CN102522879B

CN102522879B - 一种lcl并网逆变器系统的有源阻尼方法及其电路

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Publication number: CN102522879B
Application number: CN201110368829.3A
Authority: CN
Inventors: 肖华锋; 谢少军; 许津铭
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: CN102522879A

Abstract

一种LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法，通过设置共轭零点或独立零点，对消LCL滤波器在并网逆变器系统中产生的共轭谐振极点或将共轭谐振极点吸引至稳定区域内，采用网侧电感电流反馈和引入LCL滤波器中的状态变量进行反馈补偿的方法来实现。通过对网侧电感电压进行反馈补偿，来控制LCL滤波器的谐振阻尼，进而对并网逆变器系统的进网电流波形和幅值进行控制，可以有效抑制电网电压谐波对进网电流的影响。是一种简单有效的实现方式，实现电路有并联及串联两种结构的有源阻尼电路。

Description

一种LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法及其电路

技术领域

本发明涉及一种LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法及其电路，属电网变换器的控制技术领域。

背景技术

电压源型并网逆变器是当前蓬勃发展的新能源进入电网的接口，用于各种分布式并网发电系统(如光伏发电系统、直驱型风力发电系统、燃料电池系统等)、交流微网中的逆变型接口及直流微网中直流母线与电网的接口等，需求巨大。

为了减轻和限制它们对电网的污染，IEEE Std 929-2000、UL1741等国际标准对并网逆变器的进网电流做了严格的指标限制，包括总谐波含量和单次谐波含量。结合并网逆变器的实现技术来看，达到开关频率谐波电流抑制指标最为困难，涉及进网滤波器的选择。进网滤波器结构有L、LC和LCL三种形式，它们的滤波性能和控制特性已有文献论述。从现阶段工业应用情况来看，在小功率并网逆变器中一般采用L型滤波器，在中、大功率的SPWM并网逆变器中一般采用LC型滤波器或带阻尼电阻的LCL型滤波器，而在学术界备受关注的带有源阻尼(Active Damping，AD)环节的LCL滤波器在实际应用中却较少见，现阶段关于LCL滤波器的有源阻尼技术的研究离规模化应用仍有一段距离。

相比L型滤波器，LCL型滤波器为并网逆变器系统引入一对共轭谐振极点，其阻尼比为零且振荡频率较高，威胁并网逆变器控制系统的稳定性。有源阻尼技术的思想即为引入独立零点将共轭谐振极点吸引至稳定区域内并留有一定安全裕度，或引入共轭零点对消共轭谐振极点。已有大量的文献对有源阻尼方法进行了研究：Dahono通过研究阻尼电阻在LCL型并网逆变器系统传递函数中的作用，利用信号流图变换将实际存在的电阻元件转移至控制器结构中，提出了虚拟电阻(Virtual resistor)的概念，介绍了4种与常用的阻尼电阻方式对应的虚拟电阻实现方式。增加系统阻尼的另一种方式是通过增加滤波器状态变量反馈来实现：有文献提出采用串联超前-滞后(Lead-Lag)模块的滤波电容电压反馈的有源阻尼方法；还有文献提出基于比例环节的滤波电容电流反馈的有源阻尼方法；也有文献提出采用反馈部分进网电流和电容电流的方法将三阶LCL降至一阶达到消除谐振。

上述有源阻尼方法均能实现LCL滤波器谐振极点的有效阻尼，但对进网电流波形质量的提高作用有限，特别是容易受电网电压谐波和畸变干扰的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法及其电路，在现有技术进网电流控制器(比例谐振调节器)的基础上，引入网侧电感电压u₂的反馈实现LCL滤波器的谐振阻尼，对电网电压谐波影响的抑制作用，提高进网电流波形质量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法，通过设置独立零点或共轭零点，对消LCL滤波器在并网逆变器系统中产生的谐振极点或将共轭极点吸引至稳定区域内，采用网侧电感电流反馈和引入LCL滤波器中的状态变量进行反馈补偿的方法实现，其特征在于：所述引入LCL滤波器中的状态变量系网侧电感电压，通过对网侧电感电压进行反馈补偿，来控制LCL滤波器的谐振阻尼，进而对并网逆变器系统的进网电流波形和幅值进行控制。

实现上述LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法的电路，并网逆变器系统包括逆变器及LCL型进网滤波器，其特征在于：设置一个控制器，该控制器包括比例谐振调节器、微分调节器、减法器及PWM产生电路，通过电流传感器在LCL型进网滤波器网侧获取的进网电流输入至第一减法器，进网电流基准值亦输入至第一减法器，第一减法器输出至比例谐振调节器，比例谐振调节器输出至第二减法器，通过电压传感器在LCL型进网滤波器中获取的网侧电感电压经过微分调节器后，亦输入至第二减法器，第二减法器的输出至PWM产生电路，PWM产生电路的输出经过隔离驱动电路送至逆变器，构成并联结构的有源阻尼电路。

实现上述LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法的电路，并网逆变器系统包括逆变器及LCL型进网滤波器，其特征在于：设置一个控制器，该控制器包括比例谐振调节器、微分调节器、减法器及PWM产生电路，通过电流传感器在LCL型进网滤波器网侧获取的进网电流输入至第一减法器，进网电流基准值亦输入至第一减法器，第一减法器输出至比例谐振调节器，比例谐振调节器输出至第二减法器，通过电压传感器在LCL型进网滤波器中获取的网侧电感电压亦输入至第二减法器，第二减法器的输出至微分调节器，微分调节器的输出至PWM产生电路，PWM产生电路的输出经过隔离驱动电路送至逆变器，构成串联结构的有源阻尼电路。

本发明的优点及显着效果：本发明在现有技术进网电流控制器(比例谐振调节器)的基础上，引入网侧电感电压u₂的反馈实现LCL滤波器的谐振阻尼，进网电流i₂的比例谐振控制器实现进网电流控制。网侧电感电压u₂反馈实现LCL滤波器谐振阻尼的同时，还可以有效抑制电网电压谐波对进网电流的影响。

附图说明

图1是本发明的并联型结构，(a)并联型电路图；(b)并联型控制框图；

图2是本发明的串联型结构电路图；

图3是本发明网侧电感电压u₂微分反馈与现有电容电压u_C微分反馈和电容电流i_C比例反馈三种有源阻尼方法下控制器特性曲线，其中：(a)进网电流开环传递函数Bode图；(b)电网电压抑制导纳I₂/U_g，用来衡量控制器对电网电压扰动的抑制能力；

图4是图3三种有源阻尼方法下进网电流、电网电压实验波形，其中：(a)本发明网侧电感电压u₂微分反馈；(b)现有电容电压u_C微分反馈；(c)现有电容电流i_C比例反馈；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对发明进行详细说明。

附图的符号及标号说明：U_PV——逆变器输入电压；S₁～S₄——功率开关管；u_g——电网电压；L₁、L₂——进网滤波电感；i₁、I₁、u₁、U₁、r₁——滤波电感L₁的电流、电压和内阻；i₂、I₂、u₂、U₂、r₂——滤波电感L₂的电流、电压和内阻；C₁——滤波电容；i_C、I_C、u_C U_C、——滤波电容C₁的电流和电压；u_inv——逆变器桥臂间输出电压；I_2ref——进网电流基准；K——逆变器等效比例环节；G₂(s)——进网电流控制器；k₁——微分反馈系数。

本发明在现有技术进网电流控制器(比例谐振调节器)的基础上，引入网侧电感L₂电压u₂的反馈实现LCL滤波器的谐振阻尼。具体实现电路有并联结构的有源阻尼电路图1(a)及串联结构的有源阻尼电路图2(a)两种。图1(a)中，逆变器1、LCL型进网滤波器2及隔离驱动电路5均为已知电路。设置控制器3，其中包括比例谐振调节器、微分调节器4、减法器及PWM产生电路，它们均为公知的模块。通过电流传感器在LCL型进网滤波器网侧获取的进网电流输入至第一减法器，进网电流基准值亦输入至第一减法器，第一减法器输出至比例谐振调节器，比例谐振调节器输出至第二减法器，通过电压传感器在LCL型进网滤波器中获取的网侧电感电压经过微分调节器后，亦输入至第二减法器，第二减法器的输出至PWM产生电路，PWM产生电路的输出经过隔离驱动电路送至逆变器。图2(a)中，通过电流传感器在LCL型进网滤波器网侧获取的进网电流输入至第一减法器，进网电流基准值亦输入至第一减法器，第一减法器输出至比例谐振调节器，比例谐振调节器输出至第二减法器，通过电压传感器在LCL型进网滤波器中获取的网侧电感电压亦输入至第二减法器，第二减法器的输出至微分调节器，微分调节器的输出至PWM产生电路，PWM产生电路的输出经过隔离驱动电路送至逆变器。

单相光伏并网逆变器的进网电流控制框图如附图1(b)所示，为了便于分析，将PWM逆变单元近似为一增益环节K。在附图1(b)中，I_2ref为进网电流参考，G₂(s)为进网电流控制器传递函数，通过控制逆变器输出电流可以使逆变器以设定的功率因数向电网输入电能。单相并网逆变器的电流控制目前常采用PI控制、滞环控制等技术，PI控制具有算法简单和可靠性高等特点，因此被广泛应用，但常规的PI控制对正弦参考电流无法实现无静差跟踪；滞环电流控制具有实现简单和动态相应快等特点，但开关频率、损耗及控制精度受滞环宽度的影响。比例谐振(PR)控制由比例调节器和谐振调节器组成，在基波频率处增益无穷大，从而可以实现正弦基波电流的零稳态误差跟踪，本节在预先选用PR控制器的前提下对几种有源阻尼方法进行比较。PR控制器传递函数如式(1)所示

G_{2} (s) = k_{p} + \frac{{2 k}_{r} s}{s^{2} + ω_{g}^{2}} - - - (1)

1.根据采用网侧滤波电感电压u₂反馈的有源阻尼方法(为本发明的并联结构)下逆变器进网电流控制框图，可以推导出并网逆变器进网电流的传递函数为

I_{2} (u_{2}) = \frac{{KG}_{2} (s)}{s^{3} \cdot L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} \cdot k_{1} {KL}_{2} + s \cdot (L_{1} + L_{2}) + {KG}_{2} (s)} \times I_{2 ref}

- \frac{s^{2} \cdot L_{1} C_{1} + 1}{s^{3} \cdot L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} \cdot k_{1} {KL}_{2} + s \cdot (L_{1} + L_{2}) + {KG}_{2} (s)} \times U_{g} - - - (2)

2.根据现有的采用滤波电容电压u_C反馈的有源阻尼方法下逆变器进网电流控制框图，可以推导出并网逆变器进网电流的传递函数为

I_{2} (u_{C}) = \frac{{KG}_{2} (s)}{s^{3} \cdot L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} \cdot k_{1} {KL}_{2} + s \cdot (L_{1} + L_{2}) + {KG}_{2} (s)} \times I_{2 ref}

- \frac{s^{2} \cdot L_{1} C_{1} + s \cdot k_{1} K + 1}{s^{3} \cdot L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} \cdot k_{1} {KL}_{2} + s \cdot (L_{1} + L_{2}) + {KG}_{2} (s)} \times U_{g} - - - (4)

3.根据现有的采用滤波电容电流i_C反馈的有源阻尼方法下逆变器进网电流控制框图，可以推导出并网逆变器进网电流的传递函数为

I_{2} (i_{C}) = \frac{{KG}_{2} (s)}{s^{3} \cdot L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} \cdot k_{1} {KL}_{2} C_{1} + s \cdot (L_{1} + L_{2}) + {KG}_{2} (s)} \times I_{2 ref}

- \frac{s^{2} \cdot L_{1} C_{1} + s \cdot k_{1} K C_{1} + 1}{s^{3} \cdot L_{1} L_{2} C_{1} + s^{2} \cdot k_{1} {KL}_{2} C_{1} + s \cdot (L_{1} + L_{2}) + {KG}_{2} (s)} \times U_{g} - - - (5)

为了全面比较上述三种阻尼方法，选择统一的滤波器参数组L₁＝1.0mH、C₁＝10.0μF、L₂＝1.0mH和f_SW＝10kHz，假设K＝1，实现系统阻尼比ζ＝0.707的条件下计算出阻尼反馈系数分别为1.36×10^-4、1.36×10^-4和10.60，并初选k_p＝4，k_r＝100。

图3(a)为进网电流对参考的开环传递函数Bode图，可以看出，三种阻尼结构下可以达到同样的进网电流控制性能，与理论分析一致。在进网电流的闭环传递函数中，还含有电网电压的扰动影响，其影响可以用‘导纳函数I₂/U_g’来衡量，附图3(b)为三种阻尼结构下的电网电压导纳抑制函数的Bode图。可以看出，它们在基频段的抑制能力一致，但是，由于电网电压含有丰富的谐波电压，特别是中低频的谐波污染比较严重，为了抑制这些谐波电压对进网电流的影响，许多文献提出了加入多个PR控制器来抑制电网电压谐波的影响。但限于进网电流控制环的带宽，PR控制器的加入数量受限，否则会导致系统不稳定。从附图3(b)可以明显地看出，网侧电感电压u₂反馈的阻尼结构在中低频段有较大的网压谐波抑制能力，这是另外两种阻尼结构所不拥有的优良特性，可以提高进网电流的质量。

为了进一步验证上述分析的正确性和本发明的采用网侧电感电压微分反馈的有源阻尼方法的有效性，搭建一台3kW单相全桥并网逆变器，直流侧电压350V，电网电压220V/50Hz，LCL滤波器参数为：L₁＝1.066mH、L₂＝1.022mH、C₁＝10μF、f_SW＝10kHz。在采用网侧电感电压、滤波电容电压及其电流反馈的有源阻尼方案下，并网逆变器进网电流和电网电压波形如图4(a)、(b)和(c)所示，实验中保持进网电流外环参数不变。

从图4中可以看出，三种有源阻尼方法均实现了有效的谐振阻尼，对比附图4(a)和(b)中进网电流波形可以看出，网侧电感电压微分反馈可以有效降低电网电压低频谐波对进网电流的影响。

Claims

1.一种LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法，通过设置共轭零点或独立零点，对消LCL滤波器在并网逆变器系统中产生的共轭谐振极点或将共轭谐振极点吸引至稳定区域内，采用网侧电感电流反馈和引入LCL滤波器中的状态变量进行反馈补偿的方法实现，其特征在于：所述引入LCL滤波器中的状态变量系网侧电感电压，通过对网侧电感电压进行反馈补偿，来控制LCL滤波器的谐振阻尼，进而对并网逆变器系统的进网电流波形和幅值进行控制；

所述并网逆变器系统包括逆变器及LCL型进网滤波器，设置一个控制器，该控制器包括比例谐振调节器、微分调节器、减法器及PWM产生电路，通过电流传感器在LCL型进网滤波器网侧获取的进网电流输入至第一减法器，进网电流基准值亦输入至第一减法器，第一减法器输出至比例谐振调节器，比例谐振调节器输出至第二减法器，通过电压传感器在LCL型进网滤波器中获取的网侧电感电压经过微分调节器后，亦输入至第二减法器，第二减法器的输出至PWM产生电路，PWM产生电路的输出经过隔离驱动电路送至逆变器，构成并联结构的有源阻尼电路。

2.根据权利要求1所述LCL并网逆变器系统的有源阻尼方法，其特征在于：

所述并网逆变器系统包括逆变器及LCL型进网滤波器，设置一个控制器，该控制器包括比例谐振调节器、微分调节器、减法器及PWM产生电路，通过电流传感器在LCL型进网滤波器网侧获取的进网电流输入至第一减法器，进网电流基准值亦输入至第一减法器，第一减法器输出至比例谐振调节器，比例谐振调节器输出至第二减法器，通过电压传感器在LCL型进网滤波器中获取的网侧电感电压亦输入至第二减法器，第二减法器的输出至微分调节器，微分调节器的输出至PWM产生电路，PWM产生电路的输出经过隔离驱动电路送至逆变器，构成串联结构的有源阻尼电路。