劉文軍，周 龍，陳 劍，唐西勝，宋 毅，何禹清

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LCL并網(wǎng)逆變器的電流雙閉環(huán)控制

劉文軍1，周 龍2，陳 劍1，唐西勝2，宋 毅3，何禹清1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，湖南 長沙410004；2.中國科學(xué)院電工研究所，北京100190；3.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京102209)

采用LCL濾波器作為電壓型并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的接口，建立LCL濾波器的數(shù)學(xué)模型，提出一種基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的LCL并網(wǎng)逆變器控制方法。該控制方法既能有效保護功率開關(guān)，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定及并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)。針對該電流雙閉環(huán)控制方法，給出一種基于赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)及李納德-戚帕特穩(wěn)定判據(jù)的內(nèi)外環(huán)控制器參數(shù)設(shè)計方案。進行了LCL并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)運行仿真與實驗。仿真和實驗結(jié)果驗證了所提LCL并網(wǎng)逆變器控制方法的正確性和可行性。

并網(wǎng)控制；并網(wǎng)逆變器；雙閉環(huán)控制；LCL濾波器；功率因數(shù)

0 引言

隨著人們對能源問題與環(huán)境問題的日益重視，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源得到了廣泛應(yīng)用。并網(wǎng)逆變器作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的核心接口裝置，直接影響到整個發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)性能，近年來已得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。

為抑制可再生能源發(fā)電系統(tǒng)注入電網(wǎng)電流的諧波, 傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器在接入電網(wǎng)之前串入L濾波器。與L濾波器相比，LCL濾波器由于可用較小的總電感量實現(xiàn)較理想的諧波抑制效果，成本優(yōu)勢明顯，已在電壓型并網(wǎng)逆變器中成為首選[5-8]。但LCL濾波器是一個三階系統(tǒng),對系統(tǒng)的控制策略提出了更高的要求。文獻[9-10]指出如果直接采用典型的電網(wǎng)側(cè)電流直接閉環(huán)的控制策略，系統(tǒng)不穩(wěn)定，且不利于功率開關(guān)的保護。文獻[11-12]采用逆變器側(cè)電流閉環(huán)的控制策略，該策略易于系統(tǒng)穩(wěn)定，且可以更有效地保護功率開關(guān)，但屬于間接并網(wǎng)電流控制，電容支路的分流作用會降低并網(wǎng)電流功率因數(shù)。文獻[8，13]提出采用電網(wǎng)側(cè)電流和電容電流雙閉環(huán)控制策略，用電容電流內(nèi)環(huán)來增加系統(tǒng)阻尼，從而可抑制系統(tǒng)振蕩，但該方法在功率開關(guān)的保護上有待完善。文獻[14]提出一種基于逆變器側(cè)電流閉環(huán)和電容電流前饋的并網(wǎng)逆變器控制策略，所增加的電容電流前饋環(huán)節(jié)在一定程度上提高了并網(wǎng)電流功率因數(shù)，但該策略仍屬于間接并網(wǎng)電流控制。

本文提出了一種基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的LCL并網(wǎng)逆變器電流雙閉環(huán)控制方法。該控制方法既能有效保護功率開關(guān)，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定及并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)。首先建立了LCL濾波器的數(shù)學(xué)模型，然后給出了LCL并網(wǎng)逆變器的控制方法，接著給出了內(nèi)外環(huán)控制器的參數(shù)設(shè)計方案，最后對所提控制方法進行了仿真與實驗驗證。

1 主電路拓撲與LCL濾波器數(shù)學(xué)模型

圖1為帶LCL濾波器的三相電壓型并網(wǎng)逆變器的主電路拓撲，由直流電源dc、直流母線電容dc、并網(wǎng)逆變器、LCL濾波器等組成。LCL濾波器由電網(wǎng)側(cè)電感g(shù)、逆變器側(cè)電感conv、濾波電容組成。

由圖1可知

(2)

(3)

式中：convk、gk、ck(kabc)分別為逆變器側(cè)電流、電網(wǎng)側(cè)電流、電容電流；convk、ck、k(kabc)分別為逆變器側(cè)電壓、電容電壓、電網(wǎng)電壓。

將式(1)、式(2)、式(3)分別變換到dq坐標(biāo)系下，可得

(5)

(6)

式中：convm、gm、cm(mdq)分別為逆變器側(cè)電流、電網(wǎng)側(cè)電流、電容電流的dq分量；convm、cm、m(mdq)分別為逆變器側(cè)電壓、電容電壓、電網(wǎng)電壓的dq分量；為電網(wǎng)電壓角頻率。

2 LCL并網(wǎng)逆變器控制方法

基于電流雙閉環(huán)的LCL并網(wǎng)逆變器的控制方法如圖1所示。由圖1可知，LCL并網(wǎng)逆變器采用電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。

具體工作過程：首先通過電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)獲得與d軸同相位的電網(wǎng)電壓矢量的相角及電網(wǎng)電壓d軸分量d。然后利用將三相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)側(cè)電流gagbgc和逆變器側(cè)電流convaconvbconvc分別變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流分量gdgq和convdconvq。接著通過公式igd=2P/(3d)與公式igq=-2/(3d)由并網(wǎng)有功、無功功率指令值P、計算出igd、igq作為電網(wǎng)側(cè)外環(huán)的給定信號，并令無功功率指令值為零，使得系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運行。再將電網(wǎng)側(cè)外環(huán)的輸出信號iconvd、iconvq作為逆變器內(nèi)環(huán)的給定信號。逆變器內(nèi)環(huán)的輸出信號與逆變器側(cè)電流前饋解耦項-convconvq、convconvd相加后分別輸出uconvd、uconvq，并利用將uconvd、uconvq從兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系下的調(diào)制信號uconvα、uconvβ。最后，將uconvα、uconvβ送給SVPWM調(diào)制器生成PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動信號。

3 控制器參數(shù)設(shè)計與穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定條件分析及參數(shù)設(shè)計

采用圖1所示的igq=0及逆變器側(cè)電流前饋解耦控制策略，并忽略cq時，根據(jù)式(4)、式(5)、式(6)可推出逆變器側(cè)軸電流控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，電網(wǎng)側(cè)軸電流控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3中r(1r)為逆變器的傳遞函數(shù)，由于r很小，這里采用近似關(guān)系式(1r)1。根據(jù)圖3可得電網(wǎng)側(cè)軸電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

電網(wǎng)側(cè)軸電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(8)

式(7)、式(8)中

其中

由式(8)可知，電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)的特征方程為g()0。根據(jù)赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)及李納德-戚帕特穩(wěn)定判據(jù)可得，電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)穩(wěn)定的充分必要條件為g()的各項系數(shù)為正，且

(9)

由式(9)、式(10)可解出電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)控制器參數(shù)gpgi的邊界值。

在進行控制器參數(shù)設(shè)計時，逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器的參數(shù)ipKii的設(shè)計可結(jié)合文獻[9]分別按式(11)、式(12)進行初步設(shè)計，然后可在仿真及實驗中進一步調(diào)整。

(12)

其中，ζ一般取為0.707。

確定逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器的參數(shù)后，再進行電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)控制器的參數(shù)設(shè)計。這里可采用“振蕩指標(biāo)法”[13]并結(jié)合式(9) 、式(10)所確定的gp、gi的邊界條件獲得一組參數(shù)，然后利用仿真軟件對這組參數(shù)進行一定程度的優(yōu)化微調(diào)，以確保系統(tǒng)具備足夠的穩(wěn)定裕度，同時盡可能兼顧系統(tǒng)的動態(tài)性能。

3.2 設(shè)計實例

LCL濾波器及逆變器參數(shù)如表1所示。

表1 LCL濾波器及逆變器參數(shù)

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(11)、式(12)可得ip=153,ii=307 230，即得到逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)。將ip=153,ii=307 230及表1中的數(shù)據(jù)帶入式(9)、式(10)可分別得到式(13)、式(14) (詳細推導(dǎo)過程因篇幅限制從略)。

(14)

綜合式(13)、式(14)可得

且當(dāng)gp=0.3時，由式(10)進一步可得

(16)

由式(16)可知，當(dāng)gp取為0.3時，0

當(dāng)gp=0.2時，由式(10)進一步可得

由式(17)可知，當(dāng)gp取為0.2時，0

圖4為電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)在不同控制參數(shù)下的開環(huán)伯德圖。可見，各組參數(shù)均能較好地抑制系統(tǒng)諧振現(xiàn)象。綜合考慮系統(tǒng)的帶寬、穩(wěn)定裕度、穩(wěn)態(tài)精度及動態(tài)性能，選擇第4組參數(shù)gp=0.2,gi=300作為電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)控制器的初始參數(shù)，然后在仿真或?qū)嶒炛锌稍诖藚?shù)基礎(chǔ)上做進一步的微調(diào)。

4 仿真與實驗

4.1 仿真

為驗證所提并網(wǎng)逆變器控制方法的正確性，利用Matlab/Simulink進行了仿真研究。電網(wǎng)線電壓有效值為380 V,電網(wǎng)頻率為50 Hz, 直流電源電壓dc為700 V，LCL濾波器參數(shù)與表1相同。

控制器參數(shù)如表2所示。

表2 控制器參數(shù)

當(dāng)并網(wǎng)有功功率指令值P為18.7 kW時，igd=2P/(3d)=2×18700/3/311=40A，電網(wǎng)a相電壓a(為了便于比較，電網(wǎng)電壓作1/8處理)、電網(wǎng)側(cè)a相電流ga、逆變器側(cè)a相電流conva仿真波形如圖5所示。

從圖5可以看出，并網(wǎng)電流ga與電網(wǎng)電壓a同相位，并網(wǎng)逆變器以單位功率因數(shù)運行。

電網(wǎng)側(cè)電流的軸分量如圖6所示。

從圖6可以看出，并網(wǎng)電流的軸分量在0附近，保證了并網(wǎng)電流分量的合成矢量與電網(wǎng)電壓矢量同向，進而保證了并網(wǎng)逆變器以單位功率因數(shù)運行。

4.2 實驗

為進一步驗證所提逆變器并網(wǎng)控制方法的正確性，搭建了LCL并網(wǎng)逆變器實驗平臺，完成了并網(wǎng)運行實驗研究。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

當(dāng)P為18.7 kW，即為40 A時，電網(wǎng)a相電壓a、電網(wǎng)側(cè)a相電流ga、直流母線電壓dc的穩(wěn)態(tài)運行波形如圖7所示。

從圖7可以看出，在穩(wěn)態(tài)過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并網(wǎng)電流ga與電網(wǎng)電壓a同相位，并網(wǎng)逆變器以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)輸送能量。

從圖8可以看出，系統(tǒng)在半個周期內(nèi)即可進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，說明系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應(yīng)能力。此外還可以看出，在起動前，雖然并網(wǎng)逆變器相當(dāng)于開路，但由于LCL濾波器中濾波電容的存在，并網(wǎng)電流ga電流并不為零。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、逆變器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的LCL并網(wǎng)逆變器電流雙閉環(huán)控制方法。該控制方法既能有效保護功率開關(guān)，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)。給出了內(nèi)外環(huán)控制器的參數(shù)設(shè)計方案。進行了LCL并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)運行仿真與實驗。仿真和實驗結(jié)果驗證了所提LCL并網(wǎng)逆變器控制方法的正確性和可行性。

[1] CHAKRABORTY S, KRAMER B, KROPOSKI B. A review of power electronics interfaces for distributed energy systems towards achieving low-cost modular design[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(9): 2323-2335.

[2] 翦志強, 司徒琴. 三相電壓不對稱跌落光伏并網(wǎng)逆變器控制方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(14): 126-130.

JIAN Zhiqiang, SITU Qin. Control method of photovoltaic grid-connected inverter under three-phase voltage unbalanced dips[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(14): 126-130.

[3] CARRASCO J M, FRANQUELO L G, BIALASIEWICZ J T, et al. Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: a survey[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(4): 1002-1016.

[4] 趙貴龍, 曹玲玲, 祝龍記. 基于光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的改進鎖相環(huán)設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(2): 108-112.

ZHAO Guilong, CAO Lingling, ZHU Longji. Improved PLL design of PV grid inverter system[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(2): 108-112.

[5] 郭偉峰, 徐殿國, 武健, 等. LCL有源電力濾波器新型控制方法[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2010, 30(3): 42-48.

GUO Weifeng, XU Dianguo, WU Jian, et al. Novel control method for LCL active power filter[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(3): 42-48.

[6] 朱時雨, 鄭濤, 羅美玲, 等. 基于濾波裝置短路的孤島檢測法在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(19): 106-111.

ZHU Shiyu, ZHENG Tao, LUO Meiling, et al. Islanding detection method based on short-filtering device for DG system[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(19): 106-111.

[7] 沈國橋, 徐德鴻. LCL濾波并網(wǎng)逆變器的分裂電容法電流控制[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2008, 28(18): 36-41.

SHEN Guoqiao, XU Dehong. Current control for grid- connected inverters by splitting the capacitor of LCL filter[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(18): 36-41.

[8] 殷進軍, 劉邦銀, 段善旭. LCL濾波并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(9): 123-128.

YIN Jinjun, LIU Bangyin, DUAN Shanxu. Parameters design and optimization of dual-loop controller for grid- connected inverters with LCL filters[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(9): 123-128.

[9] YI T, POH CHIANG L, PENG W, et al. Exploring inherent damping characteristic of LCL-filters for three-phase grid-connected voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3): 1433-1443.

[10] 仇志凌, 楊恩星, 孔潔, 等. 基于LCL濾波器的并聯(lián)有源電力濾波器電流閉環(huán)控制方法[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2009, 29(18): 15-20.

QIU Zhiling, YANG Enxing, KONG Jie, et al. Current loop control approach for LCL-based shunt active power filter[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(18): 15-20.

[11] BOLSENS B, DE BRABANDERE K, VAN DEN KEYBUS J, et al. Model-based generation of low distortion currents in grid-coupled PWM-inverters using an LCL output filter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006, 21(4): 1032-1040.

[12] TEODORESCU R, BLAABJERG F, LISERRE M, et al. Proportional-resonant controllers and filters for grid- connected voltage-source converters[J]. IEE Proceedings- Electric Power Applications, 2006, 153(5): 750-762.

[13] 徐志英, 許愛國, 謝少軍. 采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)入網(wǎng)電流控制技術(shù)[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2009, 29(27): 36-41.

XU Zhiying, XU Aiguo, XIE Shaojun. Dual-loop grid current control technique for grid-connected inverter using an LCL filter[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(27): 36-41.

[14] 王要強, 吳鳳江, 孫力, 等. 帶LCL輸出濾波器的并網(wǎng)逆變器控制策略研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2011, 31(12): 34-39.

WANG Yaoqiang, WU Fengjiang, SUN Li, et al. Control strategy for grid-connected inverter with an LCL output filter[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(12): 34-39.

(編輯 張愛琴)

Control method for grid-connected inverter with LCL filter by employing dual current closed-loops

LIU Wenjun1, ZHOU Long2, CHEN Jian1, TANG Xisheng2, SONG Yi3, HE Yuqing1

(1. Hunan Electric Power Corporation Economical & Technical Research Institute, Changsha 410004, China;2. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

A LCL filter is adopted as an interface between grid-connected inverter and power grid. The mathematical model of the LCL filter is built, and then a control method for grid-connected inverter with a LCL filter is proposed. This control method employs an external grid-side current loop and an internal inverter-side current loop. And this control method can not only protect power switches effectively, but also ensure the system stability and high in-grid power factor. Based on the Hurwitz stability criterion and Lienard Chipart stability criterion, the design method of controller parameters in inner and outer loops is derived. Simulations and experiments of grid-connected inverter in grid-connected mode are conducted. Simulation and experimental results validate the correctness and feasibility of the proposed method. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51207156).

grid-connected control; grid-connected inverter; dual closed-loop control; LCL filter; power factor

10.7667/PSPC151638

國家自然科學(xué)基金項目(51207156)

2015-09-14；

2016-01-21

劉文軍(1986-)，男，博士，工程師，研究方向為微型電網(wǎng)、電網(wǎng)規(guī)劃；E-mail: wenjunliu1346@163.com