杜志華

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001）

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，世界各國對(duì)能源需求急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致以煤、石油、天然氣為主的傳統(tǒng)能源面臨枯竭，而以太陽能、風(fēng)能、生物能為主的可再生能源清潔無污染，只要合理利用就能夠滿足全球50%的能源需求。并網(wǎng)逆變器是新能源并網(wǎng)的接口裝置［1－2］，將可再生能源轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)能接納的電能。理想的入網(wǎng)電流是完美的正弦波，較 低 的 總 諧 波 失 真 （total har monic distortion，T HD）是并網(wǎng)逆變器控制所追求的目標(biāo)。

為了降低入網(wǎng)電流的T HD，逆變器拓?fù)湫璋瑸V波環(huán)節(jié)。并網(wǎng)逆變器濾波器一般有L和LCL兩種類型［3－6］。單L濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，但高頻諧波衰減能力不強(qiáng)；LCL濾波器對(duì)高頻分量呈高阻抗，能夠很大地衰減高頻諧波電流，但該系統(tǒng)為三階系統(tǒng)，存在諧振峰，對(duì)系統(tǒng)的控制策略提出更高的要求。采用單環(huán)入網(wǎng)電流直接來對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制，系統(tǒng)存在諧振尖峰，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定［7－8］。電容兩端串聯(lián)電阻的方法，可以有效抑制諧振尖峰，但降低了濾波器的高頻濾波效果，增加了系統(tǒng)的損耗［9］。采用逆變側(cè)電流反饋控制方法，可以增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，但不能實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的直接控制［10］。

本文提出并網(wǎng)電流外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，該方法內(nèi)環(huán)采用電容電流反饋控制來抑制系統(tǒng)諧振峰，外環(huán)采用入網(wǎng)電流直接反饋控制，能夠降低并網(wǎng)電流的諧波畸變率，提高并網(wǎng)逆變器輸出電能質(zhì)量。

1 并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/h2>

LCL型單相并網(wǎng)逆變器拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 LCL型并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)?/p>

圖1 中：Udc為直流側(cè)電壓；idc為直流側(cè)輸出電流；San、Sap、Sbn、Sbp為構(gòu)成全橋逆變電路的四個(gè)開關(guān)管；L1、L2、C分別為L(zhǎng)CL濾波器的濾波電感及濾波電容；i1為逆變器逆變側(cè)的電流；i2為逆變器并網(wǎng)側(cè)電流；Ugrid為單相電網(wǎng)電壓。當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸出濾波器的截止頻率時(shí)，逆變橋可等效為比例環(huán)節(jié)KPWM。

忽略濾波電感的電阻和電容的寄生電阻，由圖1的拓?fù)淇傻贸鋈鐖D2 LCL濾波結(jié)構(gòu)圖。

圖2 LCL濾波的結(jié)構(gòu)圖

通過LCL濾波結(jié)構(gòu)圖，可以得出其幅頻特性如圖3所示。從圖中可以看出LCL型濾波器較L濾波具有更好的高頻濾波性能，但LCL濾波器為三階結(jié)構(gòu)，在諧振頻率處有較高的諧振尖峰，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，所需要進(jìn)行阻尼抑制。

圖3 L型濾波與LCL型濾波的頻率特性圖

2 諧振阻尼抑制

圖4為單環(huán)入網(wǎng)電流直接反饋控制閉環(huán)控制框圖。由系統(tǒng)控制框圖可推導(dǎo)出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為公式（1）。

圖4 入網(wǎng)電流反饋控制框圖

由公式（1）畫出系統(tǒng)頻率特性圖，如圖5所示?？梢钥闯鲈撓到y(tǒng)在諧振頻率處仍存在諧振尖峰，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。由系統(tǒng)傳遞函數(shù)可看出，該系統(tǒng)有位于S平面右半部分的極點(diǎn)，可見對(duì)于LCL型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，單環(huán)并網(wǎng)電流反饋控制閉環(huán)控制會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

電容電流反饋能實(shí)現(xiàn)諧振的抑制，電容電流反饋控制如圖6所示。

圖5 單環(huán)并網(wǎng)電流反饋控制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性

圖6 電容電流反饋控制框圖

電容電流反饋控制與單環(huán)并網(wǎng)電流反饋控制對(duì)比圖，如圖7所示。從圖中可以看出，電容電流反饋控制能夠很好地抑制諧振尖峰，并且在高頻段并沒有降低濾波器性能。

圖7 電容電流反饋控制與單環(huán)并網(wǎng)電流反饋控制幅頻特性圖

3 雙閉環(huán)控制策略的設(shè)計(jì)

由上述可知，電容電流反饋能夠抑制諧振，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文提出一種入網(wǎng)電流外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，如圖8所示，利用電容內(nèi)環(huán)來抑制系統(tǒng)諧振，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，外環(huán)在內(nèi)環(huán)閉環(huán)的基礎(chǔ)上能夠直接對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)的控制精度。

圖8 雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖

3.1 閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙環(huán)控制系統(tǒng)由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構(gòu)成。首先需要設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)參數(shù)，在內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)的基本上進(jìn)行外環(huán)的設(shè)計(jì)。

3.1.1 內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)

由圖8可得出電容電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)的阻尼比：

從公式（3）可看出系統(tǒng)阻尼比與內(nèi)環(huán)控制參數(shù)成正比，系統(tǒng)阻尼比越大，對(duì)諧振尖峰的抑制能力越強(qiáng)，但過大的阻尼比將導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差。為同時(shí)兼得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和諧振尖峰的抑制效果，一般工程經(jīng)驗(yàn)值［12］ζ＝0.707。

3.1.2 外環(huán)設(shè)計(jì)

由于控制對(duì)象模型本身是由全控型開關(guān)器件以及二極管組成，系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，在建模時(shí)將其線性化，所以控制系統(tǒng)參數(shù)與真實(shí)值有一定的偏差。為解決上述問題，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器，必須留有足夠的域量，一般工程經(jīng)驗(yàn)為相角裕度MP＝30°～70°，幅值裕度MG＝6～8 d B。

圖9雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的等效框圖。公式（4）所為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，由傳遞函數(shù)可看出系統(tǒng)為Ⅱ階系統(tǒng)，根據(jù)自動(dòng)控制原理，針對(duì)二階系統(tǒng)一般采用“振蕩指標(biāo)法”進(jìn)行系統(tǒng)整定。增大積分系數(shù)能夠提高系統(tǒng)跟蹤給定的能力，但也會(huì)給系統(tǒng)帶來不利影響，能夠降低系統(tǒng)的相角裕度，同樣，較大的比例系數(shù)能夠增加系統(tǒng)帶寬，增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，但會(huì)減少系統(tǒng)幅值裕度，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以需要進(jìn)行參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，既保證系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)控制精度高，又要滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的能力。

3.2 穩(wěn)定性分析

由雙閉環(huán)系統(tǒng)等效框圖可得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖9 雙閉環(huán)等效框圖

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程為：

根據(jù)勞斯判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性條件為：

并網(wǎng)電流外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定條件如公式（7）。從公式（7）可看出，不等式中含有電容項(xiàng)，當(dāng)積分系數(shù)較小時(shí)，KKPWMKiL2C忽略不計(jì)，比例系數(shù)Kp＜1＋L2／L1。當(dāng)積分系數(shù)較大時(shí)，KKPWMKiL2C就不能忽略，但電容容值非常小，所以KKPWMKiL2C也非常小，Kp取值有所變化。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過上述雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在Simulink仿真環(huán)境中搭建了控制系統(tǒng)的仿真模型。圖10、下頁圖11分別為并網(wǎng)電流電壓穩(wěn)態(tài)波形和并網(wǎng)電流的諧波失真率。從圖中可看出入網(wǎng)電流能夠完美地與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，并且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度較高，諧波失真率僅為0.89%。

圖10 并網(wǎng)電流電壓仿真波形

圖11 并網(wǎng)電流仿真的THD

本文研制了一臺(tái)2.2 k VA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在該樣機(jī)上驗(yàn)證了該算法。圖12、圖13為并網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)電流電壓波形和電流的諧波失真率波形圖。從圖中可以看出LCL濾波器對(duì)并網(wǎng)電流起到了很好的高頻衰減作用，抑制了開關(guān)頻率處的諧波分量，而且電容電流反饋很好地抑制了諧振尖峰，降低了入網(wǎng)電流的諧波失真率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

圖12 并網(wǎng)電流電壓實(shí)驗(yàn)波形

圖13 并網(wǎng)電流實(shí)驗(yàn)的諧波失真率

5 結(jié)語

LCL型并網(wǎng)逆變器存在固有的諧振尖峰，采用傳統(tǒng)單環(huán)并網(wǎng)電流反饋控制，不能對(duì)諧振峰進(jìn)行阻尼作用，因而系統(tǒng)不穩(wěn)定。針對(duì)該情況，本文提出了一種電網(wǎng)電流外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，詳細(xì)推導(dǎo)了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，在Simulink仿真環(huán)境中搭建了仿真模型，最后在2.2 k VA并網(wǎng)逆變器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文所提的雙閉環(huán)控制方法能夠大大抑制系統(tǒng)諧振尖峰，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，改善了入網(wǎng)電能質(zhì)量。

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