1、 LCL 滤波单相并网逆变器电流加权控制研究杨锋 1 ，蔡振宇 2(1. 广西电网公司玉林供电局，广西 玉林 537000；2. 玉柴船舶动力股份有限公司，广东 珠海 519100 )摘要:针对并网逆变器 LCL 滤波器直接电流控制出现的稳定性和控制精度等问题，提出了一种电流加权控制的策略。控制方案采用逆变器侧和电网侧电流加权反馈方式，调节电流反馈系数可以改善系统性能，还分析了电网电感对控制策略的影响。为了验证理论的正确性和控制策略的有效性，在 Matlab/Simulink 中搭建额定功率5kW 的 LCL 加权电流控制仿真系统。仿真结果表明，电流加权控制稳定裕度大稳态精度高，馈入电网电流总
2、体谐波畸变率小，功率因数高；另外，电网阻抗增大时不影响系统的稳定性，入网电流谐波却进一步下降，功率因数也略有下降。关键词：单相并网逆变器；LCL 滤波；电流加权控制；稳定性中图分类号:TM464 文献标识码：A 文章编号：1001-1390（2014）00-0000-00Research on LCL Filter Weighted Current Control Based foron Single-Phase Grid-Connected InverterYANG Feng1 ，CAI Zhen-yu 2(1. Yulin Power Supply Bureau of Guangxi Po
3、wer Grid Corporation，YuLin 537000, Guangxi, China. 2. Yuchai Marine Power Co., Ltd, ZhuHai 519100 , Guangdong, China )Abstrct: Aiming at the problem of stability and control accuracy in direct current control for grid-connected inverter LCL filter, Aa weighted current control strategy was has been p
4、resented to solve stability and control accuracy of grid-connected inverter with LCL filter by direct current controlin this paper. The control scheme used adopted an inverter side current and grid side current as feedback signal to improve the system performance by adjusting the feedback parameters
5、l. Current feedback factors could change system performance. TheIt also analyzed the influence on control strategy by grid inductance has been analyzed. A rated power with 5kW LCL weighted current control simulation system was has been built in by Matlab/Simulink to verify the correctness of the the
6、ory and the control strategy. The simulation results show that, the current weighted control had will have high stability margin and steady state accuracy, grid current total harmonic distortion rate waswill be very low, and the power factor was will be very high; . in In addition, the increasing gr
7、id impedance did will notnot affect the stability of the system,but the current harmonic was will be further reduced, and the power factor was will be lower .Key words：single-phase grid-connected inverter, LCL filter, current weighted control, stability0 引 言 随着新能源发电技术的发展，光伏并网发电也越来越受到重视。逆变器是光伏并网的关键，逆
8、变器采用电流控制方式并网时，注入电网的电流谐波是一项重要的指标 1。为了减少注入电网的电流谐波，通常在交流侧采用 L 型滤波，但是在大功率应用场合中开关频率较低，小容量 L 滤波难以获得理想的效果。LCL 滤波器由于电容形成的通路对高频谐波有抑制作用，只需要很小的电感量就能获得与 L 滤波器同等的滤波性能 2。然而，LCL 滤波器是一个三阶的系统，在欠阻尼工作时容易发生振荡，不利于系统稳定运行。为了抑制 LCL 谐振，有些文献提出有源阻尼控制策略，如反馈滤波电容电流控制策略 3，逆变器侧电感电流反馈控制 4，基于多环控制的 LCL 滤波 5等。有源阻尼控制多数是双环控制，控制策略复杂。本文通过
9、分析传统单相 LCL 滤波器并网逆变稳定性现象，提出了一种基于网侧电流与逆变器侧电流加权闭环控制并网策略。加权电流的两个分量均有自身特点：网侧电流加权分量可以减少电流误差提高系统功率因数，逆变器侧电流分量则改善系统性能提高电流闭环控制稳定性。最后，通过仿真实验验证控制策略的可行性。1 系统模型图 1 为带 LCL 滤波器的单相并网逆变电源结构，由直流回路、开关器件逆变桥、LCL 滤波、交流回路组成。假设直流母线电压不存在波动，开关器件为理想的元件；当开关频率远大于 50Hz 时，可以认为逆变桥为线性系统 6。1V T2V T4V T3V T1V D2V D3V D4V D1L2LCgucu1i
10、2id cU图 1 带 LCL 单相并网逆变电源结构Fig.1 Single-phase grid-connected inverter structure with LCL filter单相 LCL 滤波器，由逆变器侧电感 L1、直流滤波电容 C、网侧电感 L2 组成 7-10。不考虑电网电压的影响，并且忽略各元件寄生参数，从逆变电压 uc 分别到逆变器侧电流 和网侧电流 的传递函数为：1i2ig 2i()03c11s| ()usICGUL（）g2i2()03c1212| s()usIs（）当滤波电容 时，式(2)可以写为：Cg2i2()0c12)|()usIGULs（）此时 LCL 滤波器
11、就变成了 L 滤波器，取 LCL 滤波器参数：L 1=L2=2.5mH， ；并结合式(2) 、5F(3)，绘制二者的幅频曲线，如图 2 所示。由图可知：在低频段，LCL 滤波器和 L 滤波器幅频特性相同；在高频段，LCL 滤波器由于滤波电容 C 原因衰减能力显著增强。另外，LCL 滤波器引入滤波电容提高了系统阶数，幅频特性表现为三阶滤波特性，并且谐振频率出现幅值尖峰和相位剧变，这将影响到系统闭环控制稳定性增加设计难度。幅值/dB频率/H z1 001 011 021 031 041 05- 2 0 0- 1 5 0- 1 0 0- 5 005 01 0 01 5 0LL C L图 2 L/与
12、LCL 滤波器幅频特性Fig.2 Amplitude frequency characteristics of L/ and LCL filter2 控制策略2.1 传统的控制策略并网逆变电源内环控制是控制馈入电网电流的相位和幅值，使得电流的功率因数和电流畸变率等指标符合一定的标准。传统 LCL 电流控制根据反馈不同位置的电流量分为以逆变器电流为反馈量的间接电流控制和以网侧电流为反馈量的直接电流控制，二者的控制结构如图 3 所示。1L2LCgu1i2iiGfG*icufi( a ) 网侧电流反馈1L2LCgu1i2iiGfG*icufi( b ) 逆变器侧电流反馈图 3 传统 LCL 电流控制
13、结构Fig.3 Traditional LCL filter current control structure以网侧电流 i2 为内环控制量的闭环控制结构如图 3(a)所示，忽略控制环节和反馈环节仅相对应的开环传递函数为：（）o2ui2G()()s根据式(4) 绘制网侧电流闭环控制系统根轨迹如4(a)所示。图中可以知道，闭环系统系统存在两支右半平面的根轨迹，无论控制器增益选得多么小总是会有两个处于右半平面的极点，因此系统是不稳定的。以逆变器侧电流 i1 为内环控制量的闭环控制结构11如图 3(b)所示，相对应的开环传递函数为：（）o1i1G()()us逆变电压 uc 到逆变器侧电流 i1 的
14、传递函数 Gui1(s)中除有与 Gui2(s)相同的共轭极点外，还有一对共轭零点，而且该零点的谐振频率比极点的要低，共轭零点的存在提高了系统的稳定性 6。图 4(b)是逆变器侧电流闭环控制的根轨迹，从图中可知，只有当开环增益无限的时有两个根接近虚轴，其余的情况各个根均在左半平面，选择合适的参数系统就能在稳定运行。网侧电流闭环控制直接控制馈入电网电流，能够保证系统具有较高的功率因数，但网侧闭环控制系统不稳定同时也无法起到保护开关器件过流保护。相比而言，逆变器侧电流反馈控制系统稳定裕度大控制器设计难度低，由于没有控制网侧电流无法保证系统工作在高功率因数状态；尤其是当滤波电容与网侧电感发生谐振时，
15、会导致入网电流波形发生畸变。- 2 - 1 . 5 - 1 - 0 . 5 0 0 . 5 1- 2- 1 . 5- 1- 0 . 500 . 511 . 52虚轴/104实轴/1 03虚轴/104实轴/ 1 03- 4 - 3 - 2 - 1 0 1- 2- 1 . 5- 1- 0 . 500 . 511 . 52（ a ） 网侧电流反馈控制（ b ） 逆变器侧电流反馈控制图 4 电流反馈控制根轨迹Fig.4 Root locus of current feedback control2.2 电流加权控制策略针对间接电流控制存在系统稳态相位误差和电流失真，直接电流控制有存在稳定裕度不够高等问
16、题，本文提出一种电流加权控制策略，如图 5 所示。1L2LCgu1i2iiG*icu图 5 LCL 加权电流控制结构Fig.5 LCL current weight control structure定义加权电流 is，于是：(6)12i从逆变器输出电压 uc 到加权电流 i2 的传递函数为：(7)2sis 3c11()s(LCGu式中 、 为加权系数。从式（7）中可以知道，以加权电流为反馈量的传递函数具有三个极点和两个共轭零点。加权电流反馈控制通过调整加权系数 、 大小改变传递函数的共轭零点分布位置，从而改变系统的性能。当 =1、 =0，式（7）可以改写为式（1） ，此时系统性能与逆变器侧电
17、流闭环控制相同；当=0、 =1，加权反馈电流等于网侧电流，传递函数无零点系统不稳定。因此， 值大小反映了系统稳定性， 值的大小反映功率因数等性能。为了获得良好的控制性能通常配置系统的零点极点位置使得零极点相消或者接近，降低系统阶数。加权电流反馈控制中，可以适当选择加权系数 、 值使得三阶的控制系统将为一阶系统，从而消除由于极点谐振峰值带来的稳定裕量不足的问题，使得 PI 调节的比例增益可以选择比较大的值减小系统稳态误差和提高动态性能。当加权系数 、 均满足：(8)121L将式（8）代入式（7） ， 将简化成一阶系is()G统：(9)is12()L式 (8)、(9)表明，当逆变器侧电流反馈加权系
18、数等于变压器侧电感量除上总电感量且网侧电流反馈加权系数等于网侧电感量除上总电感量时，系统满足零极点相消的条件系统最终从三阶系统降成一阶系统。上面分析中没有考虑到电网阻抗的影响，而在实际应用中，电网存在阻抗并随着工作状况改变而变化12。假设电电网电感量为 ，从逆变器输出电压 uc 电流 is 的传递函数为：(10)2si 3c121()()sG)LCu如果加权系数按照原来的值配置零极点，系统无法实现零极点相消，如式(11)所示。式(11)表明，系统的开环增益由 LCL 滤波器总电感量决定与理想条件时的开环增益相等；由于 存在系统的共轭零点与共轭极点无法对消，系统不能简化成一阶系统，随着 的增大共
19、轭零极点的距离也增大零极点相消的效果也随之减弱。图 6 是不同 值时从逆变器输出电压 uc到加权电流 is 传递函数的伯德图。电网电感 增大，中低频幅值衰减越大，图中 时幅频曲线中频段0幅值比 =0.5(L1+L2)时要高；高频段主要取决于滤波电容，与 的大小无关。电网电感 不等于 0 时，系统仍然存在共轭零极点，这与逆变器侧电流反馈情况相似。共轭零点的谐振频率小于共轭极点的谐振频率；共轭零点的谐振频率随着电网电感 增大而变小，共轭极点的谐振频率也随着电网电感 增大往左移动的同时谐振幅值变大；虽然零极点无法相消，低谐振频率的共轭零点却大大提高了系统的稳定裕度。综上可得，电网阻抗使得原来的平均电
20、流反馈系统无法简化成一阶系统，温度裕度有所下降，因此在设计控制器时应充分考虑电网阻抗的影响留足裕度。(11)2s11ic12()()s)LCLGus幅值/dB频率/ H z1 021 031 04- 2 0 0- 1 5 0- 1 0 0- 5 005 01 0 01 5 01 . 5 L1 L0 . 5 L0 L图 6 不同电网电感时加权电流控制特性Fig.6 LCL current weight control characteristics with different grid inductances3 仿真结果为了验证上述理论分析和控制策略的正确性，在Matlab/Simulink
21、中搭建 LCL 加权电流控制仿真系统13。系统额定功率 5kW，直流电压为 400V，网侧电压有效值 220V，开关频率为 6kHz 开关器件死区设为2s。滤波器参数 L1=L2=2.5mH，C=5F。由 LCL 滤波器谐振频率公式：（12 ）12resf可以计算滤波器的谐振频率为 2013Hz，该频率约在 40 次谐波附近。仿真结果如图 79 所示。0 . 2 2 0 . 2 3 0 . 2 4 0 . 2 5 0 . 2 6 0 . 2 7 0 . 2 8 0 . 2 9 0 . 3- 3 0- 2 0- 1 001 02 03 0时间/ s电流/A谐波次数幅值(占基波百分比)0 2 0
22、4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 000 . 511 . 52( a ) 侧 侧 侧 侧 侧 侧( b ) 侧 侧 侧 侧 侧 侧图 7 逆变器侧电流 i1及其谐波频谱Fig.7 Inverter side current and harmonic spectrum时间/ s电流/A0 . 2 2 0 . 2 3 0 . 2 4 0 . 2 5 0 . 2 6 0 . 2 7 0 . 2 8 0 . 2 9 0 . 3- 6 0- 4 0- 2 002 04 06 0iu谐波次数幅值(占基波百分比)0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 000
23、 . 511 . 52( a ) 网侧侧电流 、 电压 ( b ) 电流谐波频谱图 8 网侧电流 i2及其谐波频谱Fig.8 Grid side current i2 and harmonic spectrum时间/s电流/A0 . 2 2 0 . 2 3 0 . 2 4 0 . 2 5 0 . 2 6 0 . 2 7 0 . 2 8 0 . 2 9 0 . 3- 6 0- 4 0- 2 002 04 06 0iu电压/5V谐波次数幅值(占基波百分比)0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 000 . 511 . 52( a ) 网侧电流( b ) 电流谐波频谱图
24、9 电网存在电感网侧电流、谐波频谱Fig.9 Grid side current and harmonic spectrum with grids inductance图 7 是逆变器侧电流 i1 及其谐波频谱，加权电流控制策略中逆变器侧电流 i1 直接参与反馈控制所以谐波含量较少，总谐波畸变率为 4.38%，主要有3、5、7、9 等奇次谐波。另外，虽然 LCL 谐振频率附近的谐波幅值被放大但最大幅值低于基频幅值的 2%。图 8 是网侧电流 i2 及其谐波频谱，与 i1 相比网侧电流 i2 波形明显有改善，电流畸变率仅有 1.33%，电流谐波分布与 i1 类似电容滤波使得各次谐波幅值减小，LC
25、L 谐振频率附近的谐波最大幅值低于基频幅值的 2%。网侧电流与网侧电压几乎是同相位，功率因数为0.998 接近单位功率因数。图 9 是电网电感量 等于 L1+L2 时，网侧电流 i2和其谐波频谱。与理想条件下相比， 不为零网侧电流 i2 更为光滑，谐波含量更少。只是电流相位偏差增大，此时的的功率因数为 0.960，略有下降。实验表明，加权电流控制在电网阻抗变化时仍然具有良好的工作性能。4 结束语通过对 LCL 滤波器的理论分析和仿真结果得到以下的结论：(1)通过比较 L 滤波器与 LCL 滤波器的滤波特性，可知在低频段两者幅值的衰减速度相同，中频率段LCL 滤波器出现幅值谐振，高频段 LCL
26、滤波器具有更强的衰减能力；(2)网侧电流闭环控制能够保证系统具有较高的功率因数，但网侧闭环控制系统不稳定；逆变器侧电流反馈控制系统稳定裕度大控制器设计难度低，无法保证系统工作在高功率因数状态；(3)加权电流闭环控制可以适当选择加权系数使得三阶的控制系统将为一阶系统，使得系统具有较宽的稳定裕度和较高的功率因数。实验结果表明，电流加权控制能有效入网谐波，功率因数高。电网阻抗增大时，不因影响系统的稳定性，入网电流谐波下降，功率因数略有下降。参考文献1. 沈国桥, 徐德鸿. LCL 滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制J. 中国电机工程学报, 2008, 28(18): 36-41.SHEN Guo-q
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