CN102709938A

CN102709938A - Lcl滤波并网逆变器单进网电流采样的电流控制方法

Info

Publication number: CN102709938A
Application number: CN2012101602199A
Authority: CN
Inventors: 许津铭; 谢少军; 陈文明
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: CN102709938B

Abstract

本发明公开一种LCL滤波并网逆变器单进网电流采样的电流控制方法，步骤是：采样进网电流，并以该进网电流作为并网逆变器进网电流控制的反馈信号，将所述反馈信号同进网电流控制给定信号进行比较，获得的误差电流信号经由电流调节器产生第一输出信号，同时前述反馈信号经由高通移相环节产生第二输出信号，将第一、二输出信号相减，得到的输出信号作为逆变器开关运行的脉冲宽度调制信号。此种控制方法具有高性能、可靠、低成本、设计方便的优点，适用于单相及三相LCL滤波并网逆变器的进网电流控制、单相及三相LCL滤波并网系统的网侧电流控制。

Description

LCL滤波并网逆变器单进网电流采样的电流控制方法

技术领域

本发明属于并网逆变器的进网电流控制领域，特别涉及一种基于单进网电流采样的单相以及三相LCL滤波并网逆变器进网电流控制方法。

背景技术

随着新能源分布式并网发电的蓬勃发展，并网逆变器作为其关键部分获得了广泛的关注。而采用脉宽调制技术的逆变器产生大量的开关频率次谐波。在逆变器与电网之间接入滤波器可以有效地抑制谐波。LCL滤波器可以实现高效的开关频率谐波抑制，降低滤波器体积重量，具有较好的应用前景。但高阶滤波器谐振现象容易使系统发生振荡。

由于LCL滤波器具有同L型滤波器相似的低频特性，有学者尝试将L型并网电流控制方案应用于LCL系统中。但是，进网电流直接闭环控制会导致大量电流谐波甚至不稳定。也有学者尝试反馈变换器侧电流，但是从根本上来说这种方案是一种间接的进网电流控制方案，难以实现高效的进网控制。总之，虽然单电流控制成本低，但滤波器谐振现象导致系统运行面临性能差、谐波污染、不可靠等问题。

为抑制滤波器谐振现象，一种简单方案是在滤波器中串联或并联电阻。该无源方案已获得广泛应用，但是电阻带来的损耗并不令人满意。为了取代无源电阻，有学者采用虚拟阻抗的控制方案实现了谐振抑制；电容电流或电容电压反馈以及多变量组合的状态反馈也可实现相似的谐振抑制。以上附加反馈控制的方法统称有源阻尼，克服了无源方案的缺点，具有较好的应用前景。但是，上述方法均需要额外的高精度电流或电压传感器来获取需要的反馈信息。为此，有学者采用了滤波电容电压及其电流的观测方法以降低系统成本，但是该类估测方法依赖于精确的模型，且会对系统响应产生不利影响，影响系统可靠性以及性能。

综合上述分析，单进网电流闭环控制虽然成本低，但是其性能可靠性均不足；而现有有源阻尼方法虽然可以实现低谐波高质量的进网电流，但是额外的高精度传感器或观测方法增加系统成本，降低系统可靠性。

因此，在LCL滤波并网逆变器领域，需要研究一种性能优良、可靠性高、低成本且设计方便的进网电流控制方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种LCL滤波并网逆变器单进网电流采样的电流控制方法，其具有高性能、可靠、低成本、设计方便的优点，适用于单相及三相LCL滤波并网逆变器的进网电流控制、单相及三相LCL滤波并网系统的网侧电流控制。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种LCL滤波并网逆变器单进网电流采样的电流控制方法，步骤是：采样进网电流，并以该进网电流作为并网逆变器进网电流控制的反馈信号，将所述反馈信号同进网电流控制给定信号进行比较，获得的误差电流信号经由电流调节器产生第一输出信号，同时前述反馈信号经由高通移相环节产生第二输出信号，将第一、二输出信号相减，得到的输出信号作为逆变器开关运行的脉冲宽度调制信号。

采用上述方案后，本发明具有以下特点：

1）实现了高效的LCL滤波器谐振峰的抑制；

2）实现了简便的LCL滤波并网逆变器的闭环控制设计；

3）实现了良好的稳态以及动态响应；

4）本发明仅需要对进网电流采样，无需额外的高精度采样；

5）实现了高性能、可靠、低成本且设计方便的单相以及三相LCL滤波并网系统的进网电流控制。

附图说明

图1是本发明所应用的LCL滤波器的单相电路结构图；

图2是传统的采用进网电流单闭环控制的原理图；

图3是图2控制方案下电流调节器输出至进网电流的幅相特性曲线；

图4是本发明的基于单进网电流采样的进网电流闭环控制原理图；

图5是图4控制方案下电流调节器输出至进网电流的幅相特性曲线；

图6是图4控制方案下进网电流给定至进网电流的开环幅相特性曲线；

图7是图4控制方案下进网电流给定至进网电流的闭环幅相特性曲线；

图8是图4控制方案下进网电流稳态波形图；

图9是图4控制方案下进网电流瞬态波形图。

以上图中部分符号名称：u_g为电网电压；L₁为逆变器侧电感；C₁为滤波电容；L₂为网侧电感；r₁和r₂为电感的等效寄生电阻；u_inv为逆变器的桥臂中点输出电压；i_ref为进网电流给定；G_c(s)为电流调节器；u为电流调节器的输出；ω_h为本发明方法的高通移相环节的转折频率；k_c为高通移相环节的比例系数。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种LCL滤波并网逆变器单进网电流采样的电流控制方法，其可适用于单相及三相LCL滤波并网逆变器的进网电流控制，也可适用于单相及三相LCL滤波并网系统的网侧电流控制，所述的控制方法在实施时，首先采样进网电流，将其作为并网逆变器进网电流控制的反馈信号，将该反馈信号同进网电流控制给定信号进行比较，获得的误差电流信号经由电流调节器产生第一输出信号，同时前述反馈信号经由高通移相环节产生第二输出信号，将所述第一、二输出信号相减，得到的输出信号作为逆变器开关运行的脉冲宽度调制信号，实现对进网电流的控制。

以单相并网系统为例，LCL滤波器的结构如图1所示，由于滤波电容非常低的高频阻抗，网侧电流中开关频率次谐波含量得到大幅衰减。

类似于单电感滤波并网，对该LCL滤波并网系统采用直接闭环控制方案，等效的电流控制框图参见图2所示。经拉普拉斯变换，得出电流调节器G_c(s)的输出u至进网电流i_g的传递函数：

G_{u}^{i_{g}} = \frac{1}{L_{1} L_{2} C_{1} s^{3} + (r_{2} L_{1} + r_{1} L_{2}) C_{1} s^{2} + (L_{1} + L_{2} + r_{1} r_{2} C_{1}) s + r_{1} + r_{2}} - - - (1)

式中：s为复频域中的复频率变量。

由于滤波器寄生电阻很小，进网电流在谐振频率f_ref（见式(2)）处存在谐振峰，式（1）系统的幅相特性参见图3。根据稳定性判据可知，需将该谐振峰抑制到0dB以下否则系统发散，此外为保证不引起电流谐振还要保证足够的相位裕度，调节器参数受限，系统响应难以得到保证。该谐振峰导致系统稳定变差以及闭环电流调节器G_c(s)设计困难。系统性能差，不可靠。

f_{res} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{L_{1} + L_{2}}{L_{1} L_{2} C_{1}}} - - - (2)

本发明方法中，将进网电流通过高通移相环节后得到的信号注入电流调节器G_c(s)的输出中，参见图4，控制所需的反馈信息仍为进网电流，不需要额外的高精度采样，成本低、可靠性高。忽略较小的寄生电阻，经拉普拉斯变换，得出电流调节器G_c(s)的输出u至进网电流i_g的传递函数：

G_{u_AD}^{i_{g}} (s) = \frac{s + ω_{h}}{L_{1} L_{2} C_{1} s^{4} + L_{1} L_{2} C_{1} ω_{h} s^{3} + (L_{1} + L_{2}) s^{2} + (L_{1} + L_{2}) ω_{h} s - k_{c} s} - - - (3)

同式（1）相比，系统的传递函数发生变化，对应的幅相特性参见图5。同图3相比可以看出，谐振峰大幅减小，实现了高效的谐振抑制。因而电流调节器G_c(s)可以方便的实现高性能的闭环控制。

本发明方法中，进网电流高通移相环节的参数设计按照：

\{\begin{matrix} ω_{h} = 4 π f_{res} \sqrt{1 - k^{2}} \\ k_{c} = 2 π f_{res} (L_{1} + L_{2}) (2 - k^{2}) \sqrt{1 - k^{2}} \end{matrix} - - - (4)

式中：k为一个小于1的数，为保证较好的谐振抑制效果同时实现高带宽，可取为0.8~0.9。

下面提供本发明的一组实验数据：单相LCL滤波全桥并网逆变器，直流输入电压380V，电网电压220V/50Hz，额定功率3kW，电感L₁为1mH，L₂为1mH，滤波电容C₁为10μF，开关频率10kHz。

图6所示为采用本发明方法的计及电流比例积分（PI）调节器的系统开环传递函数波特图，其中Z₀以及P₁、P₂、P₃为式（3）传递函数的零点以及非零的极点。图7所示为采用本发明方法的计及电流PI调节器的系统闭环波特图。由于本发明中注入了进网电流经由高通移相环节后的信号，谐振峰得到了高效的抑制，因而闭环设计方便，且可以实现很高的闭环带宽（约为1.8kHz），可实现优良的系统稳态、动态响应。图8给出了图4方案在满载下的进网电流波形。图9给出了图4方案在进网功率由满载突变到10%再突变到满载时的进网电流波形。

由于无论在单相还是三相的LCL滤波并网逆变器中滤波器的谐振现象均存在且影响系统闭环设计，而本发明方法可以有效的抑制谐振峰，因而可以广泛应用于各种单相以及三相LCL滤波并网逆变器进网电流控制且不需要额外的高精度采样。

由于无功补偿、有源滤波、整流等并网型应用同逆变工作模式下控制的相似性，本发明的电流控制方法也可广泛应用于各种单相以及三相LCL滤波并网系统的电网侧电流控制且不需要额外的高精度采样。

综上，本发明方法是一种适用于单相以及三相LCL滤波并网系统的、高性能的、低成本的、可靠的且易于设计实现的电流控制方案。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种LCL滤波并网逆变器单进网电流采样的电流控制方法，其特征在于步骤是：采样进网电流，并以该进网电流作为并网逆变器进网电流控制的反馈信号，将所述反馈信号同进网电流控制给定信号进行比较，获得的误差电流信号经由电流调节器产生第一输出信号，同时前述反馈信号经由高通移相环节产生第二输出信号，将第一、二输出信号相减，得到的输出信号作为逆变器开关运行的脉冲宽度调制信号。