LCL并网逆变器的电流双闭环控制

刘文军，周 龙，陈 剑，唐西胜，宋 毅，何禹清



LCL并网逆变器的电流双闭环控制

刘文军1，周 龙2，陈 剑1，唐西胜2，宋 毅3，何禹清1

(1.国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南 长沙410004；2.中国科学院电工研究所，北京100190；3.国网北京经济技术研究院，北京102209)

采用LCL滤波器作为电压型并网逆变器与电网的接口，建立LCL滤波器的数学模型，提出一种基于电网侧电流外环、逆变器侧电流内环的LCL并网逆变器控制方法。该控制方法既能有效保护功率开关，又能保证系统稳定及并网电流的单位功率因数。针对该电流双闭环控制方法，给出一种基于赫尔维茨稳定判据及李纳德-戚帕特稳定判据的内外环控制器参数设计方案。进行了LCL并网逆变器并网运行仿真与实验。仿真和实验结果验证了所提LCL并网逆变器控制方法的正确性和可行性。

并网控制；并网逆变器；双闭环控制；LCL滤波器；功率因数

0 引言

随着人们对能源问题与环境问题的日益重视，风力发电、光伏发电等可再生能源得到了广泛应用。并网逆变器作为可再生能源发电系统与电网连接的核心接口装置，直接影响到整个发电系统的并网性能，近年来已得到了国内外研究学者的广泛关注[1-4]。

为抑制可再生能源发电系统注入电网电流的谐波, 传统并网逆变器在接入电网之前串入L滤波器。与L滤波器相比，LCL滤波器由于可用较小的总电感量实现较理想的谐波抑制效果，成本优势明显，已在电压型并网逆变器中成为首选[5-8]。但LCL滤波器是一个三阶系统,对系统的控制策略提出了更高的要求。文献[9-10]指出如果直接采用典型的电网侧电流直接闭环的控制策略，系统不稳定，且不利于功率开关的保护。文献[11-12]采用逆变器侧电流闭环的控制策略，该策略易于系统稳定，且可以更有效地保护功率开关，但属于间接并网电流控制，电容支路的分流作用会降低并网电流功率因数。文献[8，13]提出采用电网侧电流和电容电流双闭环控制策略，用电容电流内环来增加系统阻尼，从而可抑制系统振荡，但该方法在功率开关的保护上有待完善。文献[14]提出一种基于逆变器侧电流闭环和电容电流前馈的并网逆变器控制策略，所增加的电容电流前馈环节在一定程度上提高了并网电流功率因数，但该策略仍属于间接并网电流控制。

本文提出了一种基于电网侧电流外环、逆变器侧电流内环的LCL并网逆变器电流双闭环控制方法。该控制方法既能有效保护功率开关，又能保证系统稳定及并网电流的单位功率因数。首先建立了LCL滤波器的数学模型，然后给出了LCL并网逆变器的控制方法，接着给出了内外环控制器的参数设计方案，最后对所提控制方法进行了仿真与实验验证。

1 主电路拓扑与LCL滤波器数学模型

图1为带LCL滤波器的三相电压型并网逆变器的主电路拓扑，由直流电源dc、直流母线电容dc、并网逆变器、LCL滤波器等组成。LCL滤波器由电网侧电感g、逆变器侧电感conv、滤波电容组成。

由图1可知

(2)

(3)

式中：convk、gk、ck(kabc)分别为逆变器侧电流、电网侧电流、电容电流；convk、ck、k(kabc)分别为逆变器侧电压、电容电压、电网电压。

将式(1)、式(2)、式(3)分别变换到dq坐标系下，可得

(5)

(6)

式中：convm、gm、cm(mdq)分别为逆变器侧电流、电网侧电流、电容电流的dq分量；convm、cm、m(mdq)分别为逆变器侧电压、电容电压、电网电压的dq分量；为电网电压角频率。

2 LCL并网逆变器控制方法

基于电流双闭环的LCL并网逆变器的控制方法如图1所示。由图1可知，LCL并网逆变器采用电网侧电流外环、逆变器侧电流内环的双闭环控制策略。

具体工作过程：首先通过电网电压锁相环获得与d轴同相位的电网电压矢量的相角及电网电压d轴分量d。然后利用将三相静止坐标系下的电网侧电流gagbgc和逆变器侧电流convaconvbconvc分别变换到两相旋转坐标系下的直流电流分量gdgq和convdconvq。接着通过公式igd=2P/(3d)与公式igq=-2/(3d)由并网有功、无功功率指令值P、计算出igd、igq作为电网侧外环的给定信号，并令无功功率指令值为零，使得系统以单位功率因数运行。再将电网侧外环的输出信号iconvd、iconvq作为逆变器内环的给定信号。逆变器内环的输出信号与逆变器侧电流前馈解耦项-convconvq、convconvd相加后分别输出uconvd、uconvq，并利用将uconvd、uconvq从两相同步旋转坐标系变换到两相静止坐标系下的调制信号uconvα、uconvβ。最后，将uconvα、uconvβ送给SVPWM调制器生成PWM脉宽调制驱动信号。

3 控制器参数设计与稳定性分析

3.1 稳定条件分析及参数设计

采用图1所示的igq=0及逆变器侧电流前馈解耦控制策略，并忽略cq时，根据式(4)、式(5)、式(6)可推出逆变器侧轴电流控制器的结构图如图2所示，电网侧轴电流控制器的结构图如图3所示。

图3中r(1r)为逆变器的传递函数，由于r很小，这里采用近似关系式(1r)1。根据图3可得电网侧轴电流环的开环传递函数为

电网侧轴电流环的闭环传递函数为

(8)

式(7)、式(8)中

其中

由式(8)可知，电网侧电流外环的特征方程为g()0。根据赫尔维茨稳定判据及李纳德-戚帕特稳定判据可得，电网侧电流外环稳定的充分必要条件为g()的各项系数为正，且

(9)

由式(9)、式(10)可解出电网侧电流外环控制器参数gpgi的边界值。

在进行控制器参数设计时，逆变器侧电流内环控制器的参数ipKii的设计可结合文献[9]分别按式(11)、式(12)进行初步设计，然后可在仿真及实验中进一步调整。

(12)

其中，ζ一般取为0.707。

确定逆变器侧电流内环控制器的参数后，再进行电网侧电流外环控制器的参数设计。这里可采用“振荡指标法”[13]并结合式(9) 、式(10)所确定的gp、gi的边界条件获得一组参数，然后利用仿真软件对这组参数进行一定程度的优化微调，以确保系统具备足够的稳定裕度，同时尽可能兼顾系统的动态性能。

3.2 设计实例

LCL滤波器及逆变器参数如表1所示。

表1 LCL滤波器及逆变器参数

将表1中的数据代入式(11)、式(12)可得ip=153,ii=307 230，即得到逆变器侧电流内环控制器参数。将ip=153,ii=307 230及表1中的数据带入式(9)、式(10)可分别得到式(13)、式(14) (详细推导过程因篇幅限制从略)。

(14)

综合式(13)、式(14)可得

且当gp=0.3时，由式(10)进一步可得

(16)

由式(16)可知，当gp取为0.3时，0

当gp=0.2时，由式(10)进一步可得

由式(17)可知，当gp取为0.2时，0

图4为电网侧电流外环在不同控制参数下的开环伯德图。可见，各组参数均能较好地抑制系统谐振现象。综合考虑系统的带宽、稳定裕度、稳态精度及动态性能，选择第4组参数gp=0.2,gi=300作为电网侧电流外环控制器的初始参数，然后在仿真或实验中可在此参数基础上做进一步的微调。

4 仿真与实验

4.1 仿真

为验证所提并网逆变器控制方法的正确性，利用Matlab/Simulink进行了仿真研究。电网线电压有效值为380 V,电网频率为50 Hz, 直流电源电压dc为700 V，LCL滤波器参数与表1相同。

控制器参数如表2所示。

表2 控制器参数

当并网有功功率指令值P为18.7 kW时，igd=2P/(3d)=2×18700/3/311=40A，电网a相电压a(为了便于比较，电网电压作1/8处理)、电网侧a相电流ga、逆变器侧a相电流conva仿真波形如图5所示。

从图5可以看出，并网电流ga与电网电压a同相位，并网逆变器以单位功率因数运行。

电网侧电流的轴分量如图6所示。

从图6可以看出，并网电流的轴分量在0附近，保证了并网电流分量的合成矢量与电网电压矢量同向，进而保证了并网逆变器以单位功率因数运行。

4.2 实验

为进一步验证所提逆变器并网控制方法的正确性，搭建了LCL并网逆变器实验平台，完成了并网运行实验研究。实验参数与仿真参数相同。

当P为18.7 kW，即为40 A时，电网a相电压a、电网侧a相电流ga、直流母线电压dc的稳态运行波形如图7所示。

从图7可以看出，在稳态过程中系统运行稳定，并网电流ga与电网电压a同相位，并网逆变器以单位功率因数向电网输送能量。

从图8可以看出，系统在半个周期内即可进入稳定运行状态，说明系统具有较快的动态响应能力。此外还可以看出，在起动前，虽然并网逆变器相当于开路，但由于LCL滤波器中滤波电容的存在，并网电流ga电流并不为零。

5 结论

本文提出了一种基于电网侧电流外环、逆变器侧电流内环的LCL并网逆变器电流双闭环控制方法。该控制方法既能有效保护功率开关，又能保证系统稳定并网电流的单位功率因数。给出了内外环控制器的参数设计方案。进行了LCL并网逆变器并网运行仿真与实验。仿真和实验结果验证了所提LCL并网逆变器控制方法的正确性和可行性。

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(编辑 张爱琴)

Control method for grid-connected inverter with LCL filter by employing dual current closed-loops

LIU Wenjun1, ZHOU Long2, CHEN Jian1, TANG Xisheng2, SONG Yi3, HE Yuqing1

(1. Hunan Electric Power Corporation Economical & Technical Research Institute, Changsha 410004, China;2. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

A LCL filter is adopted as an interface between grid-connected inverter and power grid. The mathematical model of the LCL filter is built, and then a control method for grid-connected inverter with a LCL filter is proposed. This control method employs an external grid-side current loop and an internal inverter-side current loop. And this control method can not only protect power switches effectively, but also ensure the system stability and high in-grid power factor. Based on the Hurwitz stability criterion and Lienard Chipart stability criterion, the design method of controller parameters in inner and outer loops is derived. Simulations and experiments of grid-connected inverter in grid-connected mode are conducted. Simulation and experimental results validate the correctness and feasibility of the proposed method. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51207156).

grid-connected control; grid-connected inverter; dual closed-loop control; LCL filter; power factor

10.7667/PSPC151638

国家自然科学基金项目(51207156)

2015-09-14；

2016-01-21

刘文军(1986-)，男，博士，工程师，研究方向为微型电网、电网规划；E-mail: wenjunliu1346@163.com