LCL并網逆變器準比例諧振研究范文

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《電機與控制應用雜志》2016年第一期

摘要:

針對傳統lcl并網逆變器對交流電流信號跟蹤存在靜差及抗干擾性較差的問題，提出一種基于準比例諧振和網壓前饋的新型并網控制策略。該控制策略由逆變器側電感電流反饋環、網側電感電流外環和電網電壓前饋環組成。其中網側電感電流外環采用準比例諧振控制器，同時結合逆變器側電感電流內環，在抑制LCL濾波器諧振峰的同時，提高了控制系統的精度;電網電壓前饋控制的引入，一方面提高了系統的響應速度，另一方面保證了在電網發生畸變時并網逆變器較好的動態性能。最后，仿真結果驗證了所提控制策略在無靜差跟蹤及抗電網電壓擾動方面具有顯著優勢。

關鍵詞:

LCL并網逆變器;準比例諧振控制器;電網電壓前饋控制;靜差

將光伏發電、風力發電等新能源發電技術應用于船舶電力系統，可降低船舶發電柴油機容量、減少化石燃料的消耗及提高船舶用電安全。新能源發電系統的核心是并網逆變器［1］，要求其具有極低的輸出電流總諧波失真(TotalHarmonicDistortion，THD)和極高發電功率因數(PowerFactor，PF)，以減小無功功率、諧波等因素對船舶電網造成的危害［2］。為獲得低THD的并網電流，并網逆變器的輸出濾波器一般包括L、LC以及LCL3種類型［3-5］。單電感濾波器結構簡單，但需要較大的電感量才能對諧波進行有效抑制;LC濾波器工作于并網模式時，濾波電容相當于本地負載，不起濾波作用，因此，其濾波效果等同于單電感L濾波器。LCL濾波器能有效抑制電流高次諧波，并降低總電感量，但LCL濾波器是一個無阻尼的三階系統，容易發生振蕩造成系統不穩定，因此對系統的控制設計提出了更高的要求［2］。采用傳統的PI控制器設計簡單，但存在靜態誤差，對給定值中的交流分量難以進行無差跟蹤。文獻［6］采用PI加電網電壓全前饋控制策略，理論上可完全消除靜差，但是全前饋控制策略的引入使系統控制設計變得更為復雜。文獻［5］提出的比例諧振(ProportionalResonant，PR)控制能夠在指定的頻率處提供無窮大的增益，從而實現特定頻率的無靜差控制，但PR控制器不易實現，且在電網電壓突變時，其響應速度會受到影響;同時，由于LCL濾波器諧振峰的存在，采用上述控制方法的LCL并網逆變器是不穩定的。文獻［7］提出在電容支路串聯電阻來抑制諧振，但卻造成了功率損耗。文獻［1］采用電容電流內環來增加系統的阻尼，但測量電容電流較為繁瑣，使系統變得復雜，且降低了控制系統的精度。本文針對上述控制方法的不足，提出基于準比例諧振的并網電流外環控制策略;同時采用檢測較為方便的逆變器側電感電流反饋來抑制LCL濾波器的諧振，簡化了控制系統的結構且提高了精度。為進一步提高系統抗干擾性和穩定性，本文引入電網電壓前饋控制。

1LCL并網逆變器模型

圖1(a)為帶LCL濾波的單相并網逆變器主電路拓撲。其中Ud為直流側電壓，LCL濾波器由逆變器側濾波電感L1、網側濾波電感L2及濾波電容C組成。i1為逆變器側電感電流，iC、uC分別為濾波電容電流和電壓，i2為并網電流，ug為電網電壓。當開關頻率遠高于輸出濾波器的截止頻率時，逆變橋可等效為比例環節KPWM。本文忽略濾波電感的電阻和濾波電容的寄生電阻。由式(2)可繪制LCL并網逆變器的bode圖，如圖2實線所示(圖2中:實線為無阻尼狀態，點劃線為阻尼系數k=0．01時的bode圖，虛線為阻尼系數k=0.05時的bode圖)。由圖2可知，無阻尼的LCL濾波器在諧振頻率處會產生諧振峰，造成系統的不穩定。

2并網控制策略分析

2．1基于網側電感電流的有源阻尼為了解決上述問題，最簡單的方法就是在濾波電容回路中串聯電阻來增加系統的阻尼，即無源阻尼法，但會使系統增加損耗，因此，以控制取代實際阻尼電阻的有源阻尼控制策略得到了廣泛應用。本文采用逆變器側電感電流i1反饋來抑制LCL濾波器諧振峰，文獻［8］已經分析了此方案的可行性，現將其直接引入本文提出的控制系統中，如圖3所示，其中k為i1反饋系數，即阻尼系數。根據式(3)重新繪制LCL逆變器的bode圖，如圖2中虛線及點劃線所示。分析可知:阻尼系數k對高頻段的幅頻特性影響較小，但對截止頻率fr附近的相頻特性有明顯影響，使得fr之前的系統相角有所減小。阻尼系數k越大，對系統環路增益諧振尖峰的阻尼效果越好。綜合系統穩定性及阻尼效果，本文取k=0．05。

2．2準比例諧振控制器本文采用直接電流(即網側電感電流)控制策略，使并網電流與電網電壓同頻同相。結合上述的有源阻尼控制策略，LCL并網逆變器的控制策略框圖如圖4所示。該表達式可分為兩部分:第1部分為跟隨電流指令部分;第2部分為電網作用部分，由于該部分的存在，電網會對所控并網電流造成影響。由此可知，并網電流的誤差是由控制器跟蹤正弦指令所造成的穩態誤差和電網電壓造成的誤差兩部分共同組成的。為了消除上述第一部分的影響，本文對比傳統PI控制和準比例諧振控制策略優缺點，擬采用準比諧振控制器。準比例諧振(QPR)控制器在其傳遞函數的虛軸上增加兩個固定頻率的閉環極點，形成該頻率下的諧振，使增益增加，從而可實現對輸入信號的無靜差跟蹤，同時減小因電網電壓頻率偏移帶來的不利影響。因此，系統無需增大開關頻率，亦不需采用極高的控制增益(這可能造成系統的不穩定)，QPR策略就能跟蹤正弦電流指令。本文提出的QPR控制器如圖5所示。由圖6可以看出，諧振控制器只對諧振頻率附近的頻域增益很大，而對其他頻域幾乎沒有影響，因此準比例諧振控制器可抑制跟蹤正弦指令所造成的穩態誤差。

2．3電網電壓前饋控制策略準比例諧振控制算法雖然控制精度很高，且可有效抑制靜態誤差，但實時性卻不夠［9］，若電網電壓發生嚴重畸變時，會因其動態響應較慢而導致系統不穩定。這便是上述式(4)第二部分的影響。為了有效抑制電壓發生畸變時影響系統的穩定，文獻［6］采用電網電壓全前饋控制策略，理論上可完全消除電網電壓對并網電流的影響，但會使控制系統設計復雜且精度不夠。綜合考慮控制系統的復雜性和動態性，本文引入無延時前饋補償器改善控制系統動態響應性能，將準比例諧振控制與無延時前饋補償控制相結合，大大提高了系統控制的動態性和穩定性，如圖7所示。

3仿真及試驗分析

為了驗證上述控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink環境下對基于準比例諧振和電網電壓前饋的LCL并網逆變器進行仿真建模，如圖8所示。在實際應用過程中，電網或多或少存在一定量的諧波，因此在仿真驗證過程中，使電網ug摻入一定的諧波分量。圖9針對本文提出的新型LCL并網逆變器控制算法和傳統PI控制算法，在ug含有3、5和7次諧波分量時，就輸出并網電流進行了比較。圖9(a)～9(c)分別為傳統PI控制、無前饋及含前饋準比例諧振控制器輸出并網電流i2和電網電壓ug仿真波形。可以看出，采用傳統PI控制時，并網電流受電網電壓質量的影響較大，且由于存在穩態誤差而致使其相位滯后于電網電壓;采用準比例諧振控制后，并網電流輸出波形明顯改善，但當無電網電壓前饋時，其相位與電網電壓還存在一定的滯后;引入電網電壓前饋后，并網電流緊緊跟隨電網電壓，且較好地消除了電網中含有的低次諧波的影響。為了驗證在電網發生畸變時，本文提出的控制方法的有效性。在電網含13和15次諧波分量下進行了仿真分析，其結果如圖10所示。對仿真波形分析可知，當電網突變時，采用傳統PI控制器，逆變器輸出電流相位嚴重滯后于電網電壓;采用準比例諧振控制而無電網電壓前饋時，較好地改善了其輸出波形，但是與圖9(b)相比，相位差還是稍有增加;由圖10(c)可看出，即使電網電壓發生畸變時，并網電流還是緊緊跟隨電網電壓，因此基于準比例諧振和網壓前饋的逆變器并網控制策略可有效地抑制電網電壓畸變對并網電流的影響。

4結語

本文針對傳統LCL并網逆變器跟蹤交流信號存在靜差的問題，提出一種新型的并網控制策略。該控制策略采用準比例諧振對并網電流進行直接控制，準比例諧振在特定的頻率下可產生極高的增益，進而可消除跟蹤靜差，且提高控制系統的魯棒性。同時采用逆變器側電感電流反饋來抑制LCL濾波器的諧振峰，提高系統的穩定性。另外，電網電壓前饋控制的引入，提高了系統的響應速度和動態性能。仿真結果表明，本文提出新型控制策略能有效消除交流信號跟蹤靜差，進而使并網電流相位緊緊跟隨電網相位變化，始終保持與電網電壓同頻同相，且引入電網電壓前饋，其響應速度和抗干擾性得到明顯的改善。

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作者：潘嘉進 劉彥呈 孫赫男 張勤進 劉厶源 單位：大連海事大學 輪機工程學院 大連海事局