lcl型三相光伏并网逆变器新型控制策略研究

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LCL型三相光伏并网逆变器新型控制策略研究*王金强，王思华（兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州730070）摘要：LCL滤波型并网逆变器是高阶多变量控制系统，传统并网电流单一控制方法，不能确保系统稳定性良好的同时又较好的改善并网电流质量。为此提出了一种基于LCL型并网逆变器的新型复合电流控制技术。文中详细分析了LCL滤波器的特点，其在谐振频率处存在谐振尖峰，通过在电流环中增加陷波器的方法实现了LCL滤波器的有源阻尼，提高系统稳定性的同时又不需要额外增加传感器；并网电流调节器将重复控制(RC)和准比例谐振控制(QPR)有机结合,提高了系统的动态响应速度，且降低本地非线性负载扰动和电网电压频率波动对并网电流质量造成的影响,实现对基频信号的无静差跟踪控制和单位功率因数并网。通过Matlab/Simulink仿真测试，验证了陷波器有源阻尼及重复准PR复合控制策略的正确性和有效性。关键词：并网逆变器；LCL滤波器；陷波器；重复控制；准比例谐振控制中图分类号：TM464文献标识码：A文章编号：1001-1390（2018）00-0000-00Researchonnewcontrolstrategyforthree-phasePVgrid-connectedinverterwithLCL-typeWangJinqiang,WangSihua(SchoolofAutomationandElectricalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)Abstract：LCLfiltertypegrid-connectedinverterisahigh-ordermulti-variablecontrolsystem,whilethetraditionalgrid-connectedcurrentsinglecontrolmethod,cannotensuresystemstabilitywellandbetterimprovethequalityofgrid-connectedcurrent.AnovelcompositecurrentcontroltechnologybasedonLCLtypegrid-connectedinverterisproposed.Inthispaper,thecharacteristicsofLCLfilteraredetailedlyanalyzedindetail,LCLfilterhasresonantpeaksinresonantfrequencies,theactivedampingoftheLCLfilterisrealizedbyaddingthenotchfilterinthecurrentlooptoimprovethestabilityofthesystemwithouttheneedofadditionalsensor.Thegrid-connectedcurrentregulatorwillTherepetitivecontrol(RC)andquasi-proportionalresonancecontrol(QPR)arecombinedbythegrid-connectedcurrentregulatortoimprovethedynamicresponsespeedofthesystemandreducetheinfluenceoflocalnonlinearloaddisturbanceandgridvoltagefrequencyfluctuationonthequalityofthegrid-connectedcurrent,achievenon-staticerrortrackingcontroloffundamentalsignalandunitpowerfactorgrid-connected.ThecorrectnessandvalidityoftheactivedampingofthenotchfilterandrepetitiveQPRcomplexcontrolstrategyareverifiedbyMatlab/Simulinksimulationtest.Keywords：grid-connectedinverter,LCLfilter,notchfilter,repetitivecontrol,quasiproportionalresonancecontrol0　引言当今社会能源枯竭问题和环境污染问题越来越严峻，新能源发电技术为解决该问题提供了一个重要的途径。并网逆变器是发电系统和电网连接的核心部件和关键技术，其性能直接关系到并网电流质量[1]。并网逆变器普遍采用LCL型滤波器，它比L型和LC型滤波器具有更好的谐波抑制效果，但LCL型滤波器是一个高阶系统，在谐振频率处存在谐振尖峰，甚*基金项目：国家自然科学基金资助项目（51567014）；中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2016J010-C）至会造成系统的不稳定。因此研究LCL型并网逆变器的控制策略具有重要的理论意义和实用价值[2]。至今已有很多学者对并网逆变器的电流控制策略进行了大量研究。文献[3]通过 控制框图的等效变换，并调整相应的反馈函数，从控制上模拟出一个虚拟电阻，采用电容电流比例反馈等效替代电容并联电阻的无源阻尼法，但该方法需要额外增加传感器。文献[4]提出了无差拍控制策略，对瞬时扰动的抑制效果良好，但对周期性干扰的抑制能力有限。文献[5]提出了重复控制，提高了系统的稳态性能，但它固有的不足是动态响应过程中有一个基波周期延迟。文献[6]采用的比例谐振控制器个数较多，增加了计算量和系统复杂程度。文献[7]提出了基于重复PI的复合控制策略，比例积分控制可以提高系统的快速性，但是积分环节的引入会使系统产生相位误差，致使系统的控制性能下降。本文提出了一种基于陷波器有源阻尼结合重复准PR复合并网电流控制策略，通过陷波器阻尼来抑制LCL滤波器的谐振尖峰，在保证系统稳定的条件下，重复准PR控制保留了准PR控制对并网基波电流的无差跟踪和重复控制较高的稳态精度性能。最后利用Matlab/Simulink仿真平台验证了该新型复合控制策略对抑制谐振和提高入网电流质量的有效性和可行性。1　LCL型并网逆变器数学模型三相LCL型光伏并网逆变器主电路拓扑结构如图1所示。图中PV为光伏阵列，Cdc为直流侧电容，udc为输入侧直流母线电压，VT1-VT6为逆变器开关管，uinv为逆变器桥臂输出电压，L1k为逆变器侧滤波电感，L2k为电网侧滤波电感，Ck为滤波电容，它们组成LCL型滤波器。i1k为逆变器侧电流，igk为并网电流，ick为滤波电容电流，uck为滤波电容电压，ugk为三相电网电压，其中，下标k=a、b、c，忽略滤波电感和电容的寄生电阻。实际的电网电压连接在公共并网点(pointofcommoncoupling，PCC)处，而PCC附近通常连接有本地非线性负载(如弧焊机、饱和变压器和电气化轨道交通等)。图1三相LCL型光伏并网逆变器主电路拓扑结构Fig.1ThemMaincircuittopologystructureofthree-phaseLCL-typephotovoltaicgrid-connectedinverter假定电网电压ugk稳定且三相对称，以逆变器侧电感电流i1k、电网侧电感电流igk和滤波电容电压uck为状态变量，由基尔霍夫电压电流定律(KVL、KCL)可得到逆变系统的状态空间方程为：(1)式中dk为控制信号。由式(1)可得LCL滤波器的模型框图如图2所示，此处省略了三相符号k，下文亦是如此。图2LCL滤波器的模型框图Fig.2ModelblockdiagramofLCLfilter若将电网电压ug当成扰动输入量时，可以得到LCL滤波器进网电流ig和桥臂间输出电压uinv之间的开环传递函数为：(2)由式(2)可知基于LCL滤波器的逆变系统阻尼系数非常小，进而并网电流中高频谐波的含量升高，而且LCL滤波器是一个三阶系统，会在谐振频率处发生谐振，导致系统不稳定。因此有效抑制LCL滤波器的谐振是保证高质量进网电流的前提条件。LCL滤波器的谐振角频率为：(3)并网逆变器采用双极性SPWM调制，开关频率远高于基波频率，所以可将SPWM逆变单元当做增益KPWM，可取KPWM=udc。则并网逆变器传递函数为：(4)2　控制系统结构本文提出一种新型的并网逆变器复合控制方法，图3为总体并网结构模型，控制系统如图3下半部分所示，基于陷波器的有源阻尼法抑制LCL滤波器的固有谐振，并网电流控制器采用重复控制并联准比例谐振控制的新型入网电流控制 来提高入网电流质量。光伏并网控制原理是：由采集到的直流侧电压udc和无功电流给定iq*=0计算生成参考并网电流ig*，将实际电流信号ig与ig*差值输入复合控制器产生控制主电路开关的SPWM信号，从而实现单位功率因数并网。图3总体并网结构模型Fig.3Overallgrid-connectedstructuremodel2.1　谐振抑制环节的设计针对LCL型并网逆变器系统自身谐振问题，抑制谐振尖峰最直接的方法是无源阻尼法，即在LCL滤波器的滤波电感或电容上串并联阻尼电阻来增加系统阻尼，提高系统稳定性，该方法物理意义明确、简单稳定性高，但对系统的损耗较大。有源阻尼法是通过反馈状态变量来增加系统阻尼，模拟阻尼电阻的作用，减小了对系统的阻尼损耗。有源阻尼法频率特性如图4所示，由图4(a)可知，电容电压一次微分反馈有效抑制了谐振尖峰，但在工业应用中，微分器会引起噪声问题，理想的微分是很难做到的，而且需要额外增加传感器[8]。而采用陷波器阻尼时，随着q值的增大，陷波器带宽变窄，会对谐振频率的变化越敏感。当陷波器的陷波频率与LCL滤波器的谐振频率相等时，在LCL滤波器的谐振频率处，陷波器就会提供一个反谐振尖峰来抵消LCL滤波器的正谐振尖峰，而在低频段和高频段，陷波器阻尼的增益为0，因而不会影响LCL滤波器在这些频段的幅频特性，LCL的固有谐振得到了显著的校正，提高了控制系统的稳定性。(a)电容电压一次微分反馈(b)陷波器阻尼图4有源阻尼法频率特性Fig.4Frequencycharacteristicofactivedampingmethod当陷波器只有一对位于虚轴的共轭零点和共轭极点时，陷波器仅有一个陷波频率，其传递函数为：(5)式中q为陷波器的品质因数；ωn为陷波频率。(6)式中K为配置函数。2.2　并网电流控制环节的设计2.2.1　准PR控制器的设计并网电流调节器通常采用PI、PR或QPR控制器。PI、PR和QPR控制器的传递函数分别为[9]：(7)(8)(9)式中kp为比例系数；ki为积分系数；kr为谐振系数；ω0=314rad/s为电网基波角频率；ωc为截止频率。图5所示是PI，PR和QPR 控制器的频率特性对比，选定三个控制器比例、积分和谐振系数一样。图5PI,PR和QPR控制器的频率特性对比Fig.5ComparisonoffrequencycharacteristicamongPI,PRandQPRcontroller由图5可知，对于PI控制，其在电网基波频率处的幅值增益是一个有限值，在跟踪交流指令信号时系统不能实现零稳态误差，而PR控制器将一个无穷大的增益引入到了其电网基波频率处，而其他频率处的增益没有变，可以实现并网电流基波分量精确无静差跟踪控制的目的。PR和QPR控制器的频率特性曲线大体一致，两者在50Hz处的相位都为0，所以可以消除该频率下的稳态误差，近似无静差地跟踪基准电流。但理想的PR控制器在实际控制系统中很难实现其设计，又由于系统在实际运行中存在负荷变化和电网故障等因素，因此通常采用一种容易实现的QPR控制器。QPR控制器不仅频率波动性能好，而且有较好的鲁棒性能，故系统最终采用可在较宽频带内得到高增益的准PR控制器[10]。在工程应用中，设计LCL滤波器参数时需考虑如下的一些限制条件：①进网电流纹波脉动抑制到额定电流的20%以下。②在额定工况下，一般将LCL滤波器总滤波电感产生的阻抗压降限制在输出电压有效值的10%。③校验谐振频率。通常将滤波器的谐振频率fres设定在10倍的基波频率f0与0.5倍的开关频率fsw之间，即10f0