨迹，其随着ω的增大由坐标(0.97,0)点出发而趋于坐标原点。根据式(25)稳定性判据知，所设计系统稳定。

图8　S(ejωT)P(ejωT)矢量轨迹

4仿真分析

针对本文提出的复合控制方法，对三相光伏并网发电装置进行控制，在MATLAB/Simulink平台上仿真研究，仿真系统结构如图9所示。系统参数如表1所示。

图9　控制结构图

光伏并网控制原理是，由采集到的直流侧电压Udc和无功电流给定iq=0计算生成参考电流信号i2*，将实际电流信号i2与i2*差值输入复合控制器产生控制主电路开关的PWM信号，从而实现单位功率因数并网。分别对自适应滞环控制策略和复合控制策略进行仿真。

表1　系统参数

仿真中设定电网电压在0.1s时发生A相电压跌落为50%。

电网电压波形如图10所示。

图10　电网电压波形

图11(a)、(b)分别为滞环控制、复合控制的电流波形与电流误差波形。

图11　电网电流波形

对比图11(a)、(b)的电流误差波形可知，在起始时刻滞环控制占主导作用，两种策略的误差几乎一致；随着时间的推移，复合控制的误差范围明显减小，滞环控制的误差范围几乎保持不变，这由于重复控制器发挥作用，有效地降低了跟踪误差；在0.1s时刻电网电压A相跌落，并网电流均迅速响应，保留了滞环控制的特性。

图12(a)、(b)分别为滞环控制、复合控制的电流波形FFT分析图。

图12　不同控制方案下进网电流的各次谐波成分

根据图12可知，复合控制策略谐波畸变率明显低于单滞环控制策略，复合控制有效地降低了谐波畸变率，提高了并网电流质量。

5结语

本文提出了一种基于LCL滤波器的光伏并网新型复合控制策略，在保留自适应滞环控制良好的动态性能基础上，提高了电流跟踪精度。理论与仿真结果表明： 基于LCL滤波器的自适应滞环比较器可跟随各参数自动调节，重复控制器能有效地保证稳态精度，复合控制根据各自特点切换工作模式，有效地提高了控制性能，提高了并网电流质量。

【参 考 文 献】

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Multiple Control Strategy of Grid-Connected Photovoltaic

Based on LCL Filter

QIFei,LIJianwen,ZHANGShuyi,LIYonggang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric

Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：In view of the hysteresis control with low accuracy , a multiple control strategy combine hysteresis control with repetitive control was proposed. The multiple control strategy retaining good dynamic performance of hysteresis control and high steady state accuracy of the repetitive control. For that, on the one hand, adaptive variable ring width of hysteresis control strategy with LCL filter was proposed, on the other hand, repetitive controller apply to the LCL type inverter was designed. Using the first-order link in advance to compensate phase and amplitude; using trap eliminate LCL resonance peak, second-order filter was adopted to damp the high frequency. Finally the simulation on MATLAB/Simulink platform to verify the effectiveness of the multiple control method.

Key words：hysteresis control; repetitive control; LCL filter; grid-connected inverter

收稿日期：2015-07-02

中图分类号：TM 315

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)01- 0048- 06

作者简介：齐飞(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电并网技术。李永刚(1967—)，男，博士，教授，研究方向为电力系统稳定性和发电机故障诊断。