单相LCL并网逆变器控制技术分析

杨昆桦

单相LCL并网逆变器控制技术分析

杨昆桦

（武汉理工大学，湖北 武汉 430000）

围绕单相LCL并网的逆变器相应控制技术开展深入研究及探讨，希望能够为今后此方面技术应用及研究工作的高效化进展提供指导性的建议或者参考。

单相LCL；逆变器；控制技术；控制参数

由于近几年全球能源方面的问题更为突出，分布式的发电在全球范围内得以广泛应用及迅猛发展。因并网的逆变器属于分布式的发电装置核心构成部分，设计及控制技术优劣程度，均会对电能实际质量产生直接影响。在这一背景之下，单相LCL并网的逆变器及其控制技术逐渐成为了国内研究的重点。对此，深入研究单相LCL并网的逆变器相应控制技术，有一定现实意义及价值。

1 单相LCL类型并网的逆变器概述

近几年来，世界各国均在积极探索能够克服世界范围能源危机的重要手段或者方法，光伏、风力等各种分布式的发电系统得到广泛关注及重视。单相并网的逆变器作为分布式的发电系统内部控制及转换能量核心部门，它的各项性能往往会对并网系统整体质量产生直接影响。为能够对逆变器谐波输出产生一定抑制作用，需在电网与并网的逆变器相互间加设滤波器，并网的逆变器实际所输出的滤波器有三种类型，即为LCL、LC、L。L单电感的滤波器，属于一阶系统，整体结构十分简单，只有处于较大电感条件下，才会对谐波产生一定抑制作用，系统成本相对较高，且会对系统动态化的性能产生一定影响；LC的滤波器，属于二阶系统，对所输出电流高频纹波无平抑作用，极易由于电网的阻抗角各种不确定性因素，以至对滤波效果产生影响；LCL型号的滤波器，针对高频谐波的电流方面衰减作用较为强烈，小电流条件下可获取良好滤波效果，其网侧电感可对冲击的电流产生抑制作用。对此，LCL型号的滤波器可获取较高质量进网的电流。然而，LCL型号的滤波器属于三阶系统，极易引发系统谐振现象，影响系统整体稳定性，需抑制谐振的尖峰。

LCL型号的滤波器抑制谐波振的方法有源阻尼、无源阻尼。无源阻尼法，指在滤波电容或者电感支路上面并联或者串联电阻，将系统阻尼增加，滤波电感支路所串联电阻促使滤波器低频增益降低；并联电阻促使滤波器高频增益降低；滤波电容的支路上面所串联电阻，促使滤波器高频增益降低，并联电阻并不会对低频及高频的增益产生影响，但却会出现较大损耗情况。有源阻尼主要通过对控制算法改进处理，即引入滤波电容或者电感的电流、电压内环后，构造出虚拟阻抗，便于对谐振产生抑制作用，此种方法无需配备其他无源的元件，损耗功率问题并不存在。文中所阐述的单相LCL类型并网逆变器以网侧电感的电流为外环，并用滤波电容的电流为内环双闭环式控制技术，积极引入了电容电流的内环构造下虚拟阻尼，将系统阻尼增加，对谐振产生良好抑制作用，网测电感的电流外环可对并网电流实现直接控制，确保进网电流有着较大的功率因数。

2 系统总控制框架

在含有单相LCL类型并网的逆变器主电路当中，直流的输入电压为dc，逆变器侧的输出电流为L1，滤波的电容电流为c，电网侧的输出电流为L2，电网电压为Grid。文中设计单项的逆变器1 kW/220 V基础模型，=20 kHz为其开关的频率，dc=400 V为其直流的电压，该LCL型号的滤波器各项参数为2=2 mH、=5 μF、1=3 mH。对谐振问题加以分析，需对单项LCL类型并网的逆变器，通过网测电感的电流单环形式实现直接控制，可获取进网电流L2、PI输出（）相互传递的函数关系列式，即L2（）/（）=pwm/12s3+（1±2）。该式中，逆变器的等效比环节pwm=400，通过在PI的控制器后，积极引入电容电流的内环控制，便可获取到PI所输出（）及进网电流L2相互间传递的函数关系列式：L2（）（）=pwm/12s3+pwm2s3+（1+2）。通过该式，能够获取频特性的曲线。从该曲线中即可了解到引入网测电流实现直接控制期间，该系统谐振的频率会存在着较大尖峰值情况，添加电容电流的内环控制科学技术后，尖峰得以有效抑制。电容电流的内环反馈，可促使系统阻尼增加，提升系统整体稳定性。

3 分析系统的稳定性与各项控制参数

为了解电容电流的内环，针对系统整体运行稳定性方面具体影响，需选相应控制参数，获取到电容电流的内环传递具体函数关系列式：（）（）=pwm2s3/12s3+pwm2s+1+2。通过该式，能够获取电容电流C所反馈调节器的内环轨迹。从中即可了解到，pwm内环增益无法改变，该系统根轨迹一直处于复平面左侧半平面中。对此，以电容电流C为基础反馈调节器，其内环控制一直处于稳定状态。依据上式，可求得该入网电流实际开环传递基本函数特征的阻尼系统方程列式：

从该式可知，内环反馈的系数越大，则系统阻尼就相对越大，对谐振尖峰就有着更加的抑制效果。然则，阻尼若过于大，则会导致系统响应的速度逐渐放慢。为兼顾吸引阻尼的效果及动态化响应的速度，要求工程实践当中选取=0.706。同时，获取系统开环传递的函数关系列式：L2（）=*L2（）－L2（）=pwmp+pwmi/12s3+pwm23+（1+12）2。

从根轨迹中可了解到，若想维持系统稳定的运行状态，需对选定最适宜调节器的i及p参数，确保系统根轨迹处于复平面所致左侧半平面位置。

系统闭环传递的函数关系列式为：

L2（）*L2（）=pwmp+pwmi/44+33+22+1+0，该式中，0=pwmi；1=pwmp；2=1+12；3=pwm2；4=12。

闭环系统特征方程列式为：（）=124+pwm23+（1+2）2+pwmp+pwmi。依据劳斯稳定学判断依据，能够获取系统稳定性运行基础条件表达列式：1+2－p1＞0，且p（1+2－p1）－pwmi2＞0。对此，选定最适宜调节器的各项参数，可确保系统处于稳定的运行状态。通过分析电容电流的双闭环式控制系统及入网电流处于p不同参数值条件下伯德图后可了解到，越小的p参数值，谐振的尖峰值也就相对越小。但是，系统带宽会随之降低，对系统动态化响应的速度有着一定影响；通过分析电容电流的双闭环式控制系统及入网电流处于i不同参数值条件下伯德图后可了解到，越大的i参数值，谐振的尖峰值也就相对越小。但是，系统相角的裕度会降低，对系统整体运行稳定性有着一定影响。结合以上分析论述可表明，文中PI的调节器各项参数取值即为：i=1 200，p=0.5。

4 系统仿真

为进一步验证文中控制技术动态性能、良好稳态及正确性，借助PSIM9.0的仿真系统软件，针对于此系统实施仿真分析。通过单电感式滤波并网的逆变器电网电压、并网电流缩小至5倍波形，可了解到进网电流高频谐波的分量相对较大，单电感L类型滤波器高频滤波整体效果相对较差一些。通过分析i=1 200，p=0.5条件下，电流双环式控制稳态仿真的波形可了解到，电网电压与并网电流处于同频同相状态下，功率因数比较接近于1。双闭环的控制之下，并网电流谐波含量减少趋势明显。通过分析i=1 200，p=1.6条件下，电流的双闭环式控制稳态仿真的波形后可了解到，此系统临界的稳定p参数值即为1.6，对比正常稳定条件下并网电流的波形，临界稳定条件下并网电流的波形已有大量毛刺出现，圆滑正弦波已存在。而此时，如果持续将p参数值增加，则此系统稳定性必然降低，引发振荡现象。通过分析逆变器自满载至半载、自半载至满载这一动态化仿真波形后可了解到，系统处于负载突变条件之下，可始终维持着稳定的运行状态，动态化响应的速度也相对较快。

5 结语

综上所述，文中主要借助电容电流及并网电流双闭环式控制技术，直接控制并网电流，相比传统并网电流的单环控制技术来说，通过虚拟阻抗的引入，促使此系统阻尼增加，对谐振产生较强的抑制作用，系统整体运行稳定性得到提升。经系统仿真分析的结果证明，此技术措施能够对进网电流的谐振产生良好抑制效果，入网电流的功率因数相对较高，稳态性能较为良好。

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TM464

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.049

2095－6835（2019）24－0112－02

杨昆桦（1995—），男，侗族，贵州天柱人，在读研究生，研究方向为LCL并网逆变器。

〔编辑：严丽琴〕