极点配置双闭环控制单相并网逆变器研究

宋怀祥

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

太阳能、风能等新能源并网发电技术的发展为解决供电日益紧张问题提供了很好的解决途径，而并网逆变器作为并网发电技术的核心已经逐渐成为人们研究的重点[1-2]。由文献[3-4]可知常在并网逆变器输出侧用LCL 滤波器抑制高次谐波，但由于LCL滤波器本身存在谐振会对系统的稳定性产生很大影响，文献[5-6]中采用直接在LCL 滤波的电容支路串联电阻的无源阻尼的方法抑制谐振，但会增加系统损耗，降低效率。另外电网电压的扰动会导致并网电流的畸变，该问题在文献[7]提出用电网电压前馈法来解决。

本文采用一种带有电网电压前馈的电流双闭环控制策略，其中网侧电感电流为外环，电容电流为内环。采用电流双闭环控制可以提高控制系统的稳定性，并用极点配置法设计控制器。分析加入电网电压前馈可使电网扰动对LCL 滤波器的影响得以消除的原因。最后通过仿真和实验验证方案的可行性。

1 隔离并网系统的LCL 滤波分析

1.1 单相隔离并网逆变器拓扑结构

图1所示为单相隔离并网逆变器主电路的拓扑结构，其中直流侧电压为Udc，逆变器侧电感L1的电流为i1，滤波电容C的电流为ic，网侧电感电流为i2，电网电压为ugrid，匝数比为1:1 的变压器T使电网与逆变器隔离，可提高安全性。

图1 单相隔离并网逆变器主电路拓扑结构

1.2 LCL 滤波分析

由图2可得其输出电流i2与输入电压ul之间的传递函数。

图2 LCL 滤波等效原理图

式中，i1，ic，i2分别为电感L1的电流、电容C的电流和电感L2的电流，ui，uc，uo分别为LCL 滤波器的输入电压、电容两端电压和输出电压。由于电阻R1和R2很小，可以忽略不计。

电容支路串入阻尼电阻R后输出电流i2与输入电压ui之间的传递函数为

由文献[8]提出的LCL 滤波器参数设计方法及限制条件可知阻尼电阻取值一般为谐振频率处滤波电容C容抗ZC的1/3。所以合适的阻尼电阻值的计算式为

式中，fc为LCL 滤波器的谐振频率。

合适的 LCL 滤波器参数可选为L1= 2 .0mH ，C= 9.5μF ，L2=1.0mH，R=10Ω。其中图3为选取不同阻尼值时Bode 图对比。

图3 不同阻尼Bode 图

2 控制策略分析及调节器参数设计

图4 加阻尼并带电网电压前馈的电流双闭环控制等效结构框图

由（4）式可得电流双闭环控制系统的特征方为

比较（5），（6）两式可得

由此可知，式（7），（8），（9）为基于极点配置设计的双闭环控制系统的P 和PΙ 调节器的参数。若按常规方法设计双闭环控制系统的调节器的参数，则要考虑P 和PΙ 两调节器之间的频带宽度和响应速度的互相影响与协调问题，调节器设计步骤很复杂，且需反复试凑验证。而用极点配置的方法设计控制器的参数时，将会使设计过程得到很大简化，能使其高性能指标得到满足。此设计方法优越性明显。

3 电网电压前馈去扰动分析

电网电压在并网发电系统中可被视为扰动信号，为了使电网电压干扰作用减弱或消除，需加入电网电压前馈控制。由图4可推导出带电网电压前馈时，电网电压对入网电流的扰动影响的传递函数

由式（10）可知，要想克服电网电压对入网电流的扰动影响，则可令式（10）中的Gg(s) =1/kPWM，加入电网电压前馈可大大减少其对进网电流的干扰，使系统的外特性得到改善。

4 仿真及实验分析

4.1 仿真分析

根据分析建立加阻性负载的单相隔离并网逆变器仿真模型。仿真参数分别为：直流输入电压为400V，电网电压有效值为220V，电网电压频率为50Hz，调节器参数分别为k=1.5，kp=0.6，ki= 800，开关频率为10kHz。图5为在阻性负载下逆变器工作由半载在0.3s 时刻突变到满载的变化仿真波形。由仿真波形可知，入网电流和电网电压同频同相，在入网电流突变时能快速响应，突变后能快速恢复稳定运行。

图5 并网电流从半载到满载变化仿真波形

4.2 实验分析

根据分析设计了一台3kW 的单相隔离并网逆变器样机，逆变模块采用三菱的ΙPM 模块，主控芯片采用TMS320LF2407 型DSP 芯片，直流侧输入电压用直流稳压电源模拟。图6为逆变器加阻性负载半载到满载的变化波形，从实验波形可知并网电流与电网电压基本同频同相，负载突变后能很快稳定运行，实验波形与仿真波形基本相同。

图6 并网电流从半载到满载变化实验波形

5 结论

仿真和实验结果表明，采用基于加阻尼的带电网电压前馈的电流双闭环控制策略的能使网侧逆变输出电流很好地与电网电压保持同频同相并实现并网且无冲击，且在负载突变情况下变化不大。从而验证采用的控制策略的正确性与可行性。

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