单相LCL滤波器并网逆变器双闭环控制的研究

低压电器（２０１２Ｎｏ．８）　・分布式电源・　单相ＬＣＬ滤波器并网逆变器　双闭环控制的研究半　钱平，　王文发，　叶银忠　（上海应用技术学院工程训练中心，上海２０１４１８）　摘要：介绍了带电网电压前馈的电网电流外环、电容电流内环的双闭环控制策　略。在滤波参数设计的基础上搭建了仿真模型，分析了控制器参数对动态性能的影响。　基于理论分析，给出一种快速设计控制器的方法。仿真结果表明，该方案不仅能有效控　钱　平（１９６０一），　男，教授，研究方向　制逆变器入网电流，而且抗电网电压扰动能力强。　为电力电子和电力　关键词：并网逆变器；电流双闭环控制；ＬＣＬ滤波器　传动装置。　中图分类号：ＴＭ　４６４文献标志码：Ａ文章编号：１００１—５５３１（２０１２）ｏ８－ｏｏｌ８－０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｃｌｏｓｅｄ　Ｌｏｏｐ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｈａｓｅ　ＬＣＬ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｇｒｉｄ．Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＱＩＡＮ　Ｐ　，ＷＡＮＧ耽，扣，ＹＥ　Ｙｉｎｚｈｏｎｇ　（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｒａｉｎｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１４１８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｗｉｔｈ　ｇｒｉｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｕｔｅｒ　ｌｏｏｐ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｎｅｒ　ｌｏｏｐ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｆｅｅｄ—ｆｏｒｗａｒｄ　ｏｆ　ｇｒｉｄ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｆｉｌｔｅｒ　ｐａ—　ｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍ—　ａｎｃｅ．Ａ　ｑｕｉｃｋ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｃａｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｇｒｉｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ＬＣＬ　ｆｉｌｔｅｒ　０　引　言　反馈的间接电流闭环控制策略会产生相位误差，　难以做到入网电流的单位功率因数，同时，控制效　逆变器并网控制技术作为新能源发电系统中　果易受到电网参数变化的影响＿１　，而直接电流控　核心技术之一，受到普遍关注，而成本、稳定性、可　制，则可以很好地解决这个问题。本文详细介绍　靠性和快速性则是设计并网逆变器考虑的重要指　了以电网电流外环、电容电流内环的双闭环控制　标。相对于Ｌ、ＬＣ滤波器，采用ＬＣＬ滤波器的并　策略。采用电网电压前馈控制，以抑制电网电压　网逆变器具有体积小，对高次谐波衰减效果好的　扰动，并给出了快速的设计系统控制参数的方法。　优势。但是，ＬＣＬ的引入使得系统输出易出现振　荡现象。采用ＬＣＬ滤波器的并网逆变器广泛采　１　电容电流反馈双环直接电流控制　用的实用控制策略主要有两种：逆变器侧电感电　策略和系统建模　流反馈的间接电流控制策略和电网侧电感电流反　采用ＬＣＬ滤波器的并网逆变器的主电路如　馈的直接电流控制策略。采用逆变器侧电感电流　图１所示。其中，直流输入电压Ｕ　＝４００　Ｖ，ｉ　为　王文发（１９８７一），男，硕士研究生，研究方向为可再生能源与船舶电力推进控制系统。　叶银忠（１９６４一），男，教授，博士生导师，研究方向为控制理论与控制工程、系统仿真技术。　基金项目：上海市科委基金（０９２２０５０２５００）　１８—　・分布式电源・　低压电器（２０１２Ｎｏ．８）　逆变器输出电流，ｉ　为电容电流，ｉ　为人网电流，　“ｃ为电容电压，　为电网电压。逆变器额定容量　Ｐ　。ｄ＝３　ｋＶＡ，开关频率　＝２０　ｋＨｚ。　图２幅频特性曲线　Ｇ㈤＝　＝　ｌＬ２Ｃｓ。＋Ｋｐ　Ｌ２Ｃｓ　＋Ｌｓ　（２）　式中图１　电流双闭环并网逆变器控制结构　Ｋ　——增益环节系数　加入电容电流反馈后，谐振尖峰得到了很好　的抑制，ＬＣＬ滤波器的高频衰减能力却没有衰减。　逆变器输出端电压ｕ到并网侧电感电流ｉ，　的传递函数为　Ｇ　２通常，双闭环直接电流控制策略设计内环带宽远　高于外环，由于外环的响应速度慢，故引入电网电　压前馈环，以改善闭环系统的抗电网扰动能力。　（ｓ）Ｉ　（　）：ｏ　［Ｌ１Ｌ２Ｃ　＋（Ｒ２，Ｊｌ＋Ｒ１Ｌ２）Ｃｓ　＋　设计的ＬＣＬ滤波器参数Ｌ　＝３　ｍＩ－Ｉ，Ｃ＝５　ｔ．ｚＦ，　（１）　Ｌ：：０．６　ｍＨ　。由于开关频率远高于电网基波　（ＲｌＲ２Ｃ＋　ｌ＋Ｌ２）ｓ＋　ｌ＋　２］一　式中　——拉普拉斯算子　频率，忽略开关动作对系统的影响，将ＰＷＭ逆变　单元近似为一增益环节Ｋ。　。并网逆变器的系统　模型如图３所示。根据系统模型，可推出入网电　对应的幅频特性曲线如图２所示。由图２可　见，其为严重欠阻尼系统。谐振尖峰的存在，会引　起电流波形畸变。如果采用典型的Ｐ、ＰＩ或ＰＩＤ　流的开环传递函数为　Ｇ【ｒ（ｓ）＝　＝　ｆ３、　调节器，闭环系统是不稳定的　Ｊ。当电容支路上　串联阻值为１０　ｎ的电阻后，即以增加无源阻尼的　方式抑制了谐振，增加了系统的稳定性，但却降低　了ＬＣＬ滤波器的高频衰减能力，同时还增加了系　Ｌ１Ｌ２Ｃｓ　＋ＫＫｐ　Ｌ２Ｃｓ。＋Ｌｓ　统的损耗　Ｊ。若采用有源阻尼方案，忽略电感寄　生电阻和电网等效阻抗，求得当电容电流反馈系　数为１时，从外环ＰＩ控制器的输出Ａ（Ｓ）到并网　侧电感电流ｉ　的开环传递函数为　式中　。　——与电网电压同频、同相的并网电流　参考信号　——电网电压前馈系数　Ｋ——电流内环调节器比例系数　（Ｓ）——电容电流指令值　二　、．　一厂　一　厂　—　ｌＩ—ｌ　ＬＣｓ２Ｃ＋ｓ　（Ｌ＋　１也：）　ｌ　迭　ｌ　图３并网逆变器系统模型　低压电器（２０１２Ｎｏ．８）　・分布式电源・　２　系统性能分析和控制器参数设计　人网电流的开环传递函数特征方程阻尼系数　为　，　一大的方便。在Ｓｉｓｏｔｏｏｌ中，选择滞后补偿，经过鼠　标操作，闭环波特图在ｋ　＝０．３８，ｋ．：１　５００的系　统稳定裕度较好，相角裕度Ｐ　：３３．５。，幅值裕度　Ｇ　＝７．４０　ｄＢ；保持积分常数ｋｉ不变，拖动鼠标使　ｋ　变化，当ｋ　＝０．４８，ｋｉ＝１　５００时，Ｐ　＝３２．９。，　ＧＭ＝６．１７　ｄＢ。当ｋ　＝０．４８，ｋｊ＝１　５００时，Ｓｉｓｏｔｏｏｌ　ＫＫｐ　／Ｌ２Ｃ　２一√　为了兼顾系统的阻尼效果和动态性能，一般　取　＝０．７０７。　表征系统性能图如图４所示。为了比较参数变化　对仿真带来的影响，令ｋ　＝０．３８，　ｊ＝１　８００，得到　补偿后的稳定裕度Ｐ　＝２８．５。，Ｇ　＝７．１　ｄＢ。由　本文利用Ｍａｔｌａｂ自带的Ｓｉｓｏｔｏｏｌ进行闭环参　数设计和调整。与Ｓｉｓｏｔｏｏｌ动态连接的可视分析　工具ＬＴＩｖｉｅｗｅｒ可立即显示鼠标操作后的设计结　果，从而给分析系统的稳定性和快速性带来了极　×１０４　００　图４可见，　增大，稳态误差减小，但稳定裕度略　有减小　５Ｏ　号　一　０　￣　－１０　０｝．．——＼。。ｊ丝　５０　００　［　．二二．　ｌ　　－・二］　１０　１０　ｌ０　　．．．．　×１０４　—　５０　鎏：一｝３１８６。０［二　　一　ｌ０３　实轴　（ａ）开环根轨迹　（ｂ）编辑开环波特图（ＯＬ１）　（ｃ）编辑开环波特图（ＯＬ１）　（ｄ）编辑闭环波特图（ＯＬ１）　图４　Ｓｉｓｏｔｏｏｌ表征系统性蚀图　加入ＰＩ后，闭环系统的特征方程为　Ｄ（ｓ）＝ＬｌＬ２Ｃｓ　＋ＫＫ。　Ｌ２Ｃｓ　＋　厶　＋ｋｐＫＫ　ｓ＋ｋｉＫＫｆ】ｗｍ　（４）　零。对于ＬＣＬ滤波器，为避免电网电压前馈系数　准确表达式中包含的双重微分导致软件实现　不容易　，只需近似满足，即　＝　式中ｋｌ——外电流环ＰＩ调节器积分系数　——１　（６）　外电流环ＰＩ调节器比例系数　根据劳斯稳定判据，求得系统的稳定的条件　为　一　３　系统仿真分析　为验证理论分析的正确性和电流双闭环控制　系统的稳定性、动态性能，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿　真环境下搭建仿真模型开关，如图５所示。　并网电流和电压仿真波形图如图６所示。由　图６可见，ｉ　波形光滑，且与“　相位基本一致。　＝。Ｌ１＞０　ｋｐ（Ｌ—ｋｐＬ１）一ＫＫｐｗ『¨ｋ　Ｌ２Ｃ＞０　（５）　只有满足式（５）的ｋ　、ｋｉ，才能保证系统是稳　定的。验证数据Ｋ＝０．１７８　９，ｋ　＝０．４８，ｋｉ＝　１　５００，可知系统是稳定的，与Ｓｉｓｏｔｏｏｌ中的分析是　一致的。　０．４８，ＴＨＤ＝１．０８％；　＝０．３８，ＴＨＤ＝　加入前馈，是为了在内环系统中加入电网电　压前馈控制，以增强系统的抗扰性。忽略延迟环　１．１９％，这是因为当ｋ　在一定范围内增大时，有　较宽的系统带宽，跟踪速度快，从而有更好的波　形。但从Ｓｉｓｏｔｏｏ１分析可知，系统的稳定裕度下　节，当三角调制波峰值Ｕ　＝１时，对于单滤波器，　为了抵消电网电压的扰动影响，使电压干扰通道　传递函数与控制通道的作用相互抵消，电压前馈　只要满足式（６），就可使电网电压干扰的影响为　一降。仿真分析工具与经典控制理论是一致的，设　计控制器时，需在系统的稳定性和响应快速性间　作出折中选择。　２０一　・分布式电源・　【ｌ譬Ｉｐ．　００【）　低压电器（２０１２Ｎｏ．８）　＾　寝一．．蜒ｌＥ弦波４　图５基于ＰＩ调节器的电流双闭环控制仿真模型　Ｏ　０　蓬０　一．．寝呈。　０　Ｉ　Ｉ　．　．　５　０００　１０　０００　１５　０００　２０　０００　ｌ　０　０　５　０００　１０　０００　１５　０００　２０　０００　Ｏ　０　０１　／ｓ　０　０２　０　０３　０　０　ｆｌ　Ｈｚ　ｆｌ　Ｈｚ　（ａ）ｋ。＝０．４８，　．＝１　５００　（ｂ）ｋｐ＝０．３８，ｋｉ＝１　５００　（ｃ）ｋ。＝０．４８，ｋ。＝１　５００　图６并网电流波形及畸变　逆变器工作动态仿真波形如图７所示。由　图７可见，系统在并网电流突变的情况下，仍能稳　定运行；但在半载到满载的过程中，需考虑到系统　出现的最坏情况，即当电流达到峰值时，负载发生　２５．２　Ａ（跳变幅度达到稳定后稳态的３１％），这在　系统设计时需充分考虑；逆变器在电网扰动下，系　统在电网额定电压１５％内波动，可以稳定运行，　且并入电网电流基本保持不变。　突变，此时电流波形出现毛刺，电流峰值可达到　０　０．０ｌ　０　０２　Ｏ．Ｏ３　０．０４　０．Ｏ５　０．０６　ｔ／ｓ　。　。川。ｍ。　。ｍ。　。　暑　。　ｆ／ｓ　。　０．０４　ｔ／ｓ　０．Ｏ６　０．Ｏ８　（ａ）由半载到满载　（ｂ）由满载到半载　（ｃ）电网扰动图　图７逆变器工作动态仿真波形图　（下转第２６页）　２ｌ一　一低压电器（２０１２Ｎｏ．８）　・分布式电源・　（上接第２ｌ页）　４　结　语　本文主要是采用了基于ＰＩ调节器带电网电　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｃ］∥ＩＥＥＥ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｃａｎａｄａ：ＩＥＥＥ　２００６：１－６．　压前馈并网逆变器的电流双闭环控制策略，使用　［３］　ＬＩＳＥＲＲＥ　Ｍ，ＢＬＡＡＢＪＥＲＧ　Ｆ，ＨＡＮＳＥＮ　Ｓ．Ｄｅｓｉｇｎ　了快速设计控制器的方法，很有实际意义，结合理　论分析和仿真，达到了理想的要求。该方案不仅　能有效控制逆变器入网电流，而且抗电网电压抗　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａｎ　ＬＣＬ—ｉｆｌｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ［Ｊ］∥　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５，４１　（２）：１２８１—１２９１．　［４］　张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制　［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１１．　ａｂｉｌｉｔｙ　［５］　ＬＩＳＥＲＲＥ　Ｍ，ＤＥＬＬ　Ａ　Ａ，ＢＬＡＡＢＪＥＲＧ　Ｆ．Ｓｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａｎ　ＬＣＬ・－ｉｌｆｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｔｈｒｅｅ—・ｐｈａｓｅ　ａｃｔｉｖｅ　动能力强。因此，其有着很好的设计参考意义。　【参考文献】　吴卫民，刘松培，何远彬，等．单相ＬＣＬ并网逆变器　电流控制综述［Ｊ］．电源学报，２０１１（３４）：５１－５８．　［２］　ＺＵＥ　Ａ　Ｏ，ＣＨＡＮＤＲＡ　Ａ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａ—　ｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　１００　ｋＷ　ｇｒｉｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ＬＣＬ　ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ［Ｃ］∥ＩＥＥＥ　３３ｔｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｐｅｃｉａｌ—　ｉｓｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｅｅ，Ｃａｉｒｎｓ，Ａｕｓｔｒａｌｉａ：ＩＥＥＥ，２００２：　ｌ１９５—１２０１．　收稿日期：２０１１—１２—１２　【主要栏目设置】　・综述・研究与分析・智能电器・现场总线与网络通信・智能配网自动化・智能电表　・检测技术・智能成套电器・分布式电源・电能质量・标准研究与分析・新产品介绍　行业信息　・投稿信箱：ｌｖａ＠ｓｅａｒｉ．ｃｏｍ．ｃａ　在线投稿￣ｈｔｔｐ：／／ｌｖａ．ｃｈｉｎａｅｌｃ．ｃａ　２６—