韓詠如，薛士龍，鄧勇智

（上海海事大學物流工程學院電氣自動化系，上海201306）

引言

能源一直是社會進步的重要推動力。隨著社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，化石能源不僅無法滿足持續(xù)增長的能源需求，而且對環(huán)境和生態(tài)造成嚴重破壞，所以大力發(fā)展新能源已成為當務之急。在自然界當中，最豐富的能源來源是太陽能，綠色可再生資源太陽能越來越多地進入到我們生活的各個領域，而光伏發(fā)電是太陽能利用的主要方式，因此近些年來光伏并網發(fā)電技術發(fā)展非常迅速。

光伏發(fā)電中提高光伏并網電源的逆變效率和供電質量引起人們極大關注。光伏逆變器的脈寬調制(PWM)過程中會產生大量的開關頻率次諧波，為提高并網電流質量，需要采用適當的濾波器。常用濾波器有L型、LC型、LCL型濾波器。LCL濾波器所需總電感量比L和LC濾波器小得多，不僅能降低成本，減小濾波器的體積和重量，還能提高動態(tài)響應能力，對諧波的抑制效果佳，具有較好的應用前景。但LCL濾波器是一個三階系統(tǒng)，本身存在著諧振問題而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了抑制諧振必須增加阻尼環(huán)節(jié)，而阻尼環(huán)節(jié)會帶來系統(tǒng)功率損耗。為了提高逆變效率和供電質量，可以采用合適的控制策略來實現有源阻尼降低系統(tǒng)功率損耗同時抑制諧振，因此優(yōu)化逆變器的控制策略是近些年的研究的一個重點和熱點。

本文分析了LCL濾波并網逆變器的常規(guī)PI控制方法，并設計了一種新型的準PR控制方法，通過建模仿真對兩種控制方法從供電質量的諧振抑制效果、動態(tài)響應等方面進行對比。

1 LCL型濾波器建模

LCL濾波器以其所需電感量小、對高頻諧波抑制能力強等優(yōu)點，受到廣泛認可[1,2]。LCL濾波單相并網逆變器主拓撲如圖1。

本文按額定輸出功率為3 kW的單相并網逆變器設計，直流母線電壓Ud=400 V，IGBT開關頻率fs=20 kHz， 經計算及優(yōu)化取 L1=1 mH，C=8 μF，L2=0.65mH。忽略電感內阻等因素，根據圖1所示LCL型濾波器結構圖可以得到LCL型濾波器的等效框圖模型如圖2所示，其中G1(s)=1/L1s,G2(s)=1/Cs,G3(s)=1/L2s。

圖1 LCL濾波單相并網逆變器主拓撲

若將電網電壓作為擾動量，可以得到化簡后入網電流ig到濾波器輸入電壓u0的傳遞函數為：

由式（1），根據參數在MATLAB中畫出LCL型濾波器的幅頻相頻特性曲線如圖3所示。

圖2 LCL型濾波器的等效框圖

從圖3可以看出LCL濾波器對低頻段抑制較弱，而對高頻段有良好的抑制效果，但是存在諧振問題。

2 基于PI調節(jié)的電流雙閉環(huán)有源阻尼控制策略

圖3 LCL型濾波器的幅頻相頻特性曲線

通過入網電流I2反饋實現有源阻尼控制，能有效抑制LCL濾波器的諧振，但是由于入網電流I2反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，所以通常引入逆變側電流I1或者電容電流Ic作為內環(huán)增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3,4]。由于Ic通常是高頻的微弱電流，檢測和采樣困難[5-7]，所以本文以逆變側電流I1反饋作為內環(huán)控制。其系統(tǒng)的控制框圖如圖4。

以并網電流I2作為電流外環(huán)控制變量，電感L1電流I1作為電流內環(huán)的雙環(huán)控制策略，其開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數為：

圖4 基于PI調節(jié)系統(tǒng)控制框圖

采用比例調節(jié) Go（s）=0.2，其系統(tǒng)的 bode圖如圖 5。

從圖5可以看出，引入逆變側和并網側雙電流閉環(huán)控制不僅有良好的高頻衰減特性，還能有效地抑制LCL濾波器的諧振。系統(tǒng)的開環(huán)根軌跡圖如圖6，可以看出選擇合適的參數系統(tǒng)能穩(wěn)定。

圖5 基于PI調節(jié)的雙電流閉環(huán)控制系統(tǒng)bode圖

圖6 基于PI調節(jié)的雙電流閉環(huán)控制系統(tǒng)根軌跡圖

為了驗證上述理論分析，搭建基于PSIM 9.0仿真環(huán)境的額定輸出3 kW的單相并網逆變器仿真模型。其中電流內環(huán)采用比例控制器以保證電流跟蹤的快速性，電流外環(huán)采用PI控制器以獲得良好的動態(tài)特性和電流跟蹤精度，PI調節(jié)的雙電流閉環(huán)系統(tǒng)主電路如圖7，控制電路如圖8。

從0 s開始仿真，并在0.025 s時將給定電流信號減半，將電網電壓縮小到2%并與逆變側電流I1和并網側電流I2對比，動態(tài)響應如圖9，圖8為逆變側電流I1和0.02 Ug，圖9為并網側電流I2和0.02 Ug。

圖7 雙電流閉環(huán)系統(tǒng)主電路

圖8 PI調節(jié)的雙電流閉環(huán)系統(tǒng)控制電路

圖9 PI調節(jié)的逆變器側電流I1和并網電流側I2輸出仿真圖

圖10 PI調節(jié)并網電流I2的總諧波失真（THD）圖（左）及逆變側電流I1頻譜圖（右）

由實驗結果可以看出，當入網電流基準給定突然減半時,雙閉環(huán)方案能夠準確跟蹤給定電流，動態(tài)響應時間約為周期（0.005 s）。并網電流 I2的 THD圖及逆變側電流I1的頻譜分析圖如圖10，THD為2.3%，小于5%，滿足IEEE Std 929-2000標準對并網諧波的要求，但是逆變側存在載波頻率（20 kHz）及其倍頻。

3 新型的基于準PR控制的電流雙閉環(huán)控制策略

為了對交流信號的無靜差跟蹤，使其在特定的帶寬中有相同的頻率響應特性,從而達到消除跟蹤誤差的目的，構造一個對參考輸入信號進行交流補償的傳遞函數,實現系統(tǒng)輸出在諧振頻率處的高增益,而在其他頻率段均大幅衰減,且滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，可以引進比例諧振控制[8-10]。比例諧振控制器的傳遞函數為：

式（3）中,w0為諧振頻率,Kp為比例增益系數。諧振控制器Gpr(s)理論上雖正確,但在諧振頻率w0附近過于狹窄的頻段和過高的增益,使得系統(tǒng)對負載和電網的參數波動異常敏感,為了降低在諧振頻率處的敏感度和高增益特性,同時滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求,改進PR控制為準PR控制，其傳遞函數為：

Kp為比例增益系數 （0.5），Ki為積分增益系數（4），wc為截止頻率 （取 10%電網頻率 50 Hz的=5 Hz）， w0為諧振頻率（50 Hz）。 式（4）準 PR 控制的bode圖如圖11。

為了使系統(tǒng)獲得良好的響應速度和穩(wěn)定性，將逆變器側電流I1反饋，取偏差經PI調節(jié)，其中Gpi(s)同時為了抑制諧振，將并網電流I2反饋給輸入，同時引進準PR控制器來抑制50±5 Hz以外的頻率。構建新型基于準PR調節(jié)系統(tǒng)控制框圖如圖12，新型系統(tǒng)奈奎斯特圖如圖13，可以看出系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

圖11 準PR控制器的伯德圖

為了提高光伏并網電源逆變效率和供電質量，消除三角載波的諧波頻率，本文設計了一種新型的通過定時控制（時鐘脈沖信號為1 μs）的滯環(huán)瞬時值比較法控制策略。這種新型策略通過將LCL濾波器輸出與給定信號比較，取差值進行準PR調節(jié)，并將逆變器輸出與給定信號比較，取差值進行PI調節(jié)，最后由定時控制的時鐘脈沖使能調節(jié)后的信號來控制H全橋逆變開關動作實現逆變，調制過程不需要引入三角載波，在逆變器輸出中沒有特定載波頻率及其諧波分量，又能實現對給定信號的高精度跟蹤，且動態(tài)響應速度快，而且定時控制環(huán)節(jié)能防止開關動作頻率超過開關管的最高頻率而導致控制失效?；赑SIM9.0的新型準PR雙電流閉環(huán)系統(tǒng)主電路如圖7，控制電路如圖14。

圖12 基于準PR調節(jié)系統(tǒng)控制框圖

圖13 基于準PR調節(jié)系統(tǒng)雙電流閉環(huán)控制奈奎斯特圖

將電網電壓縮小到10%并與并網電流I2和逆變側電流I1對比，并在0.025 s給定電流減半，動態(tài)響應如圖15，上圖為并網電流I1和0.02 Ug，下圖為逆變側電流I2和0.02 Ug。

由仿真結果可以看出，當入網電流給定信號突然減半時,此方案能夠準確快速地跟蹤給定電流，動態(tài)響應時間約為1/10周期（0.002 s）。此方案并網電流I2的THD圖（左）及逆變側電流I1的頻譜分析圖（右）如圖16，THD約為0.7，遠小于5，并且從圖 15（右）可以看出逆變側電流I1中無高頻載波頻率。

分別對比圖 9，圖 15和圖10,圖16，可以看出此新型準PR控制雙電流閉環(huán)對比與基于PI控制雙電流閉環(huán)有源阻尼控制方案，不僅THD小，跟蹤精度高，動態(tài)性能好，無載波頻率，而且與濾波電容C交換的無功功率小，能有效地提高光伏并網電源的逆變效率和供電質量。

圖14 新型準PR調節(jié)的雙電流閉環(huán)系統(tǒng)控制電路圖

圖15 新型準PR調節(jié)的逆變器側電流I1和并網側電流I2輸出仿真圖

圖16 準PR調節(jié)并網電流I2的總諧波失真（THD）圖（左）及逆變側電流I1頻譜圖（右）

4 結論

LCL濾波器能很好抑制逆變器輸出中的高頻諧波電流，但因為它是為三階系統(tǒng)，存在諧振問題而造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文從理論上分析了逆變側和網側雙閉環(huán)電流控制策略能夠有效抑制LCL的諧振問題，并對傳統(tǒng)的PI調節(jié)進行改進，設計了一種新型的準PR調節(jié)的控制策略，此策略通過定時控制的滯環(huán)瞬時值比較法來控制H橋逆變開關，極大地提高了光伏并網電源的逆變效率和供電質量。并搭建基于PSIM 9.0的仿真模型，驗證了新型準PR控制策略的穩(wěn)定性和優(yōu)越性。

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