一种电流源型并网逆变器的有源阻尼控制策略

南国君

(合肥工业大学安徽省新能源利用与节能重点实验室，安徽 合肥 230009)

0 引言

微网中分布式可再生能源均需通过并网逆变器进行功率变换后接入电网，并网逆变器输出侧一般采用LC或LCL型滤波器[1-2]，此类二阶或三阶滤波器的使用可改善并网电能质量，但同时也带来了谐振问题[3-4].而根据逆变器直流侧储能元件的不同，并网逆变器可分为电压源型逆变器和电流源型逆变器.为抑制滤波器在谐振频率处谐振，可采用在输出滤波器串并联电阻的无源阻尼方法，或通过控制算法控制变流器输出，而达到与滤波器串并联电阻类似效果的有源阻尼控制方法[5].从成本、效率及控制灵活性等方面考虑，有源阻尼方法要优于无源阻尼方法[6-9].一般有源阻尼方法控制实现较为复杂，需要检测电容电流，同时基波电流参与运算也容易导致调制度饱和.虽然目前并网逆变器多采用电压源型逆变器，但电流源型逆变器也具有其自身特点，如电流源型变流器具有拓扑结构简单、开关电压应力小、四象限运行能力、易于冗余及短路过保护可靠等优点[10-15].同样，电流源变流器中CL滤波器的使用也使得其存在固有谐振问题.本文研究了微网中电流源型并网逆变器有源阻尼控制，通过检测滤波电容电压，借助有源滤波思想，提取电容谐波电压用于虚拟电阻环电流补偿值计算，以实现对滤波器阻尼系数的控制，达到抑制滤波器自身谐振的控制目标.通过对滤波器自身阻尼系数分析研究，给出一种虚拟电阻计算算法，根据所期望的阻尼系数求取所需虚拟电阻大小.基于该控制思想，提出一种电流源型逆变器的有源阻尼控制方案，建立了系统仿真模型，以验证所提出控制策略的正确性和有效性.

1 系统结构

电流源型并网逆变器系统结构见图1，直流环节采用电感作为储能平波元件，逆变桥由IGBT串联二极管的三相桥臂组成，输出经CL滤波器连接电网.

与电压源型逆变器逆变桥输出PWM电压相对应，电流源型逆变器逆变桥输出为PWM电流，为协助换流，逆变桥输出并接电容器.这使得逆变器输出电压接近正弦，可抑制在PWM调制过程中功率开关管两端电压尖峰，开关管承受电压应力较小.然而，CL滤波器的使用也带来自了身谐振问题，尽管可采用相应PWM调制策略减小逆变器输出谐波含量，但在PWM调制过程中，滤波器谐振频率附近总会有幅值较小的谐波存在[16].而电网中大量电力电子装置及其他非线性负载的使用，也使得电网电压中往往含有大量谐波成分，以引起滤波器串联谐振.要使逆变器正常安全运行，必须解决其滤波器自身存在的谐振问题.

图1 电流源逆变器系统结构

2 谐振抑制方法

电流源逆变器输出滤波器单相等效电路如图2所示，其中Cf为滤波电容，Lf为滤波电感，Rf为电感等效电阻，ii为逆变器输出电流，ig为并网电流，ic为电容电流.

从逆变器向电网侧看，逆变器输出的自然谐振频率附近的谐波电流，会被CL滤波器放大，甚至引起并联谐振.从电网侧向滤波器侧看，电网电压在谐振频率附近的谐波电压也会被CL滤波器放大，易引起串联谐振.

基于滤波器与电网连接的结构图，可画出关于并网电流ig和逆变桥输出电流ii间控制框图(见图3).

图2 滤波器单相等效电路

图3中，忽略电网电压Vg扰动，可写出并网电流ig和逆变器输出电流ii间的传递函数为

(1)

该函数为典型二阶环节，阻尼系数为

(2)

通常滤波电容Cf比滤波电感Lf要小几个数量级，且电感等效电阻Rf很小，所以阻尼系数ξ几乎为零，滤波环节接近于无阻尼状态.若取Lf=2 mH，Cf=30 μF，Rf=0.05 Ω，可计算出自然谐振频率为650 Hz，传递函数G1波特图见图4.

a：幅值；b：相位

从图4可看出，在CL自然谐振频率处，幅值增益超过了40 dB.若不加处理，滤波器将急剧放大谐振频率附近谐波，使系统难以稳定工作，甚至毁坏功率器件.

2.1 无源阻尼方法

为抑制滤波器自身谐振，可通过在滤波电感或电容两端串联或并联电阻，改变滤波器阻尼系数，从而抑制在谐振频率附近逆变侧电流谐波和电网侧电压谐波引起的谐振，阻尼电阻Rd可能放置的位置见图5.在并网型逆变器中，由于滤波器与大电网连接，电网阻抗变化较小，滤波器自身谐振频率相对固定，所以采用引入电阻的无源阻尼方法达到抑制谐振的目标.然而，电阻的接入无疑增大了滤波器体积，提高了滤波器成本，而且增加了系统损耗.

图5 无源阻尼抑制谐振

2.2 有源阻尼方法

有源阻尼方法的提出，解决了无源阻尼滤波器损耗及体积大问题，其本质是通过控制变流器输出电压或电流，用变流器来模拟实际电阻，达到抑制谐振的效果.电流源逆变器中，由于电容与逆变桥输出并联，所以虚拟阻尼以和电容并联的方式实现，通过注入和电容电压相位一致的电流，用变流器来模拟阻尼电阻，其等效滤波器结构见图6，Rv为虚拟电阻.

以逆变桥输出电流ii为输入，并网电流ig为输出，相应控制框图见图7.

图6 有源阻尼滤波器

求得其传递函数为

(3)

由(3)式与(1)式相比可以看出，虚拟电阻的引入并不改变环路增益，只是对阻尼系数和自然谐振频率产生影响.

由(3)式可求出阻尼系数为

(4)

图8 虚拟电阻变化时形成的阻尼系数曲线

滤波器系数采用和前面参数相同，是以Rv为自变量的阻尼系数ξ2函数，Rv在1～100 Ω之间变化的曲线见图8.

从图8可看出，随着虚拟电阻的减小，滤波器从接近无阻尼状态过渡到欠阻尼状态再到过阻尼状态变化.为保证系统的动态性能，一般希望系统工作在欠阻尼状态，因此虚拟电阻不宜取得过小.根据(3)式传递函数，虚拟电阻Rv=5～100 Ω波特图见图9.

a：幅值；b：相位

(5)

2.3 改进型有源阻尼方法

从图9可以看出，有源阻尼可有效地抑制谐振，但若直接反馈电容电压计算阻尼电流，由于包含基波电压，势必对并网基波电流控制产生影响，影响并网电流波形.为此，可在虚拟电阻控制环将基波滤除，虚拟电阻仅作为谐波阻尼在谐波频率产生作用，当电容电压不含谐波时，虚拟电阻控制环将不作为，从而减小对基波电流控制影响.改进后控制框图见图10.

基于此控制思想，可绘出并网等效电路，如图11所示.

图10 仅滤谐波控制框图

从图11中可看出，该控制方法是在基波电流基础上叠加一定的可在滤波电容产生反向谐波电压的谐波电流，从而保持电容电压正弦，抑制谐振发生.与有源滤波器向电网注入反向谐波电流以抵消或最小化电网电流谐波畸变不同，这里只是在不影响基波并网电流控制条件下，向电容注入一定的反向谐波电流，以改善滤波器的动态性能，从而间接地改善并网电流谐波总畸变率(Total Harmonic Distortion，THD).

3 逆变器系统控制策略

系统控制目标是要实现对并网电流幅值和相位的控制，从而实现并网功率控制.本文采用基于电网电压矢量定向控制方式，相应控制矢量图见图12.

图12 逆变器控制矢量图

旋转坐标系下逆变器输出电流为

(6)

(7)

式中ωb为电网电压角频率，[Vcb]dq为电容基波电压交直轴分量.

基于电网电压矢量定向及前述控制思想，本文提出的逆变器带有源阻尼功能的控制策略框图见图13.系统主要控制目标是实现单位功率因数运行，同时实现对滤波器自身谐振的抑制，以保证系统控制的稳定性.旋转坐标系下采用有功和无功解耦的矢量控制，开关管PWM脉冲信号通过空间矢量脉宽调制算法(SVPWM)得到.

图13 系统控制方案框图

用于抑制谐振的谐波电流通过提取电容谐波电压计算得到，首先将反馈电压以基波频率变换到旋转坐标下带谐波分量的交直轴分量[Vc]dq，然后经低通滤波去除谐波分量，得到基波在旋转坐标系下直流量[Vcb]dq，再由坐标反变换求出基波电压大小[Vcb]abc，最后减去反馈电容电压求出谐波电压[Vch]abc，进而通过虚拟电阻求出补偿谐波电流大小[ich]abc.

4 系统仿真

图14 不加有源阻尼A相电网电压及并网电流波形

仿真分2种情况：(1)电网电压不含谐波，验证控制策略对由逆变器输出谐波电流引起并联谐振抑制效果；(2)电网电压叠加谐振频率处谐波电压，验证由电网谐波电压引起的串联谐振抑制效果.

图14和图15给出了电网电压不含谐波、未加有源阻尼控制条件下，A相电压电流波形及电流傅里叶分析图.从图14可看出，电流出现了严重畸变，图15谐波分析图显示THD高达119%，且谐波含量主要集中在谐振频率650 Hz即13次附近.

图15 不加有源阻尼A相电流谐波分析图

图16 加有源阻尼A相电网电压及并网电流

加入有源阻尼控制的A相电网电压及并网电流波形见图16，并网电流FFT分析结果见图17.图16 中并网电流与电压同相位、电流波形几乎为正弦.从图17并网电流FFT分析图可看出，总谐波含量THD仅为0.6%，谐振频率处谐波电流幅值得到很好的抑制，这也验证了该控制方法对逆变器输出谐波电流控制的有效性.

为进一步验证有源阻尼控制对电网谐波电压引起谐振控制的有效性，在电网基波电压上叠加2%频率为650 Hz的谐波电压.仿真起始时间至0.1 s不加有源阻尼控制，在0.1 s时增加有源阻尼控制，图18为A相电网电压及并网电流仿真波形.从图18中可明显看出，未加有源阻尼控制时，A相电流出现了比图14中电网电压不含谐波时更为严重的畸变，在0.1 s加入有源阻尼控制后，电流波形立即得到控制，几乎为正弦波.这也证明了该控制方案对逆变器输出的谐振频率附近谐波电流及电网电压谐振频率处谐波成分引起的电流畸变控制的有效性.图19为加入有源阻尼后A电压叠加13次谐波相电压电流波形.

图17 加有源阻尼A相并网电流谐波分析图

图18 0.1 s加有源阻尼A相电网电压及并网电流波形

图20 并网电流交直轴分量波形

图20给出了并网电流交直轴分量波形，其中交轴分量igq始终控制为零，实现了并网单位功率因数控制.

以上仿真结果表明，加有源阻尼控制后，并网电流几乎为正弦，验证了所提控制策略对由逆变桥输出谐波电流引起的并联谐振及电网电压谐波引起的串联谐振抑制的有效性.

5 结论

针对微网中电流源型并网逆变器并网电流存在的谐振问题，提出了一种带有源阻尼功能的并网控制策略，给出了虚拟电阻选择计算公式.应用所提出的控制方案可实现单位功率因数并网发电，而且可以很好地抑制在滤波器自然谐振频率附近由逆变器输出电流高次谐波及电网电压谐波在滤波器中产生的谐振，仿真结果验证了该控制策略的正确性和有效性.