劉吉宏， 劉鵬飛， 張樹新， 王劉菲

（北京電子科技職業(yè)學院 機電工程學院， 北京 100176）

0 引言

光伏并網逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)重要的能量轉換設備，其控制性能直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的電能質量[1]。 逆變器控制目標是濾除開關頻率的諧波，保證輸出電流的正弦度，實現(xiàn)對并網電流的精確跟蹤，保證滿足并網條件。

文獻[2]針對LC 型濾波并網逆變器提出了一種自適應滑模全局魯棒電壓控制算法，該算法可以降低逆變系統(tǒng)輸出電壓的抖振、諧波畸變率和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差，提高了逆變系統(tǒng)輸出電壓的動態(tài)調節(jié)能力及抵御濾波參數(shù)攝動的能力。 但LC 逆變系統(tǒng)并網時，輸出電壓被電網電壓鉗位，只有濾波電感對并網電流進行濾波，電容沒有濾波效果，影響并網電流和基準電流的相位以及并網效果。 與LC 型濾波器相比，LCL 型濾波器成本低、損耗小、濾波效果好，能夠減小并網電流的沖擊作用。 但LCL 型濾波器為欠阻尼三階系統(tǒng)，存在一個諧振點，容易發(fā)生諧振，影響系統(tǒng)穩(wěn)定和增加控制難度。 常用的諧振尖峰抑制方法主要有無源阻尼法和有源阻尼法[3]，[4]。無源阻尼法無需傳感器，無須改變控制算法，但在大功率場合中，電阻會消耗大量能量，需要加裝散熱裝置，增加了設備投入[5]，[6]。 有源阻尼法不增加額外的電阻，不會給電路帶來額外的能量損耗。 有源阻尼法可分為3 類：基于濾波器與電流調節(jié)器級聯(lián)的有源阻尼、基于系統(tǒng)降階的有源阻尼以及基于狀態(tài)變量反饋的有源阻尼[7]。目前，并網逆變器系統(tǒng)中，普遍使用有源阻尼法中的電容電流反饋控制法， 該方法增加了系統(tǒng)阻尼，提高了諧振尖峰抑制能力[8]，[9]。 文獻[10]提出了電容電流比例反饋和并網電流反饋的雙閉環(huán)控制策略，該策略雖然具有較好的動、靜態(tài)性能，但設計過程較復雜。為避免諧振，文獻[11]對系統(tǒng)進行降階處理，方便了控制算法的設計，但在前饋函數(shù)設計時沒有考慮逆變器的延時， 影響了系統(tǒng)控制效果。 由于逆變器的輸出電壓須與電網鉗位， 因此一般采用電流控制方案， 主要包括PI 控制、滯環(huán)控制、無差拍控制、比例諧振控制、準比例諧振控制、 重復控制和滑模變結構控制等[12]～[21]。 PI 控制易實現(xiàn)，在實際中應用較多，但對正弦量的跟蹤存在誤差，而且魯棒性能也較差?；Ｗ兘Y構控制的控制律更簡單， 對系統(tǒng)的數(shù)學模型精確性要求不高，并具有響應速度快、動態(tài)性好等優(yōu)點， 但所設計的滑模平面都是定常的滑模平面， 對滑模面以外的干擾和參數(shù)攝動不具有強魯棒性。

本文采用雙閉環(huán)的控制結構， 可以實現(xiàn)多目標的控制作用。內環(huán)引入濾波電容電流的比例-慣性反饋環(huán)節(jié)，抑制和提高帶寬；外環(huán)電流控制器采用全局魯棒滑模變結構控制，跟蹤給定的正弦參考信號，同時對外界干擾和參數(shù)不確定性具有全局魯棒性。 仿真結果驗證了本文方法在跟蹤效果和抗干擾方面優(yōu)于常規(guī)的PI 控制算法。

1 LCL 型濾波光伏并網逆變器數(shù)學模型

三相LCL 型光伏并網逆變器拓撲結構如圖1所示。圖中：Vdc為直流側電壓；Cd為直流側電容，維持母線電壓恒定；S1～S6為構成全橋逆變電路的6 個開關管；L1，L2，C 分別為LCL 濾波器的濾波電感及濾波電容；R1，R2為LCL 濾波電感的寄生電阻；i1為逆變器逆變側的電流；i2為逆變器并網側電流；Vg為電網電壓。

假定電網電壓三相波形對稱，并且沒有畸變。通過坐標變換，三相電路可轉換為兩相對稱電路，取LCL 濾波器的單相等效電路進行研究，單相電路拓撲結構如圖2 所示。

圖2 單相電路拓撲結構Fig.2 Topological structure of single-phase circuit

取LCL 型濾波器為被控對象，濾波器并網電流i2為被控量，電網電壓ug為擾動量。 由圖2 可得到單相LCL 濾波器結構框圖，如圖3 所示。

圖3 單相LCL 濾波器結構框圖Fig.3 Block diagram of single-phase LCL filter

不考慮寄生電阻，根據(jù)梅遜公式和圖3 可得：逆變器輸出電壓到入網電流i2的傳遞函數(shù)和電網電壓擾動ug到入網電流i2的傳遞函數(shù)分別為

2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計

2.1 LCL 型濾波器諧峰抑制

由式（1）得到圖3 的等效框圖，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)等效框圖Fig.4 The system equivalent block diagram

由于電容電流反饋簡單易于實現(xiàn)， 可采用該有源阻尼方式抑制尖峰諧振。 采用濾波電容電流比例反饋的有源阻尼方法，可以提高帶寬，同時可等效于在濾波電容上并聯(lián)阻尼電阻， 而并聯(lián)電阻的阻尼效果不如在電容支路上串聯(lián)電阻。 為達到與在濾波電容支路串聯(lián)電阻的等效效果， 在電容電流反饋回路中加入慣性環(huán)節(jié)， 提高了系統(tǒng)的阻尼，同時具有微分效果。反饋通道上的傳遞函數(shù)為

式中：T1為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)；Ki為慣性環(huán)節(jié)增益；Kp為比例增益。

引入電容電流比例-慣性反饋后， 逆變器輸出電壓到入網電流的傳遞函數(shù)為

2.2 基于全局魯棒滑?？刂频碾娏骺刂破髟O計

結合普通線性滑動模態(tài)與快速Terminal 滑動模態(tài)的優(yōu)點，通過設計合適的控制律，使系統(tǒng)在有限的時間內由滑動模態(tài)的任意初態(tài)漸進收斂到平衡零點。 利用Terminal 吸引子改善趨向平衡態(tài)的收斂速度，使得系統(tǒng)狀態(tài)無論在遠離平衡點，還是接近平衡點時，都具有快速收斂的速度。

由式（6）得到系統(tǒng)的能控標準型為

3 仿真及結果分析

外環(huán)分別采用PI 控制算法和全局魯棒滑模變結構控制算法， 內環(huán)采用基于電容電流比例-慣性反饋的有源阻尼算法，進行對比仿真研究。為便于比較， 對實驗結果作了歸一化處理。 仿真條件：電網電壓為220 V，直流側電壓為360 V，開關頻率為10 kHz。 LCL 濾波器參數(shù)：L1=1.066 mH，L2=1.022 mH，C=10 μF，R1=R2=0.005 Ω。

3.1 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能分析

理想電網條件下， 入網電流給定值為標準正弦函數(shù)，對比仿真實驗結果如圖5 所示。

圖5 入網電流性能對比曲線Fig.5 Comparison curve of state performance of grid current

由圖5 可知， 相同設計參數(shù)下，PI 控制算法存在跟蹤誤差， 而全局魯棒滑模變結構算法具有較好的跟蹤效果，能夠較快地跟蹤電流給定值。

3.2 魯棒性能分析

通過改變網側電感的方式模擬系統(tǒng)參數(shù)的攝動。將網側電感值由1.022 mH 變?yōu)?.5 mH 后，實驗曲線如圖6 所示。

圖6 參數(shù)攝動時入網電流對比曲線Fig.6 Comparison curve of grid current under parameter perturbations

由圖6 可以看出，當系統(tǒng)參數(shù)改變時，本文方法對改變不敏感，表現(xiàn)出較強的魯棒性。這是因為系統(tǒng)參數(shù)的攝動可被視為外界擾動， 全局滑模控制是通過設計一種動態(tài)非線性滑模面來實現(xiàn)的，消除了滑?？刂频竭_的運動階段， 使系統(tǒng)的狀態(tài)開始就位于滑模面上， 在響應的全過程對外界擾動具有強魯棒性，實驗結果驗證了這一點。

3.3 并網電流抗諧振能力分析

為驗證系統(tǒng)的諧振抑制能力， 在電網電壓中加入13 843 rad/s 的微量擾動信號，對比曲線如圖7 所示。

圖7 加入微量擾動時入網電流對比曲線Fig.7 Comparison curve of grid current under the micro-perturbations

由圖7 可以看出，與PI 控制算法相比，采用本文的控制策略，系統(tǒng)的入網電流更加光滑，諧振峰值得到了很好地抑制。

圖8，9 分別為兩種控制策略入網電流的諧波頻譜分析圖。

圖8 全局魯棒滑?？刂茣r入網電流諧波分析Fig.8 Harmonic analysis of grid current in GSMC

圖9 PI 控制時入網電流諧波分析Fig.9 Harmonic analysis of grid current in PI

由圖8，9 可以看出，基于全局魯棒滑模變結構的控制算法的總諧波失真 （Total Harmonic Distortion，THD）僅為1.59%，明顯低于常規(guī)PI 控制算法的THD 值12.84%。 實驗結果驗證了本文的控制策略在諧波抑制性能方面有明顯提高。

4 結論

LCL 型光伏并網逆變器是一個三階系統(tǒng)，在諧振頻率處存在幅值增益尖峰，穩(wěn)定裕度小。本文采用有源阻尼法， 通過電容電流反饋增加系統(tǒng)的阻尼，構成控制系統(tǒng)的內環(huán)，有效地抑制了諧振峰值。為了更好地跟蹤參考信號，有效地抑制電網電壓的干擾和模型參數(shù)攝動， 外環(huán)的電流控制器采用全局魯棒滑模變結構控制算法， 使系統(tǒng)的狀態(tài)始終位于滑模面上，保證控制的全局魯棒性。仿真結果驗證了控制方法的有效性。