楊公德, 施火泉, 丁豪, 劉會(huì)超

(江南大學(xué),電氣自動(dòng)化研究所,江蘇無(wú)錫214122)

LCL濾波并網(wǎng)逆變器新型阻尼控制策略

楊公德, 施火泉*, 丁豪, 劉會(huì)超

(江南大學(xué),電氣自動(dòng)化研究所,江蘇無(wú)錫214122)

無(wú)源和有源阻尼協(xié)同控制保證系統(tǒng)具有良好的阻尼效果,但閉環(huán)設(shè)計(jì)較為困難。加權(quán)電流控制降低了系統(tǒng)的階數(shù),使系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)設(shè)計(jì),然而并網(wǎng)電流諧波抑制效果受到系統(tǒng)非理想因素的影響,并且系統(tǒng)帶寬受到限制。為此提出將無(wú)源和有源阻尼協(xié)同控制并與加權(quán)電流控制相結(jié)合的方法,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,增大了系統(tǒng)帶寬,并能滿足分布式發(fā)電的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。Matlab仿真結(jié)果表明,所提出的控制方法是可行有效的。

阻尼效果;加權(quán)電流;諧波抑制;分布式發(fā)電

LCL濾波器較好的高頻濾波性能和易于集成封裝的物理結(jié)構(gòu)使其在基于電壓源型并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用中日益廣泛[1]。然而,LCL并網(wǎng)濾波器發(fā)生諧振時(shí)產(chǎn)生的零阻抗可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。目前,抑制系統(tǒng)諧振問題的阻尼方案可分為兩類,即通過(guò)外加無(wú)源元件改變?yōu)V波器結(jié)構(gòu)的無(wú)源阻尼方案和通過(guò)調(diào)整并網(wǎng)逆變器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)的有源阻尼方案[2-3]。

針對(duì)電網(wǎng)電感對(duì)有源阻尼有增強(qiáng)作用,對(duì)無(wú)源阻尼起到削弱作用;控制器參數(shù)對(duì)有源阻尼的影響較大,而對(duì)無(wú)源阻尼影響較小的特點(diǎn)。雷一等[4]采用無(wú)源和有源阻尼協(xié)同控制方法能使二者互補(bǔ)達(dá)到良好的阻尼效果,但閉環(huán)設(shè)計(jì)較為困難。許津銘等[5]提出將有源阻尼控制和電流加權(quán)控制相結(jié)合的方法,克服了閉環(huán)設(shè)計(jì)困難和系統(tǒng)帶寬受限的問題,但有源阻尼反饋系數(shù)的取值可能會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

文中提出將無(wú)源和有源阻尼協(xié)同控制并與加權(quán)電流控制相結(jié)合的方法,通過(guò)對(duì)比分析可知,該方法能使系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和較寬的系統(tǒng)帶寬,并能滿足分布式發(fā)電的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。仿真結(jié)果也表明該控制方法不僅能保證系統(tǒng)抑制諧波效果較好,而且并網(wǎng)逆變器可以在近似單位功率因數(shù)下工作。

1 LCL濾波器模型與諧振特性分析

LCL濾波器等效模型如圖1所示。其中:Uinv為單相逆變器輸出電壓;L1,L2分別為逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)濾波電感;Lg為電網(wǎng)電感;Cf為濾波電容;Ug為電網(wǎng)電壓。

圖1 LCL濾波器等效模型Fig.1 Equivalentmode of LCL filter

利用梅森公式以電網(wǎng)電流ig為輸出變量,逆變器輸出電壓Uinv為輸入變量建模,可得如下LCL濾波器的傳遞函數(shù)[6]:

該三階濾波器由于分母缺項(xiàng)將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生諧振而不穩(wěn)定,此時(shí)由式(1)得到諧振角頻率

式(1)和式(2)表明電網(wǎng)電感的存在對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及諧振頻率的大小都有一定的影響。而對(duì)于弱電網(wǎng),電網(wǎng)電感Lg可達(dá)數(shù)毫亨,因而在分析時(shí),需予以考慮。圖2為不同的電網(wǎng)電感值對(duì)幅頻特性影響的曲線圖。作為分析算例,文中研究的濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)值為:L1=1 mH;L2=1 mH;Lg=0.5 mH; Cf=10μF。

圖2 不同電網(wǎng)電感值時(shí)的幅頻特性曲線Fig.2 Am p litude-frequency characteristics of different grid inductance

2 控制策略原理及其特性分析

2.1 控制策略原理

通過(guò)分析文獻(xiàn)[4]所提出的無(wú)源阻尼和有源阻尼協(xié)同控制方法和文獻(xiàn)[5]所采用的加權(quán)電流控制方法,文中在此基礎(chǔ)上提出一種無(wú)源和有源阻尼協(xié)同控制同加權(quán)電流控制相結(jié)合的控制方法,其原理框架如圖3所示。

圖3 控制策略原理框架Fig.3 Princip le block diagram of the control strategy

圖3中:iref為給定的參考電流;if為加權(quán)組合電流;Kp+Ki/s構(gòu)成了逆變器電流調(diào)節(jié)器的比例積分環(huán)節(jié);KPWM為逆變器數(shù)學(xué)模型的比例系數(shù);Td為系統(tǒng)延遲時(shí)間,Kc為有源阻尼反饋系數(shù);K1,K2為加權(quán)電流的加權(quán)系數(shù);Rd為阻尼電阻。

當(dāng)忽略圖3中的控制延遲和PWM的作用時(shí),利用梅森公式可得到并網(wǎng)逆變器輸出電壓Uinv至組合電流if的傳遞函數(shù)

為了便于描述阻尼值和無(wú)源阻尼值與有源阻 尼值的關(guān)系,現(xiàn)轉(zhuǎn)化為

依據(jù)式(4)可得采用該控制策略的阻尼值為

其中:ζw為無(wú)源阻尼值;ζy為有源阻尼值。由式(6)可知,無(wú)源和有源阻尼協(xié)同控制時(shí)的阻尼值是無(wú)源阻尼電阻和有源阻尼系數(shù)的函數(shù)。為了使系統(tǒng)有較好的阻尼效果,需要保證ζ不變,考慮到電網(wǎng)電感對(duì)無(wú)源阻尼值和有源阻尼值的作用效果相反、阻尼損耗以及控制系統(tǒng)參數(shù)約束等因數(shù)的影響,文中所設(shè)計(jì)的阻尼參數(shù)為:ζ=1.125,Rd=10.7Ω,Kc=1.2。

通過(guò)分析電流加權(quán)控制方案和結(jié)合無(wú)源阻尼的電流加權(quán)控制方案,可得到如下加權(quán)系數(shù)K1,K2的值:

在濾波參數(shù)和電網(wǎng)電感給定的情況下,電流的加權(quán)系數(shù)K1,K2是個(gè)定值。由于電流加權(quán)控制是對(duì)組合電流的反饋控制,而諧振峰并不在反饋回路內(nèi)[5],因而與網(wǎng)側(cè)電感電流反饋環(huán)相比,不僅便于設(shè)計(jì)而且系統(tǒng)的帶寬較大。

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

采用文中方法(記為方法1)及無(wú)源和有源阻尼協(xié)同控制方法(記為方法2)的Nyquist曲線如圖4所示。由Nyquist穩(wěn)定判據(jù)可知,方法1和方法2都具有較好的穩(wěn)定性;由奈斯穩(wěn)定判據(jù)可知,方法1的Nyquist曲線比方法2的Nyquist曲線離(-1,j0)點(diǎn)較遠(yuǎn),因而其能使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。

圖4 控制方法的Nyquist曲線Fig.4 Nyquist graph of controlm ethod

2.3 濾波特性分析

采用方法1和方法2的幅頻-相頻特性曲線如圖5所示。

圖5 控制策略的幅頻-相頻特性曲線圖Fig.5 Phase and am p litude-frequency characteristics of control strategies

由圖5可以看出,兩種方法在低頻時(shí)具有相同的濾波特性,但在高頻時(shí)方法1的諧波抑制效果有所下降。然而,其較大的帶寬能保證系統(tǒng)有較大的工作范圍,同時(shí)使得系統(tǒng)具有很大的穩(wěn)定裕度。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所研究控制策略的正確性和有效性,在Matlab/Simulink中依據(jù)圖6所示的LCL濾波單相并網(wǎng)逆變器控制框架搭建了采用文中控制方法的仿真模型。其中主要仿真參數(shù):直流母線電壓Ud為400 V;逆變器容量為3 kV·A;開關(guān)頻率為5 000 Hz;采樣頻率5 000 Hz;電網(wǎng)電壓為220 V/50 Hz[7-8]。

圖6 LCL濾波單相并網(wǎng)逆變器控制框架Fig.6 Control diagram of the single-phase bridge connected-grid inverter w ith LCL filter

圖7為采用方法1和方法2仿真得到的逆變器側(cè)電感電流i1、電容電流ic、并網(wǎng)電流ig的波形。

利用FFT分別對(duì)采用方法1和方法2的系統(tǒng)輸出并網(wǎng)電流進(jìn)行分析得到各次諧波的柱狀曲線(見圖8)。

圖7 電壓電流仿真波形Fig.7 Voltage and current simulation waveform s

圖8 系統(tǒng)輸出并網(wǎng)電流FFT分析Fig.8 FFT analysis of the system output gridconnected current

由圖8可以看出,可見采用方法1的系統(tǒng)輸出并網(wǎng)電流的THD低于采用方法2的系統(tǒng)輸出并網(wǎng)電流的THD,滿足分布式發(fā)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

采用方法1時(shí)的電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的仿真波形如圖9所示。

圖9 電網(wǎng)電壓和網(wǎng)側(cè)電感電流的仿真波形Fig.9 Sim ulation waveform between the grid voltage and the net side inductance current

由圖9可見,電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流相位差近似為0,因此并網(wǎng)逆變器可以工作在單位功率因數(shù)下。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中所提出的控制方法能獲得無(wú)源和有源阻尼協(xié)同控制時(shí)的良好阻尼效果,從而能保證系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性,同時(shí)利用加權(quán)電流控制易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)設(shè)計(jì)。但由于分布式發(fā)電在接入電網(wǎng)時(shí)引入的線纜、變壓器及近端負(fù)荷等感性元件對(duì)系統(tǒng)阻尼、諧振頻率和加權(quán)系數(shù)都有很大的影響,而文中并沒有研究這些感性元件的動(dòng)態(tài)變化對(duì)該控制方法的影響,因而如何使控制系統(tǒng)自適應(yīng)的跟隨感性元件的變化來(lái)提高系統(tǒng)的控制性能有待深入研究。

[1]劉長(zhǎng)浥,陳默子.智能電網(wǎng)可再生能源設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2]劉尚偉.單相LCL逆變器并網(wǎng)技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[3]Dannehi,Liserr,Fuchs.Filter-based active damping of voltage source converters with LCL filter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronic,2011(55):3623-3633.

[4]雷一,趙爭(zhēng)鳴.LCL濾波的光伏并網(wǎng)逆變器有源阻尼與無(wú)源阻尼混合控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2012,11(32):23-27.

LEIYi,ZHAO Zhengming.Hybrid control of active and passive damping for grid-connected PV inverter with LCL filter[J]. Electric Power Automation Equipment,2012,11(32):23-27.(in Chinese)

[5]許津銘,謝少軍.LCL濾波并網(wǎng)逆變器的魯棒電流控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,19(36):99-103.

XU Jinming,XIE Shaojun.A robust current control strategy for grid-connected inverterswith LCL filters[J].Automation of Eletric Power Systems,2012,19(36):99-103.(in Chinese)

[6]周克亮,王政,徐青山.光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變換器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[7]Liserre Aquila.Genetic algorithm-based design of the active damping for an LCL filter three phase active rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electron,2004,1(19):76-86.

[8]Agorreta,Borrega,Lopez.Modeling and control of n-paralleled grid-connected inverters with LCL filter coupled due to grid Impedance in PV plants[J].IEEE Transactions on Power Electron,2011,3(26):770-785.

(責(zé)任編輯:邢寶妹)

A New Dam ping Control Strategy for Grid-Connected Inverters w ith LCL Filter

YANG Gongde, SHIHuoquan*, DING Hao, LIU Huichao
(Institute of Electrical Automation,Jiangnan University,Wuxi214122,China)

The adaptive characteristics for grid inductance and control delay can guarantee the passive and active damping coordination control with a good damping effect,but the closed loop the design is difficult.The weighted current controlmethod can reduce the orders of the system and make it easy to design the closed loop control.But the harmonic suppression effect of grid current is influenced by the non-ideal factors of system,as well as the system bandwidth.This paper combines the passive and active damping controlwith weighted current control,and can not only improve the system stability,but also increase the system bandwidth and meet the standard of distributed generation. The results of Matlab simulation show that the proposed controlmethod is feasible and effective.

damping effect,weighted current,harmonic suppression,distributed generati-on

TM 46

A

1671-7147(2015)01-0052-04

2014-09-18;

2014-10-18。

楊公德(1988—),男,河南駐馬店人,電氣工程專業(yè)碩士研究生。

*通信作者:施火泉(1964—),男,江蘇蘇州人,高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師。主要從事電力電子與電力傳動(dòng)等研究。

Email:shq@jiangnan.edu.cn