基于lcl滤波器的并网逆变器的控制方法研究

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1、基于LCL滤波器的并网逆变器的控制方法研究CunpingWang,andJianSun国家电网北京电力科学研究院中国北京E-mail：wangcunping163@163.com摘要---LCL滤波器现广泛应用于现代并网逆变器系统中。在这篇文章中将会分析LCL滤波器参数对其谐波过滤效果及并网逆变器电流跟踪精度的影响，并对并网逆变器在逆变器侧电流和并网侧电流之间有功和无功输出的关系进行推导。此外，使用传统的控制方法控制基于LCL滤波器的并网逆变器系统中的逆变侧电流反馈将会使并网逆变器的电流跟踪能力受到滤波器电容电流的影响。为了解决

2、这个问题，本文提出了一个利用逆变器侧电流计算并网侧电流的方法，然后将逆变侧计算结果和控制系统中的指令电流作比较。使用这个控制方法可以提高并网逆变器系统的电流跟踪性能。仿真结果显示，该控制系统改进方法比传统方法更优越。关键词---并网逆变器，LCL滤波器，电流跟踪能力，逆变侧电流反馈，并网侧电流计算一、引言随着可再生能源技术和分布式发电技术的飞速发展，并网逆变器已被广泛应用于现代电网[1]中。输出滤波器作为并网逆变器的重要组成部分在过滤高频开关谐波时起到重要作用。同L滤波器相比，LCL滤波器可以用更小的滤波电感达到更好的滤波效果，

3、这也是现在并网逆变器输出滤波器的发展趋势。LCL滤波器的研究已经成为了一个热门课题[2]-[4]。由于LCL滤波器是一个三阶系统，所以在采用并网侧电流反馈的控制方法时，控制系统会处于不稳定状态[5]-[6]。在工程实践中，逆变侧电流一般被用于反馈控制系统中，而被动阻尼法被用来提升控制系统的稳定性。逆变侧电流反馈系统通过监测功率原件的电流可以提高其过流保护的能力。然而，滤波器电容电流会影响并网侧输出电流使其偏离其指令电流。这种影响在轻载工况下尤为严重。我们可以用一些措施来减轻这种影响[7]-[9]。一种方法是选择较小的滤波电容可以

4、减小电容电流，但这同时也将降低滤波器滤波效果。另一种方法是改进系统的控制策略[10]-[13]。一种基于逆变侧电流闭环和电容电流前馈的控制策略被提出[14]。通过估算电容电流来纠正逆变侧指令电流值从而提高并网侧电流跟踪精度。这种控制方法的控制精度取决于对电容电流的估算精度。二、LCL滤波器的特性分析基于LCL输出滤波器的并网逆变器结构如图1.所示，图中US是系统电源电压，ZS电源阻抗和线阻抗之和，ZL是负载阻抗。使用被动阻尼法来抑制LCL滤波器的谐振，L1是逆变侧滤波电感、L2是并网侧滤波电感、C是滤波电容、R是阻尼电阻。图1.

5、基于LCL输出滤波器的并网逆变器结构A.对谐波电流的滤波作用假定uinv是逆变器的输出电压，upcc是公共耦合点（PCC）电压，uc是滤波器滤波电容电压，iinv是逆变侧电流，icom是并网逆变器并网侧电流，ic是滤波电容电流。通过分析[15]-[16]我们可以首先得到总电感L1+L2决定低频电流的衰减幅度，总电感L1+L2越大、谐振频率以下的低频谐波电流衰减越大。第二，L1决定在较高的频率范围时逆变侧电流的衰减幅度，L1越大，逆变侧高频谐波电流的衰减越强。第三，电感L2和电容C决定入网谐波电流在较高频率范围的衰减率。也就是说L

6、2和C越大，高频入网谐波电流越小。此外，较大的阻尼电阻R有更大的抑制滤波器谐波电流的能力，同时也有助于逆变侧高频谐波电流的衰减。但是，较大的R不利于衰减入网高频谐波电流，同时较大的R也会使功率消耗变大。B.并网逆变器的电流跟踪能力并网逆变器的电流跟踪能力由iinv与icom的比值反映，电流比iinv/icom越接近于1表明电流跟踪能力越强[17]。图2是基于LCL滤波器的并网逆变器系统的单项等效电路，其中is是电源电流，其他变量定义与图1一致。图2.基于LCL滤波器的并网逆变器系统的单项等效电路使用并联负载等效电路模型，RL是负

7、载阻尼，XL是负载电抗。负载电流由两部分组成：有功电流分量ip和无功电流分量iq。1）并网逆变器输出有功电流图3.并网逆变器输出有功电流时图2.中各变量的矢量关系图假设逆变器输出有功负载电流，即ip=icom。此时电感L2上的压降将远小于upcc，所以U=Ucpp。电阻R相对于电容C来说太小可以忽略不计，所以电流iC超前电压uc大约90度。于是我们可以得到如图3所示的关于图2各变量的矢量关系图。根据图3，我们可以得到以下公式。icom=ip=upcc/RLic=uc/XC=upcc/XCtanφ=icicomcosφ=icom/

8、iinv（1）其中XC=1/ωc。由方程组（1），我们可以得到在输出有功电流情况下icom/iinv的表达式，表达式如式(2)所示。icom/iinv=cos[tan-1(RL/XC)](2)2)并网逆变器输出无功电流假定负载为感性负载时，负载的无功电流完全由并