基于LCL滤波的单相虚拟矢量并网逆变器

刘述喜，陈宝刚，杨儒龙

(1.重庆理工大学 电气与电子工程学院， 重庆 400054; 2.重庆市能源互联网工程技术研究中心， 重庆 400054)

基于LCL滤波的单相虚拟矢量并网逆变器

刘述喜1,2，陈宝刚1,2，杨儒龙1,2

(1.重庆理工大学 电气与电子工程学院， 重庆 400054; 2.重庆市能源互联网工程技术研究中心， 重庆 400054)

在新能源并网发电应用中，传统的单相并网逆变器的控制策略有滞环比较控制和双环控制等，但这些控制存在着有谐波干扰、滤波效果差、无法对有功功率和无功功率进行调节等问题。为此，提出了基于LCL滤波的单相虚拟矢量并网逆变器控制策略，在控制方式上利用T/4传输延时构建虚拟矢量，通过坐标变换、解耦、双环控制等，以实现对有功和无功的调节，以及对电流的无静差跟踪，并在逆变器输出侧设计了LCL型滤波器。最后，通过仿真验证了方案的可行性。

并网逆变器；虚拟矢量；LCL型滤波器

Abstract: In the application of new energy generation and grid connection, the traditional single-phase grid-connected inverters control strategies contain hysteresis control, double loop control and etc. These control strategies exist problems, such as harmonic interference, not adjusted for active power and reactive power, and that filtering effect is poor. This paper proposes a single-phase virtual vector grid-connected inverters with LCL filter control strategy. This strategy builds a virtual vector based on the T/4 transfer delay. After coordinating transformation, decoupling, double loop control to realize the active and reactive power regulation and to track floating current. The inverter output side LCL filter is designed as well. The feasibility of the proposed strategy is verified by simulation.

Keywords: grid-connected inverter; virtual vector; LCL filter

传统的单相逆变器控制策略主要有滞环电流控制和双环控制。滞环电流控制策略有着结构简单、电流跟踪效果好、响应速度快等优点。尽管在电流跟踪方面有固定的误差范围，但功率开关器件的开通、关断频率不固定给谐波治理带来很大困难。单相逆变器双环控制一般是指电压外环采用PI控制，电流内环采用P控制的技术[]。这种技术利用SPWM调制可以实现功率开关器件通断频率的固定，但是无法实现对有功功率和无功功率的调节。

三相逆变器的控制策略电流内环采用PI控制，能很容易地实现对有功功率和无功功率的调节。单相与三相逆变器双环控制的主要区别在于：单相逆变在静止坐标系中只有1个自由度，无法利用坐标旋转变换为同步坐标系下的直流量，因而无法采用PI控制，只能利用P控制进行调节。针对这一问题，相关学者进行研究后提出了一些解决方法，目前主要有T/4传输延时、Hilbert变换[2]、反Park变换[3]。本文采用T/4传输延时技术，虚拟出一个与原自由度正交的矢量，成功实现了对有功功率和无功功率的调节以及对电流的无静差跟踪，并在逆变器输出侧设计了LCL型滤波器，利用有源阻尼电流电容比例反馈法，使LCL型滤波器实现了理想的谐波抑制效果。

1 并网LCL型滤波器设计

LCL型滤波器因其体积小、滤波效果好，成为并网逆变器中滤波器研究的热点[4]。本文采用如图1所示的LCL型单相并网逆变器主电路，其中：Q1、Q2、Q3、Q4为开关器件PMOSFET，电感L1、L2和电容C构成了LCL型滤波器。

图1 LCL型单相并网逆变器主电路

由此可以推导出LCL型滤波器输出的并网电流i2与桥臂输出电压udc(s)之间的传递函数为：

(1)

采用双极性SPWM控制，根据文献[5-6]可分别对LCL型滤波器中L1、L2以及C的参数进行设计：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Ts为载波周期；Udc为直流侧电压；Im为基准电流；ω为基波角频率；Po为输出有功功率；ωh为主谐波角频率；λh为主谐波所占并网电流百分比。

设计一个功率为5 kW的逆变器，其中直流侧电压为360 V，网侧电压有效值为220 V，频率为50 Hz，载波频率为10 kHz。根据式(1)～(5)可得出LCL型逆变器的相应参数。

图2是在同样等级下L型滤波器和LCL型滤波器的频率特性对比，可发现在高频阶段LCL型滤波器对高频谐波的衰减效果更好。

图2 L型和LCL型滤波器的频率特性

采用电流电容比例反馈法[7]，对图2出现的谐振尖峰[8]进行有源阻尼法处理，得到图3所示的LCL滤波器阻尼特性。从图3的阻尼特性曲线可看出：LCL滤波器对谐振尖峰的阻尼效果良好。

图3 LCL型滤波器阻尼特性

2 基于T/4传输延时的虚拟矢量控制模型

图4为基于LCL型逆变器的传统双闭环控制。电流内环的比例控制无法实现对有功、无功的单独调节。为此，本文采用改进的虚拟矢量控制，应用正交信号发生器对结构进行改善。为满足坐标旋转变换，至少需要2个自由度要求，这样就可以得到直流量，再利用PI控制实现有功、无功的单独调节以及电流的无静差跟踪。利用T/4传输延时可以得到与原交流量正交的分量，且方法简单、容易实现。

假设单相逆变系统输出电流，即网侧电流io为

io=Icos(ωot+φ)

(6)

式中：I为电流幅值；φ为初始相角；ωo为基波角频率。

利用T/4传输延时得到1个与网侧电流i0正交的虚拟分量ilm，即：

ilm=Isin(ωot+φ)

(7)

io和ilm在静止坐标系下经过坐标旋转变换后便可以得到同步旋转坐标系下的id和iq：

(8)

图4 传统的双闭环控制

图5为静止坐标到同步旋转坐标变换示意图，其中io和其虚拟出的正交分量ilm的合成便构成了静止坐标系中的虚拟矢量I。通过坐标旋转变换得到虚拟矢量I在同步坐标下对应的有功电流分量id和无功电流分量iq，则通过PI控制对id和iq进行控制调节，就能对传统单相逆变器双环控制进行改进，实现对有功功率和无功功率的独立调节[9]。

图5 坐标变换示意图

单相逆变器在静止坐标系下的状态方程：

(9)

结合式(8)可得在同步旋转坐标系下单相逆变器的状态方程为：

(10)

即：

(11)

从式(11)可以看出：在同步旋转坐标系中d轴和q轴存在分量的耦合，在控制时相互之间会产生影响，无法实现对有功功率和无功功率的单独调节。分量-ωLid会对q轴产生影响，分量ωLiq对d轴产生的可以忽略。因此，需要对dq轴进行解耦[10]。

对式(11)进行变形可得：

(12)

设

(13)

可得：

(14)

(15)

代入式(13)可得：

(16)

式(16)便是经过解耦后，利用PI控制得到的数学模型，解耦结构框图如图6所示。

图6 解耦结构框图

3 仿真分析

由前面的分析可得：在单相逆变器的系统控制上采用虚拟矢量控制策略，在输出侧采用电容电流反馈有源阻尼的LCL型滤波器。最终确定如图7所示的单相并网逆变器控制策略结构。

图7 单相并网逆变器控制策略结构

为了对该理论进行验证，利用Matlab仿真软件，在Simulink平台对该模型进行搭建、仿真[11]。图8为Matlab仿真模型，其中逆变器直流侧电压为360 V，网侧电压有效值为220 V，频率为50 Hz，输出的有功功率为5 kW，载波频率为10 kHz。

图8 单相逆变器仿真图

据图9和图10仿真结果数据图显示：逆变器输出侧的电压、电流实现了完美的相位跟踪，对逆变器输出侧电流进行傅里叶分析，THD值是1.80%，波形畸变率较小，达到了国标要求，说明有源阻尼LCL型滤波器滤波效果良好。

图9 输出侧电压、电流

图10 输出侧电流傅里叶分析

为了进一步对有源阻尼LCL型滤波器优越性进行验证，对单L型滤波器和无阻尼LCL型滤波器在同等条件下建立了仿真模型。单L型滤波器输出侧电流的傅里叶分析如图11所示。从图中可以看出：在高频阶段单L型滤波器对谐波的抑制效果比较差，导致波形畸变率较大，THD值达到了3.15%，滤波效果不理想。无阻尼LCL型滤波器输出侧电流的傅立叶分析如图12所示，较单L型滤波器，波形的畸变率较低，THD值为2.76%，但与有源阻尼型LCL滤波器相比仍然较高。通过对以上3种滤波器的滤波效果进行对比分析可以得出：有源阻尼LCL型滤波器对谐波的抑制效果最好。

图11 单L型滤波器输出侧电流傅里叶分析

图12 无阻尼LCL型滤波器输出侧电流傅里叶分析

4 结束语

对带LCL滤波的单相虚拟矢量并网逆变器进行仿真，达到了预期的效果，也进一步验证了前面理论分析的正确性。研究结果表明：这是一种较为理想的单相逆变器控制策略，该理论对新能源发电并网有一定的意义。但虚拟矢量是通过T/4传输延时形成，即在开始的前1/4个周期内虚拟矢量的值为0，且一旦基波电压被谐波污染，难以保证虚拟矢量与原分量的正交性。这些都会对系统的稳定造成一定危害，需要进一步改进。通过仿真结果也可以发现THD值为1.80%，还存在提升的空间。

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(责任编辑陈 艳)

Single-PhaseVirtualVectorGrid-ConnectedInverterwithLCLFilter

LIU Shuxi1,2, CHEN Baogang1,2, YANG Rulong1,2

(1.College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2. Research Center of Engineering Technology for Energy Interconnection Internet of Chongqing, Chongqing 400054, China)

2017-05-03

国家自然科学基金资助项目(51607020)

刘述喜(1969—)，男，湖南邵阳人，博士，教授，主要从事电力电子、电力传动及其控制技术的研究，E-mail：154154816@qq.com。

刘述喜，陈宝刚，杨儒龙.基于LCL滤波的单相虚拟矢量并网逆变器[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(9):132-137.

formatLIU Shuxi, CHEN Baogang, YANG Rulong.Single-Phase Virtual Vector Grid-Connected Inverter with LCL Filter[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):132-137.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.021

TM464

A

1674-8425(2017)09-0132-06