劉述喜，陳寶剛，楊儒龍

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054; 2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心， 重慶 400054)

基于LCL濾波的單相虛擬矢量并網(wǎng)逆變器

劉述喜1,2，陳寶剛1,2，楊儒龍1,2

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054; 2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心， 重慶 400054)

在新能源并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用中，傳統(tǒng)的單相并網(wǎng)逆變器的控制策略有滯環(huán)比較控制和雙環(huán)控制等，但這些控制存在著有諧波干擾、濾波效果差、無法對有功功率和無功功率進行調(diào)節(jié)等問題。為此，提出了基于LCL濾波的單相虛擬矢量并網(wǎng)逆變器控制策略，在控制方式上利用T/4傳輸延時構(gòu)建虛擬矢量，通過坐標(biāo)變換、解耦、雙環(huán)控制等，以實現(xiàn)對有功和無功的調(diào)節(jié)，以及對電流的無靜差跟蹤，并在逆變器輸出側(cè)設(shè)計了LCL型濾波器。最后，通過仿真驗證了方案的可行性。

并網(wǎng)逆變器；虛擬矢量；LCL型濾波器

Abstract: In the application of new energy generation and grid connection, the traditional single-phase grid-connected inverters control strategies contain hysteresis control, double loop control and etc. These control strategies exist problems, such as harmonic interference, not adjusted for active power and reactive power, and that filtering effect is poor. This paper proposes a single-phase virtual vector grid-connected inverters with LCL filter control strategy. This strategy builds a virtual vector based on the T/4 transfer delay. After coordinating transformation, decoupling, double loop control to realize the active and reactive power regulation and to track floating current. The inverter output side LCL filter is designed as well. The feasibility of the proposed strategy is verified by simulation.

Keywords: grid-connected inverter; virtual vector; LCL filter

傳統(tǒng)的單相逆變器控制策略主要有滯環(huán)電流控制和雙環(huán)控制。滯環(huán)電流控制策略有著結(jié)構(gòu)簡單、電流跟蹤效果好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。盡管在電流跟蹤方面有固定的誤差范圍，但功率開關(guān)器件的開通、關(guān)斷頻率不固定給諧波治理帶來很大困難。單相逆變器雙環(huán)控制一般是指電壓外環(huán)采用PI控制，電流內(nèi)環(huán)采用P控制的技術(shù)[]。這種技術(shù)利用SPWM調(diào)制可以實現(xiàn)功率開關(guān)器件通斷頻率的固定，但是無法實現(xiàn)對有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。

三相逆變器的控制策略電流內(nèi)環(huán)采用PI控制，能很容易地實現(xiàn)對有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。單相與三相逆變器雙環(huán)控制的主要區(qū)別在于：單相逆變在靜止坐標(biāo)系中只有1個自由度，無法利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換為同步坐標(biāo)系下的直流量，因而無法采用PI控制，只能利用P控制進行調(diào)節(jié)。針對這一問題，相關(guān)學(xué)者進行研究后提出了一些解決方法，目前主要有T/4傳輸延時、Hilbert變換[2]、反Park變換[3]。本文采用T/4傳輸延時技術(shù)，虛擬出一個與原自由度正交的矢量，成功實現(xiàn)了對有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)以及對電流的無靜差跟蹤，并在逆變器輸出側(cè)設(shè)計了LCL型濾波器，利用有源阻尼電流電容比例反饋法，使LCL型濾波器實現(xiàn)了理想的諧波抑制效果。

1 并網(wǎng)LCL型濾波器設(shè)計

LCL型濾波器因其體積小、濾波效果好，成為并網(wǎng)逆變器中濾波器研究的熱點[4]。本文采用如圖1所示的LCL型單相并網(wǎng)逆變器主電路，其中：Q1、Q2、Q3、Q4為開關(guān)器件PMOSFET，電感L1、L2和電容C構(gòu)成了LCL型濾波器。

圖1 LCL型單相并網(wǎng)逆變器主電路

由此可以推導(dǎo)出LCL型濾波器輸出的并網(wǎng)電流i2與橋臂輸出電壓udc(s)之間的傳遞函數(shù)為：

(1)

采用雙極性SPWM控制，根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]可分別對LCL型濾波器中L1、L2以及C的參數(shù)進行設(shè)計：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Ts為載波周期；Udc為直流側(cè)電壓；Im為基準(zhǔn)電流；ω為基波角頻率；Po為輸出有功功率；ωh為主諧波角頻率；λh為主諧波所占并網(wǎng)電流百分比。

設(shè)計一個功率為5 kW的逆變器，其中直流側(cè)電壓為360 V，網(wǎng)側(cè)電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz，載波頻率為10 kHz。根據(jù)式(1)～(5)可得出LCL型逆變器的相應(yīng)參數(shù)。

圖2是在同樣等級下L型濾波器和LCL型濾波器的頻率特性對比，可發(fā)現(xiàn)在高頻階段LCL型濾波器對高頻諧波的衰減效果更好。

圖2 L型和LCL型濾波器的頻率特性

采用電流電容比例反饋法[7]，對圖2出現(xiàn)的諧振尖峰[8]進行有源阻尼法處理，得到圖3所示的LCL濾波器阻尼特性。從圖3的阻尼特性曲線可看出：LCL濾波器對諧振尖峰的阻尼效果良好。

圖3 LCL型濾波器阻尼特性

2 基于T/4傳輸延時的虛擬矢量控制模型

圖4為基于LCL型逆變器的傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)的比例控制無法實現(xiàn)對有功、無功的單獨調(diào)節(jié)。為此，本文采用改進的虛擬矢量控制，應(yīng)用正交信號發(fā)生器對結(jié)構(gòu)進行改善。為滿足坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，至少需要2個自由度要求，這樣就可以得到直流量，再利用PI控制實現(xiàn)有功、無功的單獨調(diào)節(jié)以及電流的無靜差跟蹤。利用T/4傳輸延時可以得到與原交流量正交的分量，且方法簡單、容易實現(xiàn)。

假設(shè)單相逆變系統(tǒng)輸出電流，即網(wǎng)側(cè)電流io為

io=Icos(ωot+φ)

(6)

式中：I為電流幅值；φ為初始相角；ωo為基波角頻率。

利用T/4傳輸延時得到1個與網(wǎng)側(cè)電流i0正交的虛擬分量ilm，即：

ilm=Isin(ωot+φ)

(7)

io和ilm在靜止坐標(biāo)系下經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后便可以得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的id和iq：

(8)

圖4 傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制

圖5為靜止坐標(biāo)到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換示意圖，其中io和其虛擬出的正交分量ilm的合成便構(gòu)成了靜止坐標(biāo)系中的虛擬矢量I。通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換得到虛擬矢量I在同步坐標(biāo)下對應(yīng)的有功電流分量id和無功電流分量iq，則通過PI控制對id和iq進行控制調(diào)節(jié)，就能對傳統(tǒng)單相逆變器雙環(huán)控制進行改進，實現(xiàn)對有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)[9]。

圖5 坐標(biāo)變換示意圖

單相逆變器在靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程：

(9)

結(jié)合式(8)可得在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下單相逆變器的狀態(tài)方程為：

(10)

即：

(11)

從式(11)可以看出：在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d軸和q軸存在分量的耦合，在控制時相互之間會產(chǎn)生影響，無法實現(xiàn)對有功功率和無功功率的單獨調(diào)節(jié)。分量-ωLid會對q軸產(chǎn)生影響，分量ωLiq對d軸產(chǎn)生的可以忽略。因此，需要對dq軸進行解耦[10]。

對式(11)進行變形可得：

(12)

設(shè)

(13)

可得：

(14)

(15)

代入式(13)可得：

(16)

式(16)便是經(jīng)過解耦后，利用PI控制得到的數(shù)學(xué)模型，解耦結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 解耦結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真分析

由前面的分析可得：在單相逆變器的系統(tǒng)控制上采用虛擬矢量控制策略，在輸出側(cè)采用電容電流反饋有源阻尼的LCL型濾波器。最終確定如圖7所示的單相并網(wǎng)逆變器控制策略結(jié)構(gòu)。

圖7 單相并網(wǎng)逆變器控制策略結(jié)構(gòu)

為了對該理論進行驗證，利用Matlab仿真軟件，在Simulink平臺對該模型進行搭建、仿真[11]。圖8為Matlab仿真模型，其中逆變器直流側(cè)電壓為360 V，網(wǎng)側(cè)電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz，輸出的有功功率為5 kW，載波頻率為10 kHz。

圖8 單相逆變器仿真圖

據(jù)圖9和圖10仿真結(jié)果數(shù)據(jù)圖顯示：逆變器輸出側(cè)的電壓、電流實現(xiàn)了完美的相位跟蹤，對逆變器輸出側(cè)電流進行傅里葉分析，THD值是1.80%，波形畸變率較小，達(dá)到了國標(biāo)要求，說明有源阻尼LCL型濾波器濾波效果良好。

圖9 輸出側(cè)電壓、電流

圖10 輸出側(cè)電流傅里葉分析

為了進一步對有源阻尼LCL型濾波器優(yōu)越性進行驗證，對單L型濾波器和無阻尼LCL型濾波器在同等條件下建立了仿真模型。單L型濾波器輸出側(cè)電流的傅里葉分析如圖11所示。從圖中可以看出：在高頻階段單L型濾波器對諧波的抑制效果比較差，導(dǎo)致波形畸變率較大，THD值達(dá)到了3.15%，濾波效果不理想。無阻尼LCL型濾波器輸出側(cè)電流的傅立葉分析如圖12所示，較單L型濾波器，波形的畸變率較低，THD值為2.76%，但與有源阻尼型LCL濾波器相比仍然較高。通過對以上3種濾波器的濾波效果進行對比分析可以得出：有源阻尼LCL型濾波器對諧波的抑制效果最好。

圖11 單L型濾波器輸出側(cè)電流傅里葉分析

圖12 無阻尼LCL型濾波器輸出側(cè)電流傅里葉分析

4 結(jié)束語

對帶LCL濾波的單相虛擬矢量并網(wǎng)逆變器進行仿真，達(dá)到了預(yù)期的效果，也進一步驗證了前面理論分析的正確性。研究結(jié)果表明：這是一種較為理想的單相逆變器控制策略，該理論對新能源發(fā)電并網(wǎng)有一定的意義。但虛擬矢量是通過T/4傳輸延時形成，即在開始的前1/4個周期內(nèi)虛擬矢量的值為0，且一旦基波電壓被諧波污染，難以保證虛擬矢量與原分量的正交性。這些都會對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成一定危害，需要進一步改進。通過仿真結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)THD值為1.80%，還存在提升的空間。

[1] 齊飛.基于虛擬矢量定向單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[D].杭州：浙江理工大學(xué),2012.

[2] 吳新忠，邢強，渠虎，等.CEEMD在電能質(zhì)量擾動檢測中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2017,45(3)：48-55.

[3] 徐強，張海燕，張莉，等.電網(wǎng)電壓不平衡和畸變的雙饋風(fēng)電鎖相環(huán)研究與設(shè)計[J].電器與能效管理技術(shù)，2015(19)：39-44.

[4] SHEN G,ZHU X,ZHANG J,et al.A new feedback method for PR current control of LCL-filter-based grid-connected inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(6):2003-2041.

[5] 周陽，張建成，楊珺.并網(wǎng)/獨立雙模式逆變器LCL濾波器參數(shù)設(shè)計[J].華東電力，2012(10):1796-1800.

[6] 阮新波,王學(xué)華,潘東華,等.LCL型并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2015.3.

[7] ZOU Z,WANG Z,CHEN M.Modeling,analysis,and design of multifunction grid-interfaced inverters with output LCL filter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29(7):3830-3839.

[8] LISERRE M,TEODORESCU R,BLAABJERG F.Stability of photovoltaic and wind turbine grid-connected inverters for a large set of grid impedance value[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(1):236-272.

[9] 張興,曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[10] NAIMA ARAB,BACHIR KEDJAR,KAMAL AL-HADDAD.D-Q frame optimal control of single phase grid connected inverter with LCL filter[C]//2016 IEEE Electrical Power and Energy Conference (EPEC).2016:1-6.

[11] 徐中明,王吉全,余烽,等.基于Simulink的電動助力轉(zhuǎn)向控制策略仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)),2012,26(3):1-7.

(責(zé)任編輯陳 艷)

Single-PhaseVirtualVectorGrid-ConnectedInverterwithLCLFilter

LIU Shuxi1,2, CHEN Baogang1,2, YANG Rulong1,2

(1.College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2. Research Center of Engineering Technology for Energy Interconnection Internet of Chongqing, Chongqing 400054, China)

2017-05-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(51607020)

劉述喜(1969—)，男，湖南邵陽人，博士，教授，主要從事電力電子、電力傳動及其控制技術(shù)的研究，E-mail：154154816@qq.com。

劉述喜，陳寶剛，楊儒龍.基于LCL濾波的單相虛擬矢量并網(wǎng)逆變器[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(9):132-137.

formatLIU Shuxi, CHEN Baogang, YANG Rulong.Single-Phase Virtual Vector Grid-Connected Inverter with LCL Filter[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):132-137.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.021

TM464

A

1674-8425(2017)09-0132-06