崔利寧,蘇宏升

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基于重復(fù)多諧振的LCL并網(wǎng)逆變器復(fù)合控制策略

崔利寧,蘇宏升

蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070

在LCL型逆變并網(wǎng)系統(tǒng)中，諧波的出現(xiàn)會導(dǎo)致電力電子器件損耗、電機(jī)和變壓器效率降低、電容器發(fā)熱損耗以及干擾通訊控制系統(tǒng)等諸多危害。本文在分析LCL型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，利用準(zhǔn)PR控制可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，以及重復(fù)控制可以抑制電網(wǎng)周期性擾動的特性，提出一種多諧振控制與重復(fù)控制級聯(lián)的新型控制策略，通過設(shè)定諧波次數(shù)，更大程度降低并網(wǎng)電流中的諧波含量，實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤基波頻率同時，改善并網(wǎng)電能質(zhì)量，增強(qiáng)高頻抗干擾能力，使得并網(wǎng)電流具有更好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。從理論和仿真實(shí)驗方面驗證了LCL逆變系統(tǒng)中新型控制策略對并網(wǎng)電流的控制作用以及對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

并網(wǎng)逆變器; 多諧振重復(fù)控制; 諧波抑制

隨著化石燃料開采過多并且對環(huán)境造成很大程度的污染，越來越多的清潔分布式能源得到廣泛的應(yīng)用，其并網(wǎng)消納問題則成為研究的重點(diǎn)[1]。為實(shí)現(xiàn)分布式能源的并網(wǎng)電能質(zhì)量的提升，入網(wǎng)電流控制的研究是并網(wǎng)很重要的環(huán)節(jié)[2]。

由于實(shí)際電網(wǎng)中逆變器輸出電流含有諧波，如果不濾波而直接并網(wǎng)，會導(dǎo)致高次諧波電流注入電網(wǎng)造成諧波污染[3]。為此，必須在逆變器與電網(wǎng)接口處加裝濾波裝置，相對于L型濾波器，LCL型濾波器在同樣性能要求及較低開關(guān)頻率條件下，能夠使總電感量和濾波器體積大幅減小，因此較為廣泛采用[4]。傳統(tǒng)的PI控制方式具有較為簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是在穩(wěn)態(tài)跟蹤方面不能完全做到無靜差跟蹤,這樣就導(dǎo)致輸出波形質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),必須對濾波器自身的諧振進(jìn)行消除并且采用合理的控制方法消除諧波干擾，盡量的降低總諧波失真[5,6]。文獻(xiàn)7利用采用重復(fù)控制可以在更寬頻率范圍內(nèi)抑制電網(wǎng)周期性擾動。但是電網(wǎng)頻率發(fā)生偏差會造成重復(fù)控制高增益頻段基波和諧波頻率偏移的問題，文獻(xiàn)8針對這一問題造成系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度降低提出了一種多內(nèi)膜的重復(fù)控制，提高了電網(wǎng)頻率偏差時的穩(wěn)態(tài)精度，提高系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能。文獻(xiàn)9則針對PI加重復(fù)控制出現(xiàn)控制耦合的問題提出零相位跟蹤控制。多諧振控制具有動態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，但是諧波含量仍然較高，重復(fù)控制對于周期性擾動有良好的跟蹤效果，在更寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)諧波抑制，但是存在動態(tài)響應(yīng)差的缺點(diǎn)。

本文的控制方法結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，更大程度降低諧波畸變率的同時獲得良好的動態(tài)響應(yīng)性能。采用多諧振和重復(fù)控制復(fù)合控制的方法抑制入網(wǎng)電流出現(xiàn)的多次諧波，實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，增強(qiáng)高頻抗干擾能力。對于LCL濾波器自身出現(xiàn)的諧振，采用了無源阻尼抑制自身諧振。本文搭建了三相LCL型逆變器并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分析了復(fù)合控制策略的數(shù)學(xué)模型、最后在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，驗證本文的控制策略能夠抑制電網(wǎng)中存在的多次諧波，使入網(wǎng)電流能夠無差跟蹤入網(wǎng)電壓，提升系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

1 基于重復(fù)和多諧振控制的LCL逆變器系統(tǒng)模型

圖 1 LCL型Z源并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1為三相LCL型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過Z源逆變器的簡單升壓之后接入LCL濾波器之后并入電網(wǎng)，在實(shí)現(xiàn)適當(dāng)升壓的同時對電路中的諧波進(jìn)行有效抑制，從而提升并網(wǎng)波形質(zhì)量。圖中1k(=a、b、c)為逆變器輸出側(cè)電流，1、2為濾波電感，為濾波電容，2k為并網(wǎng)電流，ck為濾波電容電壓，R為濾波電容阻尼電阻，u為電網(wǎng)電壓。

由三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程可得到電容串聯(lián)電阻的LCL并網(wǎng)逆變器控制流程圖如下。

圖2 LCL并網(wǎng)逆變器控制框圖

為抑制LCL出現(xiàn)的諧振峰需加入阻尼電阻，本文在電容支路串聯(lián)電阻R，可以有效地抑制諧振峰，逆變器側(cè)電壓到并網(wǎng)電流的傳遞函數(shù)為：

加入阻尼電阻后的開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖如下，可以看到諧振峰被抑制。

圖3 LCL并網(wǎng)逆變器開環(huán)波特圖

Fig.3 Bode map of open loop for LCL grid connected inverter

本文采用逆變器側(cè)電流反饋的單環(huán)控制，控制方法結(jié)合重復(fù)控制和比例諧振控制，采用基于多諧振控制的重復(fù)控制法。

2 基于多諧振控制的重復(fù)控制控制器的設(shè)計

2.1 改進(jìn)的多諧振控制器的設(shè)計

傳統(tǒng)的電流控制采用PI控制，是在進(jìn)行Park變換后在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行跟蹤控制，但dq坐標(biāo)系存在強(qiáng)耦合，控制需要引入前饋補(bǔ)償項。所以本文選取兩相靜止坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型，無需解耦。比例諧振控制器在設(shè)定的諧波頻率處有較高的增益[10]，從而可以根據(jù)設(shè)定的諧波次數(shù)對特定的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，本文采用多諧振控制器濾除電網(wǎng)電壓中的多次諧波，為了消除電網(wǎng)電壓中較為常見的諧波，本文設(shè)定諧波次數(shù)為5、7、11、13次，如下為控制器的表達(dá)式。

其中1為基波補(bǔ)償器，2為諧波補(bǔ)償器，G為多諧振控制器，在基波頻率處，K1為基波補(bǔ)償器諧振因子，1為阻尼比，1為諧振角頻率，在各次諧波補(bǔ)償器處，=5、7、11、13，ω=×1，K為諧波補(bǔ)償器比例系數(shù)，K為諧波補(bǔ)償器諧振因子。表1為基于多諧振的重復(fù)控制器參數(shù)和LCL濾波器的參數(shù)。

表1 多諧振控制器和LCL濾波器的參數(shù)

對于LCL濾波器，本文采用逆變器側(cè)電流單環(huán)控制法，同時加入電壓前饋補(bǔ)償可以提高動態(tài)響應(yīng)速度，消除電網(wǎng)電壓擾動的影響。在坐標(biāo)系下引入逆變器側(cè)電流反饋的控制框圖如下。

圖4 逆變器側(cè)電流反饋的控制框圖

2.2 重復(fù)控制器的設(shè)計

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)膜原理的控制方法，其本質(zhì)是將外部信號的數(shù)學(xué)模型嵌入到控制器中，從而實(shí)現(xiàn)無誤差跟蹤[11]，系統(tǒng)重復(fù)和多諧振復(fù)合控制框見圖5。

圖5 重復(fù)和多諧振復(fù)合控制框圖

根據(jù)系統(tǒng)重復(fù)控制框圖以及小信號穩(wěn)定性分析得到重復(fù)多諧振復(fù)合控制系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)為

式中()=PWM×G1,

式中：-N為延時環(huán)節(jié)，為一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

本文取采樣頻率為20 kHz，電網(wǎng)的基頻50 Hz，在此取()=0.95，()為補(bǔ)償器，用來延時環(huán)節(jié)-N，補(bǔ)償環(huán)節(jié)()是根據(jù)被控對象()的特性設(shè)計的，以期達(dá)到對系統(tǒng)輸出信號無靜差跟蹤的效果，并抑制干擾信號。補(bǔ)償器()的設(shè)計是重復(fù)控制的核心部分[12]。本文將補(bǔ)償器的設(shè)計分為兩部分，即相位補(bǔ)償和幅值補(bǔ)償。設(shè)計如下：()=KzS() (5)

式中K為重復(fù)控制的增益，z補(bǔ)償高頻處相位滯后，最終的相位為數(shù)字控制、()、()和z復(fù)合的相位，重復(fù)控制的延遲特性為z對相位滯后補(bǔ)償提供了可能性。1()為陷波器，利用其零相移的特點(diǎn)對逆變器出現(xiàn)的諧振峰進(jìn)行補(bǔ)償，消除諧振峰值，2()為二階低通濾波器，其目的是增強(qiáng)高頻開關(guān)紋波衰減能力，防止系統(tǒng)因高頻分量發(fā)生震蕩。陷波器1()的數(shù)學(xué)模型如下。

進(jìn)行補(bǔ)償后的波特圖如圖6所示，圖6是經(jīng)過幅值補(bǔ)償器校正前后的對比圖，可以看出經(jīng)過二階低通濾波器補(bǔ)償之后，高頻處增益幅值得到衰減，加入陷波器和二階低通濾波器同時補(bǔ)償之后，高頻增益迅速下降的同時，諧振峰值也得到衰減。但同時由于幅值補(bǔ)償和被控對象自身產(chǎn)生了一定的相位滯后，使系統(tǒng)無法準(zhǔn)確跟蹤，因此需要加入相位補(bǔ)償。

圖 6 幅值補(bǔ)償器校正前后波特圖

圖 7 不同k值下相位滯后補(bǔ)償波特圖

圖7是加入相位補(bǔ)償后不同值下的波特圖，比較可以看出=3的時候相位誤差近似零相移。從圖中可以看出，在進(jìn)行幅值和相位補(bǔ)償之后，雖然高頻段仍然存在相位偏差，但是從圖中的幅值特性曲線可以看出，系統(tǒng)的高頻幅值衰減幅度較大，因此產(chǎn)生的影響很小，此外為了補(bǔ)償數(shù)字控制器延遲一拍產(chǎn)生的滯后，需再超前補(bǔ)償一拍，最終取=4。

3 仿真與實(shí)驗驗證

根據(jù)前面推倒的理論在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置直流側(cè)電壓為300 V，工頻50 Hz，開關(guān)頻率10 kHz。

圖 11 準(zhǔn)PR控制方式下的FFT圖

圖 12 基于多諧振的重復(fù)控制方式下的FFT圖

圖11為準(zhǔn)PR控制方式下的FFT圖，圖12為基于多諧振控制的重復(fù)控制下的FFT圖，可以看出準(zhǔn)PR控制下，總電流波形畸變率較高，采用了基于多諧振準(zhǔn)PR控制和重復(fù)控制的復(fù)合控制方法后，電流諧波畸變得到了很大的改善。5，7，11次諧波畸變率分別為0.28，0.27，0.14，都低于0.5%，符合入網(wǎng)電流單次諧波含量規(guī)定值,采用多諧振控制方式下系統(tǒng)的總諧波含量為2.16%，相比之下基于基于多諧振和重復(fù)復(fù)合控制方式下系統(tǒng)的諧波含量為1.28%，有效地削弱電網(wǎng)電壓擾動對并網(wǎng)電流的干擾。

圖13 采用多諧振和重復(fù)復(fù)合控制方式下的并網(wǎng)電壓電流波形

由圖13可以看出并網(wǎng)電流波形為正弦波形，證明本文的方法可以提高并網(wǎng)電流的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，改善并網(wǎng)電能質(zhì)量。

4 結(jié)論

針對電網(wǎng)電壓中存在的諧波對并網(wǎng)電流的干擾，以及LCL濾波器自身產(chǎn)生的諧振，本文在LCL型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中引入一種準(zhǔn)PR復(fù)合控制的新型控制策略，對并網(wǎng)電流基波頻率實(shí)現(xiàn)無誤差跟蹤，并濾除特定次數(shù)的諧波。將傳統(tǒng)的準(zhǔn)PR控制和基于多諧振控制的復(fù)合控制的數(shù)學(xué)特性作比較，從理論上驗證了所提控制方法的優(yōu)越性。通過Matlab/Simulink仿真軟件，對比了準(zhǔn)PR控制和基于多諧振控制的復(fù)合控制對并網(wǎng)電流波形的控制作用，通過輸出波形的THD值和特定次數(shù)的諧波畸變率驗證了控制方法的優(yōu)勢。分析理論和實(shí)驗的結(jié)果表明，采用了基于準(zhǔn)PR控制的復(fù)合控制策略后，不僅有效抑制了電網(wǎng)電壓周期性擾動，改善并網(wǎng)電能質(zhì)量，同時還可以保證系統(tǒng)獲得較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

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A Multiple Control Strategy for LCL Grid-connected Inverter Based on Repetitive Multi-resonance

CUI Li-ning,SU Hong-sheng

730000,

In the LCL inverter grid-connected system, the occurrence of harmonics can lead to loss of power electronics, reduction efficiency of the motor and transformer, loss of capacitor heating and interference with communication control systems. After analyzing the LCL-type grid-connected inverter topology, this paper prevents the repetitive control based on multi-resonance control combining the advantage of the quasi-PR control which can realize the tracking without static tracking and the repeated control which can suppress the periodic disturbance of the grid voltage . The new control strategy of the joint reduces the harmonic content in the grid-connected current to a greater extent by setting the harmonic order ,and tracks the fundamental frequency without static,and improves the power quality of the grid, and enhance the high-frequency anti-interference ability, the grid-connected current has better steady state and dynamic performance. From the theoretical and simulation experiments, the control effect of the new control strategy on the grid-connected current in the LCL-type inverter system and its influence on the stability of the system are verified.

Grid-connected inverter; multiple resonance repetitive control; harmonic suppression

TM464

A

1000-2324(2019)01-0154-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.035

2018-02-06

2018-03-21

甘肅省科技計劃資助(17JR5RA083);蘭州交通大學(xué)優(yōu)秀科研團(tuán)隊資助(201701)

崔利寧(1993-),女,碩士研究生,主要研究方向為微電網(wǎng)并網(wǎng)電能質(zhì)量. E-mail:1075476781@qq.com