許津銘，謝少軍，肖華鋒，黃如海，秦 嶺

(1.南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京210016;2.南通大學，江蘇 南通226007)

引言

并網(wǎng)系統(tǒng)中，采用LCL濾波器可以較好的濾除進網(wǎng)電流中的高次諧波電流，但高階濾波器的存在降低了系統(tǒng)阻尼，并網(wǎng)電流甚至產(chǎn)生無阻尼諧振，危及并網(wǎng)逆變器的安全及穩(wěn)定運行。為此，多數(shù)文獻中采用無源阻尼或者有源阻尼的控制方案。無源阻尼方案中，通過在濾波器中串聯(lián)或并聯(lián)電阻實現(xiàn)系統(tǒng)阻尼特性的改善[1,2]，但該方案所帶來的損耗問題制約了其應用。而有源阻尼方案則是通過控制算法給系統(tǒng)引入虛擬阻抗，改善阻尼特性，這種方式不會帶來多余的損耗。

已見諸文獻的有源阻尼方案，包括逆變器側(cè)電感電流[3]、電容電流[4～6]、電容電壓[6,7]、網(wǎng)側(cè)電感電壓[8]的單變量反饋的有源阻尼方案，以及采用多變量組合的有源阻尼方案等[9]。綜觀上述文獻，由于控制系統(tǒng)的階數(shù)較高，調(diào)節(jié)器參數(shù)的設計較為復雜。除此之外，文獻[10]中給出了一種新型的控制思想：按照一定比例分裂濾波電容，對兩電容之間的電流進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)了控制環(huán)路上的降階，為系統(tǒng)閉環(huán)設計帶來方便，控制器的設計不存在上述方案的問題。但該方案需對硬件電路進行改動。文獻[11]通過對逆變器側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電流的加權平均獲得了具有一階特性的電流量，同樣實現(xiàn)了降階控制，實現(xiàn)較為簡便。

文獻[11]中的方案僅僅是針對單一方案進行分析，并未全面的分析各電壓以及電流之間的可能的組合方式。本文提出了一種系統(tǒng)性的分析方法，從零點配置角度全面討論了LCL濾波并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的加權組合方案，給出了在LCL濾波并網(wǎng)系統(tǒng)中可行的組合反饋方式。仿真以及實驗結果驗證了分析的有效性。

1 電流加權的控制方案

圖1(a)所示為采用LCL濾波器的單相并網(wǎng)逆變器，由逆變器側(cè)電感L1、濾波電容C1及網(wǎng)側(cè)電感L2組成。逆變輸出至進網(wǎng)電流的幅頻特性見圖1(b)，進網(wǎng)電流中存在諧振尖峰，不利于閉環(huán)設計。尤其是，采用進網(wǎng)電流直接閉環(huán)控制時，需要將諧振峰抑制到0 dB以下保證系統(tǒng)穩(wěn)定[3]。這意味著較差的系統(tǒng)響應。

文獻[11]中采用的電流加權方案如圖2所示。為簡化分析，將全橋逆變環(huán)節(jié)等效為比例增益，忽略其延遲的影響。當加權系數(shù)β=L1/(L1+L2)時，即可得到一階特性的加權組合電流量，如式(1)。該方案實現(xiàn)了反饋控制系統(tǒng)的降階，閉環(huán)設計較為簡便。具體的設計以及系統(tǒng)參數(shù)擾動下的魯棒性詳見文獻[11]。

2 零點配置的系統(tǒng)性分析

由式(1)可以看出，該方案的實質(zhì)是通過合理選取加權組合系數(shù)實現(xiàn)了組合量中零點的配置，配置零點與諧振極點抵消。為全面研究可行的加權組合方式，本文給出基于零點配置策略的統(tǒng)一控制框圖(圖3)，其中x1與x2為三個濾波元件的六個電流電壓量，本文將加權形式擴充到比例、積分、微分的加權組合，即 xf=f(x1,x2)=k1sm·x1+k2sn·x2，m,n∈{0,±1}。 選取的加權組合需實現(xiàn)如式(1)所示分母為一階的傳遞函數(shù)，將高階的系統(tǒng)等效為單電感濾波的一階并網(wǎng)系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)控制。

從分析結果來看(表1)，以實現(xiàn)抵消諧振極點為目的的零點配置方案比較多，主要可分為兩個電流的加權組合、兩個電壓的加權組合以及電流與電壓的加權組合。從表中還可以看出，電流之間的加權組合方式最為簡單，權值均為比例系數(shù)。而其它兩大類的權值均有涉及到積分或者微分形式?？偨Y來看，這兩類的組合方式均同電流加權組合相似，可依據(jù)各元件電流電壓間的關系相互導出。需要注意的是，若實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓的解耦，濾波電容電壓同網(wǎng)側(cè)電感電壓一致。

表1 零點配置的組合方案

表中第一個電流組合方式即為文獻[11]中采用的控制方案。對于表中所示的多種組合方案來說，其原理是基本一致的，但所需采用的傳感器卻大不相同。而對于不同的并網(wǎng)系統(tǒng)、不同功率等級或者電壓等級下，選擇不同的傳感器的成本可能是不一樣的[6]。因而有必要對其它可行的組合方案進行研究。

3 電流間組合方案的實驗研究

文獻[11]中對電流組合方式中的第一種進行了詳細的實驗研究。需要指出的是，電容電流的幅值相較于其它兩個電流要小，同時三個電流在系統(tǒng)中位置也不一樣，不同的選擇可能會帶來成本上的降低。本節(jié)對LCL濾波器中易于測量的三個電流間的三種加權組合方式進行實驗研究，閉環(huán)采用簡單的PI調(diào)節(jié)。搭建了一臺單相并網(wǎng)逆變器，濾波器參數(shù)為：逆變器側(cè)電感值1 066 μH、網(wǎng)側(cè)電感值1 022 μH、濾波電容值10 μF。實驗條件為：直流輸入電壓360 V，電網(wǎng)電壓 220 V/50 Hz，開關頻率 10 kHz。圖4中分別給出了三種組合方式下的并網(wǎng)實驗波形。從實驗結果可以看出，進網(wǎng)電流波形正弦度好，這三種零點配置組合方案均是有效的。應用中，設計人員可以自由的選擇電流傳感器的位置。

4 電壓間、電流電壓間組合方案的仿真研究

前文對三個電流間的兩兩加權組合方案進行了實驗研究。本節(jié)采用saber仿真軟件針對三個電壓間的以及電流電壓間的組合方案進行仿真研究，仿真參數(shù)同第3節(jié)所示。表1中示出的組合方案較多，本節(jié)分別從電壓組合方案以及電流電壓組合方案中各選取一種方案進行仿真驗證，即：圖 5 分別給出了兩種組合方案下的并網(wǎng)仿真結果，方案是可行的，可以進一步擴寬該類方案的應用。

5 結論

本文采用了一種系統(tǒng)性分析方法研究了LCL濾波并網(wǎng)逆變器的零點配置的電流控制技術，給出了可實現(xiàn)對消諧振極點的變量組合方案。對三個電流間的兩兩組合方案的實驗以及電壓間、電流電壓間的組合方案的仿真均表明分析的正確性，可以拓寬該類方案實際應用中傳感器選擇的范圍。

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