基于lcl濾波器的并網(wǎng)逆變器的控制方法研究

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1、基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器的控制方法研究CunpingWang,andJianSun國家電網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院中國北京E-mail：wangcunping163@163.com摘要---LCL濾波器現(xiàn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中。在這篇文章中將會分析LCL濾波器參數(shù)對其諧波過濾效果及并網(wǎng)逆變器電流跟蹤精度的影響，并對并網(wǎng)逆變器在逆變器側(cè)電流和并網(wǎng)側(cè)電流之間有功和無功輸出的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)。此外，使用傳統(tǒng)的控制方法控制基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的逆變側(cè)電流反饋將會使并網(wǎng)逆變器的電流跟蹤能力受到濾波器電容電流的影響。為了解決

2、這個問題，本文提出了一個利用逆變器側(cè)電流計算并網(wǎng)側(cè)電流的方法，然后將逆變側(cè)計算結(jié)果和控制系統(tǒng)中的指令電流作比較。使用這個控制方法可以提高并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的電流跟蹤性能。仿真結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)改進(jìn)方法比傳統(tǒng)方法更優(yōu)越。關(guān)鍵詞---并網(wǎng)逆變器，LCL濾波器，電流跟蹤能力，逆變側(cè)電流反饋，并網(wǎng)側(cè)電流計算一、引言隨著可再生能源技術(shù)和分布式發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，并網(wǎng)逆變器已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電網(wǎng)[1]中。輸出濾波器作為并網(wǎng)逆變器的重要組成部分在過濾高頻開關(guān)諧波時起到重要作用。同L濾波器相比，LCL濾波器可以用更小的濾波電感達(dá)到更好的濾波效果，

3、這也是現(xiàn)在并網(wǎng)逆變器輸出濾波器的發(fā)展趨勢。LCL濾波器的研究已經(jīng)成為了一個熱門課題[2]-[4]。由于LCL濾波器是一個三階系統(tǒng)，所以在采用并網(wǎng)側(cè)電流反饋的控制方法時，控制系統(tǒng)會處于不穩(wěn)定狀態(tài)[5]-[6]。在工程實(shí)踐中，逆變側(cè)電流一般被用于反饋控制系統(tǒng)中，而被動阻尼法被用來提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。逆變側(cè)電流反饋系統(tǒng)通過監(jiān)測功率原件的電流可以提高其過流保護(hù)的能力。然而，濾波器電容電流會影響并網(wǎng)側(cè)輸出電流使其偏離其指令電流。這種影響在輕載工況下尤為嚴(yán)重。我們可以用一些措施來減輕這種影響[7]-[9]。一種方法是選擇較小的濾波電容可以

4、減小電容電流，但這同時也將降低濾波器濾波效果。另一種方法是改進(jìn)系統(tǒng)的控制策略[10]-[13]。一種基于逆變側(cè)電流閉環(huán)和電容電流前饋的控制策略被提出[14]。通過估算電容電流來糾正逆變側(cè)指令電流值從而提高并網(wǎng)側(cè)電流跟蹤精度。這種控制方法的控制精度取決于對電容電流的估算精度。二、LCL濾波器的特性分析基于LCL輸出濾波器的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖1.所示，圖中US是系統(tǒng)電源電壓，ZS電源阻抗和線阻抗之和，ZL是負(fù)載阻抗。使用被動阻尼法來抑制LCL濾波器的諧振，L1是逆變側(cè)濾波電感、L2是并網(wǎng)側(cè)濾波電感、C是濾波電容、R是阻尼電阻。圖1.

5、基于LCL輸出濾波器的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)A.對諧波電流的濾波作用假定uinv是逆變器的輸出電壓，upcc是公共耦合點(diǎn)（PCC）電壓，uc是濾波器濾波電容電壓，iinv是逆變側(cè)電流，icom是并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)側(cè)電流，ic是濾波電容電流。通過分析[15]-[16]我們可以首先得到總電感L1+L2決定低頻電流的衰減幅度，總電感L1+L2越大、諧振頻率以下的低頻諧波電流衰減越大。第二，L1決定在較高的頻率范圍時逆變側(cè)電流的衰減幅度，L1越大，逆變側(cè)高頻諧波電流的衰減越強(qiáng)。第三，電感L2和電容C決定入網(wǎng)諧波電流在較高頻率范圍的衰減率。也就是說L

6、2和C越大，高頻入網(wǎng)諧波電流越小。此外，較大的阻尼電阻R有更大的抑制濾波器諧波電流的能力，同時也有助于逆變側(cè)高頻諧波電流的衰減。但是，較大的R不利于衰減入網(wǎng)高頻諧波電流，同時較大的R也會使功率消耗變大。B.并網(wǎng)逆變器的電流跟蹤能力并網(wǎng)逆變器的電流跟蹤能力由iinv與icom的比值反映，電流比iinv/icom越接近于1表明電流跟蹤能力越強(qiáng)[17]。圖2是基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的單項(xiàng)等效電路，其中is是電源電流，其他變量定義與圖1一致。圖2.基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的單項(xiàng)等效電路使用并聯(lián)負(fù)載等效電路模型，RL是負(fù)

7、載阻尼，XL是負(fù)載電抗。負(fù)載電流由兩部分組成：有功電流分量ip和無功電流分量iq。1）并網(wǎng)逆變器輸出有功電流圖3.并網(wǎng)逆變器輸出有功電流時圖2.中各變量的矢量關(guān)系圖假設(shè)逆變器輸出有功負(fù)載電流，即ip=icom。此時電感L2上的壓降將遠(yuǎn)小于upcc，所以U=Ucpp。電阻R相對于電容C來說太小可以忽略不計，所以電流iC超前電壓uc大約90度。于是我們可以得到如圖3所示的關(guān)于圖2各變量的矢量關(guān)系圖。根據(jù)圖3，我們可以得到以下公式。icom=ip=upcc/RLic=uc/XC=upcc/XCtanφ=icicomcosφ=icom/

8、iinv（1）其中XC=1/ωc。由方程組（1），我們可以得到在輸出有功電流情況下icom/iinv的表達(dá)式，表達(dá)式如式(2)所示。icom/iinv=cos[tan-1(RL/XC)](2)2)并網(wǎng)逆變器輸出無功電流假定負(fù)載為感性負(fù)載時，負(fù)載的無功電流完全由并