微网LCL 型并网逆变器控制技术研究

朱 菁 刘 昶 陈 鹏

（商丘学院机械与电气信息学院，河南 商丘476000）

随着新能源发电技术在全球日益迅猛发展, 高质量逆变器并网电流控制技术成为重要研究方向, 并网逆变器一般采用结构简单且易控制的L 型滤波器来抑制并网逆变电流中所产生的高次谐波,随功率等级增加,为了降低网侧电流i 谐波含量,需增大电感,使其变化率降低,系统动态性能下降。文献[1-2]中提出小功率无隔离型LCL 滤波器具有理想滤波效果,并对PI 控制策略做了大量分析优化, 取得效果较好, 但增加了额外滤波装置。LCL 型滤波器的并网逆变器系统内幅频特性在谐振频率处有谐振尖峰存在,降低了系统幅值裕度,使得控制系统难以满足稳定性要求。针对上述问题,本文根据LCL 型并网逆变器拓扑,从LCL 滤波器幅频特性分析设计滤波参数, 给系统稳定性提供了理论依据,为了抑制滤波器的谐振尖峰,对PR 控制、准PR 控制以及基于内模原理的控制方法进行了分析比较, 最终选取最优控制策略。最后利用Matlab/Simulink 仿真软件进行仿真验证了该电路中采用基于电容电流反馈的重复控制具有更好的稳定系统效果。

1 主电路拓扑结构与技术指标

单相LCL 滤波器主拓扑结构如图1 所示, 包括直流稳压电源、单相逆变电路、LCL 滤波模块与负载。Udc为直流网侧电压,Ug为电网电压。

侧网电流i2作为电流内环的并网控制系统的开环传递函数Gtr(s)为:

图1 单相LCL 并网逆变电路拓扑结构

结合系统工作条件,系统直流侧Udc额定电压取400V,设计滤波器参数,C=9.4uF,L1=2mH,L2=1mH。绘制Gtr(s)Bode 图如图2所示。

图2 电流i2 控制系统开环bode

虽此时拥有良好衰减高次谐波的效果,且L 较小以及开关频率低,滤波性能满足电流谐波衰减要求。但LCL 滤波器相频特性在谐振频率fr处有1800的相位滞后,降低了系统幅值裕度,难以满足稳定性条件。

2 电容电流反馈

考虑LCL 型滤波器带来的谐振尖峰, 采用电容电流反馈有源阻尼抑制。该控制将负载扰动包含在反馈环路的前向通路内,及时对扰动产生抑制。控制系统结构框图如图3(a)所示。

图3(a) 控制系统结构框图

Gc(s)为并网电流调节器的传递函数,Hi1为电容电流反馈系数,通过反馈电容电流实现系统谐振尖峰的阻尼。Gpwm为调制波到桥臂间输出电流增益,经等效变换得简化后控制结构框如图3(b)所示。

图3(b)简化系统框图

那么,加入电容电流反馈形成的有源阻尼内环的传递函数为:

该系统的环路增益T(s)为:

并网电流为:

取GC(s)=1,GPWM=400,根据上式,系统环路增益补偿前Bode 图如图4。

图4 系统环路增益Bode 图

可知,当Hi1越大,谐振尖峰阻尼效果越好,低频段幅频特性和高频段的幅频特性受Hi1影响很小,但对于fr周围系统相频特性有明显影响,使得fr之前系统相角都有所减小,即在谐振频率较低时,从-900开始系统相位下降,且下降速度与反馈系数Hi1大小成正比。电容电流反馈的加入,对LCL 滤波器低频段与高频段无影响,仅对该谐振尖峰有效抑制,增加了系统稳定裕度范围[3]。为减少稳态误差则需要选择合适调节器以达到更有效的控制效果。

2.1 基于电容电流反馈有源阻尼PR 控制

为了增加基波频率增益, 提高稳态误差选取PR 控制器,该控制器在基波频率处增益达到无穷大, 实现静止坐标系下交流信号的零误差调节[4]。

PR 控制器的传递函数为:

取Kp=4、KR=150、w0=100,绘制bode 如下图5。

由图5 知,在角频率为w0处有无穷大增益,说明该控制器能够实现正弦信号在基波频率处的无静差控制。在电容电流反馈控制策略下调节器选用PR 控制器的开环传递函数为:

绘制其bode 图如图6 所示。

图5 GR(s)Bode 图

图6 PR 调节器对应的系统bode

由图6 知,相角裕度增加,其他次谐波频率幅值增加,稳态性能提高。w0处有1800相移,其他频率处增益为0,相位也是0。系统稳定性会在无穷大增益的情况下受到影响。

2.2 基于电容电流反馈的重复控制

针对上述问题,提出一种基于内模原理的控制方法,其特点是当控制器内包含某个特定参考信号的模型, 对此信号实现无静差跟踪。一个理想的内模对周期信号内所有信号都没有衰减,能够实现理想的数学积分[5]。

内模的离散形式为:

(7)式中,Q(Z)为一阶低通滤波器,一般情况下,取一个略小于1的常数代替低通滤波器。N 为每周期采样次数,对于理想的重复控制系统而言,跟踪信号的频率范围应该是无穷大,但在实际应用中,跟踪任意的高频率信号是不可能的,那么在Q(Z)具有低通特性时,就会对周期性的干扰起到良好的抑制作用。而当Q(Z)=1时,则系统在稳态时将彻底抑制周期性的干扰,那么取Q(Z)的值等于0.95,得到:

那么,重复控制内模bode 图,如图7 所示,通过对其频域特性曲线图的观察, 可以知道重复控制内模在其基波以及各次谐波处都能够提供一个相当大的增益。

图7 重复控制内模Bode 图

基于电容电流反馈的LCL 型并网逆变器重复控制结构框图如图8 所示。

图8 LCL 型并网逆变器重复控制结构框图

其中,GLCL(z)为带电容电流反馈内环控制策略的内环传递函数z 域模型,GLCL*(z)为电网电压扰动传递函数z 域模型,S(z)为补偿器。z 域函数模型的传递函数为:

带入参数,加入零阶保持器进行离散化得到:

那么,加入补偿器之后GLCL(z)的bode 图如图9。

图9 GLCL(z)的bode 图

从9 图中可知,GLCL(z)在补偿后,低频段实现了相位00和幅值0dB,高频段幅值增益迅速衰减,稳态误差也随之减小,系统稳定性得到保证。

3 试验验证与分析

为了验证电容电流反馈的重复控制策略的正确性,搭建基于重复控制的电流双闭环控制仿真模型, 采用LCL 型滤波器器的并网逆变器,给定参考电流峰值在5A-10A,重复控制加入前后并网稳态电流波形如图10。

图10 重复控制注入前后并网稳态电压电流波形

由图10 知,重复控制策略的加入使得LCL 型滤波器拥有良好衰减高次谐波的效果, 且在要求电感值较小以及开关频率较低的情况下,其滤波性能也可满足电流谐波衰减的要求。

图11 THD 分布图

由图11 知,此时并网稳态电流THD=2.02%,谐波得到较好抑制。重复控制对于入网电流谐波的各次谐波有衰减的作用,说明了重复控制对各次谐波有补偿能力,确保了系统的稳定性。

4 结论

并网逆变器作为发电系统与电网连接的核心装置,并网逆变电流中所产生的高次谐波,直接会影响整个并网发电系统性能。传统常采用能够对高次谐波有较强的衰减能力的LCL 滤波器,然而并网逆变器LCL 滤波器存在谐振尖峰导致系统不稳定的问题,本文基于LCL 滤波器中谐振尖峰产生机理,对电网电流进行谐波分析。在电容电流反馈下,提出多种调节器思想,分析对比得出采用基于内模原理的重复控制,结构简单,易计算,选择合适的元器件参数,可提高系统应对电网电感变化的鲁棒性。通过仿真与实验平台,验证了所述控制方法的正确性。