一种新型LCL并网逆变器复合控制方法的研究

2018-01-12王阗姝杨旭红

电气自动化 2017年5期

王阗姝，杨旭红,2

(上海市电站自动化重点实验室，上海电力学院自动化工程学院，上海 200090)

0 引言

微电网的快速发展导致了电力电子器件在电网中的大量使用。作为可再生能源发电单元与电网之间的能量变换接口，逆变器在微电网并网中起着不可或缺的作用。并网逆变器用来将直流电能转化为高质量的交流电能并馈入电网，并对基于可再生能源的分布式发电系统的安全、稳定和高质量运行十分重要。LCL型滤波器相较于L型滤波器，其对高频谐波有更强的抑制能力，所以在并网逆变器中比较常见。

并网逆变器控制大致分为3种：电流控制；电压控制；模拟同步电机控制。本文主要研究的是逆变器电流控制策略。在电流控制中有分PI控制，PCI控制，PR控制，重复控制，滞环控制等等。

LCL型滤波器普遍具有三阶的低通滤波特性。因此可以使用较小的滤波电感，使其有效减少系统的体积并降低损耗。但是，LCL型滤波器的三阶特性即在谐振频率处增益会无穷大，同时相位发生180°跳变，这会导致系统发生振荡甚至不稳定[1]。因此，对LCL滤波器的参数选择对谐振的抑制十分重要。

对于谐振的抑制，方法之一是有源阻尼法中的以电容电流为反馈变量陷波器校正法[2-3]。该方法只需在反馈通道配置一个比例环节，且不受系统参数影响，易实现基于陷波器校正的LCL并网逆变器的有源阻尼控制[4]。文献[5]运用了电流控制策略中的PI控制，但对模型进行分析，可知其在滤波电容中并上负载，负载的增加会对谐波产生影响，不是真正意义上的LCL型滤波器。文献[6]运用了PCI的控制研究，通过对其仿真结果进行分析可知，虽然THD已达到并网要求，但仍不理想，本文在此基础上提出一种新型的复合研究，即PI与PCI相结合的控制方式，通过理论和仿真分析，验证了该策略的可行性与正确性。

1 逆变器的数学模型

LCL型滤波器的单相逆变器并网的主电路如图1所示。

图1 LCL型滤波器单相逆变器并网

图中，Vdc是直流源电压。L1、L2和C分别是逆变侧滤波电感、网侧滤波电感和滤波电容，与之相应的i1、i2和ic分别为逆变侧的电感电流、并网(网侧)电流和电容电流，它们构成LCL滤波器。可推出u0到并网电流i2的传递函数为：

式中w为LCL滤波器的谐振角频率。其表达式为:

(2)

2 PI和PCI复合控制方法的设计

图2即为单相LCL型并网逆变器及其控制结构，对并网逆变器而言，其首要目标是控制并网电流i2，使其与电网电压同步，并使其幅值跟踪给定值I*。一般情况下，Vg的相位由锁相环(PLL)获得，I*由外部电压环产生，由于电压环的响应速度远低于并网电流环，所以可以对并网电流环进行单独分析[7]。本文采用的是电压源输入，电流控制输出模式，内环通过反馈电容电流来抑制谐振，外环通过PI+PCI新型复合控制器对并网电流进行跟踪。Hi1为ic的反馈系数，Hi2为i2的采样系数。根据图2可得到LCL型并网逆变器的数学模型如图3所示。

KPWM为调制波到逆变桥输出电压的传递函数。Z1，Z2，Z3分别为电感L1，电容C和电感L2的阻抗。

其表达式为:

Z1(s)=sL1

(3)

(4)

Z3(s)=sL2

(5)

图2 单相LCL型并网逆变器及其控制结构

图3 LCL型并网逆变器的数学模型

3 控制器设计

3.1 PI控制

并网逆变器的控制目标是实现输出电流对给定指令的快速准确跟踪，为了取得理想的稳态和动态性能指标，逆变器的电流控制需要有良好的随动性能，因此采用PI电流调节器。其传递函数为：

(6)

式中kp为比例系数，ki为积分系数。

由于PI控制比较简单所以在工程中大量运用。PI控制在跟踪交变的信号时会存在一定误差，因此引入PCI控制与其相结合。

3.2 PCI控制

与传统PI控制器相比，比例复数积分控制即PCI控制在基波频率处增益无穷大，可以更好地消除稳态误差。

PCI控制器的传递函数：

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