CN106130387A - 含lcl滤波器的逆变器并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，其为一种基于αβ坐标系下的电压外环、功率环以及电流双环的控制方法，由电压互感器、电流互感器以及逆变器配设的控制器实施；控制器包括PI控制器、准PR控制器和P控制器；包括①电压电流信号采集、②构建电压外环并通过PI控制器稳定逆变器直流侧电压、③构建功率环并通过控制输入电网的无功功率相应控制逆变器并网的功率因数、④构建网侧电流外环和电容电流内环组成的电流双环，控制电网侧电流的输出以增加系统稳定性等步骤。本发明不需要复杂的坐标旋转变换和繁琐的前馈解耦控制，控制方法简单，可实现系统单位功率因数运行，且稳定性好。

Description

含LCL滤波器的逆变器并网控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器的控制方法，具体涉及一种含LCL滤波器的逆变器并网控制方法。

背景技术

随着能源问题的日益严峻，新能源在全世界范围内的应用越来越广，目前新能源多为直流电源，因此，需要经过逆变器才可将新能源发出的电能输入至电网。逆变器作为新能源发电系统与电网相连接的重要装置，直接影响整个并网发电系统的性能，逐渐成为国内外研究的热点问题。

大量分布式新能源的接入，对电网系统带来了大量的谐波污染。为了满足国家规定的并网逆变器的并网电流的谐波含量要求，减少流入电网电流中的高次谐波含量，通常在逆变器与电网之间加入无源滤波器。当L滤波器和LCL滤波器的总电感值相等时，相比于L滤波器，LCL滤波器对高次谐波电流的衰减作用更强，更有利于逆变器在较低开关频率下获得高质量的并网电流，因此LCL滤波器在并网逆变电源中得到了广泛应用。

相比于L滤波器，LCL滤波器增加了滤波电容C和网侧滤波电感L₂，利用电感和电容对不同频率分量所呈现阻抗差异性特点，在高频情况下电感支路的阻抗大，而电容支路的阻抗小，从而为高频谐波分量提供低阻通道，降低注入电流中的高频谐波含量。但LCL滤波器为三阶系统，且存在一个阻尼系数很小的谐振尖峰，比较容易产生谐振造成系统不稳定。目前常见的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，其通常需要进行复杂的坐标旋转变换和繁琐的前馈解耦控制，控制方法相对复杂且稳定性需要提高。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于αβ坐标系下的电压外环、功率环以及电流双环的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，该方法不需要复杂的坐标旋转变换和繁琐的前馈解耦控制，控制方法简单，可实现单位功率因数运行，且稳定性好。

本发明的技术方案是：本发明的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，由电压互感器、电流互感器以及逆变器配设的控制器实施；上述的控制器包括PI控制器、准PR控制器和P控制器；包括以下步骤：

①电压电流信号采集：

通过电压互感器和电流互感器分别采集逆变器直流侧电压U_dc、电网侧三相交流电压U_sa、U_sb、U_sc、电网侧三相交流电流I_2a、I_2b、I_2c以及流入LCL滤波器中的电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc；

②构建电压外环并通过PI控制器稳定逆变器直流侧电压：

由预设的逆变器直流侧电压参考值U_dcref以及步骤①测得的逆变器直流侧电压U_dc构成电压外环；PI控制器通过调整控制电压外环的输出值I_m同步相应调整电网侧电流在αβ坐标系下的电流幅值，实现逆变器直流侧电压的稳定；

③构建功率环并通过控制输入电网的无功功率相应控制逆变器并网的功率因数：

由步骤①所得的电网侧电压U_sa、U_sb、U_sc和步骤②所得电压外环的输出值I_m构成功率环；功率环的输入值为步骤②中电压外环的输出值I_m以及电网侧电压的相角值α；输出值为αβ坐标系下的电流参考值I_αref、I_βref，功率环采用式(1)的控制方程实施控制：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}ref}\\ I_{\mathrm{\β}ref}\end{array}\right]=I_m\left[\begin{array}{c}sin\mathrm{\θ}\\ sin(\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：θ为电网侧电流的相角值；通过改变θ值的大小实现系统输出的功率因数控制；

④构建网侧电流外环和电容电流内环组成的电流双环，控制电网侧电流的输出以增加系统稳定性：

由步骤①所得的电网侧电流I_2a、I_2b、I_2c及LCL滤波器的电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc构建网侧电流外环控制和电容电流内环控制的电流双环控制：

控制器将电网侧电流I_2a、I_2b、I_2c转换成αβ坐标系下的电网侧电流I_2α、I_2β，电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc转换成αβ坐标系下的电容电流I_Cα、I_Cβ；

准PR控制器将αβ坐标系下的电网侧电流I_2α、I_2β与步骤③中功率环输出的电流参考信号I_αref、I_βref比较后输出控制信号所需的校正量I_Cαref、I_Cβref；

P控制器将准PR控制器输出的校正量I_Cαref、I_Cβref与αβ坐标系下的电容电流I_Cα、I_Cβ比较后输出电压控制信号U_inα、U_inβ，控制器经αβ坐标系逆变换后得到逆变器交流侧电压的控制量，控制器相应输出SPWM波控制逆变器的通断。

进一步的方案是：上述的步骤②中，PI控制器的具体控制方式为：

当U_dc＞U_dcref时，通过PI控制器增大电压外环的输出值I_m使得电网侧电流幅值相应同步增大，从而增加输入电网的功率，使得逆变器直流侧电压U_dc减小至其参考值U_dcref；

当U_dc＜U_dcref时，通过PI控制器减小电压外环的输出值I_m使得电网侧电流幅值相应同步减小，从而减小输入电网的功率，使得逆变器直流侧电压U_dc增大至逆变器直流侧电压参考值U_dcref；

当U_dc＝U_dcref时，通过PI控制器控制电压外环的输出值I_m保持不变使得电网侧电流幅值保持不变，从而使得流入电网的功率保持不变。

进一步的方案是：上述的步骤③中，电网侧电流的相角值θ采用式(2)的方式取值：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;},\frac{U}{U_N}>0.9\\ \mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;}+arcsin2(1-\frac{U}{U_N}),0.5<\frac{U}{U_N}\&le;0.9\\ \mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},\frac{U}{U_N}\&le;0.5\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：U为电网侧电压的有效值，U_N为电网侧电压的额定值；

当θ取值与电网侧电压的相角值α相等时，逆变系统运行在单位功率因数状态；当电网侧电压U降为额定电压U_N的0.5～0.9倍时，根据电网侧电压U的跌落程度，改变电网侧电流的相角值θ，从而发出一定的无功功率；当电网侧电压U降为额定电压U_N的0.5倍以下时，改变电网侧电流的相角值θ，使光伏发电系统仅输出无功功率。

进一步的方案是：上述的步骤④中，准PR控制器的表达式如式(3)：

$G_{co}\left(s\right)=k_p+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c{k}_{i}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{\mathrm{\&omega;}}_0^2}---\left(3\right)$

其中：G_co(s)表示准PR控制的传递函数，s表示拉普拉斯变换中的复数，k_p为比例常数、k_i为积分常数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率。

本发明具有积极的效果：本发明的含LCL滤波器的逆变器并网方法，其采用基于αβ坐标系下的电压外环、功率环以及电流双环的控制方法，通过将三相逆变器的控制转换为两个单相逆变器的控制，使得控制方法简单，并可实现系统单位功率因数运行，且稳定性好；同时能有效避免现有技术中常见的复杂的坐标旋转变换和前馈解耦控制。

附图说明

图1为本发明所应用的系统电路结构示意图；

图2为本发明所采用的控制系统结构示意框图；

图3为本发明所采用的在αβ坐标系下α轴的电流双环控制方式示意图；

图4为仿真实验中不同电压参考值下测得的直流侧电压波形图；

图5为仿真实验中并网点输入到电网的功率波形图；

图6为仿真实验中相角变化后的并网点输出的无功功率波形图；

图7为仿真实验中在αβ坐标系下的电压外环输出的电流波形图；

图8为仿真实验中在αβ坐标系下α轴电流及其参考值的波形图；

图9为仿真实验中在αβ坐标系下β轴电流及其参考值的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

(实施例1)

见图1至图3，本实施例的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，其为基于αβ坐标系下的电压环、功率环以及电流双环的控制方法，由逆变器配设的控制器实施；控制器包括PI控制器(PI：比例调节和积分调节)、准PR控制器(PR：比例谐振)和P控制器(P：比例)；αβ坐标系的转换由控制器执行。

本实施例的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，具体由以下步骤实现：

①电压电流信号采集：

通过电压互感器和电流互感器分别采集逆变器直流侧电压U_dc、电网侧三相交流电压U_sa、U_sb、U_sc、电网侧三相交流电流I_2a、I_2b、I_2c以及流入LCL滤波器中的电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc。

②构建电压外环并通过PI控制器稳定逆变器直流侧电压：

由预设的逆变器直流侧电压参考值U_dcref以及步骤①测得的逆变器直流侧电压U_dc构成电压外环；因通过PI控制器得到的电压外环的输出值I_m与在αβ坐标系下的电网侧电流幅值的变化趋势一致，也即通过PI控制器得到的电压外环的输出值I_m与电网侧电流幅值同步增大、减小或保持不变；PI控制器通过调整控制电压外环的输出值I_m使得电网侧电流在αβ坐标系下的电流幅值同步相应调整，实现逆变器直流侧电压的稳定：

当U_dc＞U_dcref时，通过PI控制器增大电网侧电流幅值，从而增加输入电网的功率，使得逆变器直流侧电压U_dc减小至其参考值U_dcref；

当U_dc＜U_dcref时，通过PI控制器减小电网侧电流幅值，从而减小输入电网的功率，使得逆变器直流侧电压U_dc增大至逆变器直流侧电压参考值U_dcref；

当U_dc＝U_dcref时，通过PI控制器控制电网侧电流幅值保持不变，从而使得流入电网的功率保持不变，系统得以稳定运行；

③构建功率环并通过控制输入电网的无功功率相应控制逆变器并网的功率因数：

由步骤①所得的电网侧电压U_sa、U_sb、U_sc和步骤②所得电压外环的输出值I_m构成功率环；功率环的输入值为步骤②中电压外环的输出值I_m以及电网侧电压的相角值α；输出值为αβ坐标系下的电流参考值I_αref、I_βref，功率环的控制方程如式(1)：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\&alpha;}ref}\\ I_{\mathrm{\&beta;}ref}\end{array}\right]=I_m\left[\begin{array}{c}sin\mathrm{\&theta;}\\ sin(\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：θ为电网侧电流的相角值；通过改变θ值的大小实现系统输出的功率因数控制；θ的取值方式见式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;},\frac{U}{U_N}>0.9\\ \mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;}+arcsin2(1-\frac{U}{U_N}),0.5<\frac{U}{U_N}\&le;0.9\\ \mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},\frac{U}{U_N}\&le;0.5\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：U为电网侧电压的有效值，U_N为电网侧电压的额定值。当θ取值与电网侧电压的相角值α相等时，逆变系统运行在单位功率因数状态；当电网侧电压U降为额定电压U_N的0.5～0.9倍时，根据电网侧电压U的跌落程度，改变电网侧电流的相角值θ，从而发出一定的无功功率；当电网侧电压U降为额定电压U_N的0.5倍以下时，改变电网侧电流的相角值θ，使光伏发电系统仅输出无功功率。

④构建网侧电流外环和电容电流内环组成的电流双环，控制电网侧电流的输出以增加系统稳定性：

由步骤①所得的电网侧电流I_2a、I_2b、I_2c及LCL滤波器的电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc构建网侧电流外环控制和电容电流内环控制的电流双环控制：

控制器将电网侧电流I_2a、I_2b、I_2c转换成αβ坐标系下的电网侧电流I_2α、I_2β，电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc转换成αβ坐标系下的电容电流I_Cα、I_Cβ；

准PR控制器将αβ坐标系下的电网侧电流I_2α、I_2β与步骤③中功率环输出的电流参考信号I_αref、I_βref比较后输出控制信号所需的校正量I_Cαref、I_Cβref；

P控制器将准PR控制器输出的校正量I_Cαref、I_Cβref与αβ坐标系下的电容电流I_Cα、I_Cβ比较后输出电压控制信号U_inα、U_inβ，控制器经αβ坐标系逆变换后得到逆变器交流侧电压的控制量，控制器相应输出SPWM波控制逆变器的通断。

本实施例中，准PR控制器的表达式如式(3)：

$G_{co}\left(s\right)=k_p+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c{k}_{i}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{\mathrm{\&omega;}}_0^2}---\left(3\right)$

其中：G_co(s)表示准PR控制的传递函数，s表示拉普拉斯变换中的复数，k_p为比例常数、k_i为积分常数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率。

PI控制器(即比例调节和积分调节控制器)和P控制器(即比例控制器)均为现有技术的控制器。

下面结合附图，利用仿真实验对本实施例的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法做进一步详细说明。仿真实验采用的电路如如图2所示，该电路的仿真参数如表1：

表1：仿真参数

系统模型主要参数	数值
		电网线电压/kV	0.3
电网电压频率f/Hz	50
		逆变器开关频率/kHz	5
滤波电感L1/μH	100
		滤波电感L2/μH	25
滤波电容C/μF	200
		谐振频率ω0/(rad/s)	314

图4为不同电压参考值下测得的直流侧电压曲线，从图3可以看出随着U_dcref的不同，光伏阵列出口端电压不同，且基本接近于电压参考值，说明了外环电压控制的有效性。

图5为并网点输入到电网的功率波形，从图中可以看出并网点输送至电网中的无功功率为0，因此，从该图可以很好的看出该系统可以运行在单位功率因数状态。

当改变功率环中的相角大小时，测得的网侧并网点处的无功功率见图6。从图中可以看出，当不改变功率环的相角时，并网点输出的无功功率接近于0，运行在单位功率因数状态；当改变功率环的相角时，会发现此时并网点输出的无功功率增加，功率因数改变，由此可说明功率环的有效性。

图7至图9为αβ坐标系下的电流波形图，其中图7为电压外环控制的输出量；图8和图9分别为α轴和β轴电流及其参考值波形，从图中可以看出经过准PR控制后，电流完全可以跟踪上其参考值，从而说明了准PR控制的有效性。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，由电压互感器、电流互感器以及逆变器配设的控制器实施；其特征在于：所述的控制器包括PI控制器、准PR控制器和P控制器；包括以下步骤：

①电压电流信号采集：

通过电压互感器和电流互感器分别采集逆变器直流侧电压U_dc、电网侧三相交流电压U_sa、U_sb、U_sc、电网侧三相交流电流I_2a、I_2b、I_2c以及流入LCL滤波器中的电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc；

②构建电压外环并通过PI控制器稳定逆变器直流侧电压：

由预设的逆变器直流侧电压参考值U_dcref以及步骤①测得的逆变器直流侧电压U_dc构成电压外环；PI控制器通过调整控制电压外环的输出值I_m同步相应调整电网侧电流在αβ坐标系下的电流幅值，实现逆变器直流侧电压的稳定；

③构建功率环并通过控制输入电网的无功功率相应控制逆变器并网的功率因数：

由步骤①所得的电网侧电压U_sa、U_sb、U_sc和步骤②所得电压外环的输出值I_m构成功率环；功率环的输入值为步骤②中电压外环的输出值I_m以及电网侧电压的相角值α；输出值为αβ坐标系下的电流参考值I_αref、I_βref，功率环采用式(1)的控制方程实施控制：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\&alpha;}ref}\\ I_{\mathrm{\&beta;}ref}\end{array}\right]=I_m\left[\begin{array}{c}sin\mathrm{\&theta;}\\ sin(\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中：θ为电网侧电流的相角值；通过改变θ值的大小实现系统输出的功率因数控制；

④构建网侧电流外环和电容电流内环组成的电流双环，控制电网侧电流的输出以增加系统稳定性：

由步骤①所得的电网侧电流I_2a、I_2b、I_2c及LCL滤波器的电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc构建网侧电流外环控制和电容电流内环控制的电流双环控制：

控制器将电网侧电流I_2a、I_2b、I_2c转换成αβ坐标系下的电网侧电流I_2α、I_2β，电容电流I_Ca、I_Cb、I_Cc转换成αβ坐标系下的电容电流I_Cα、I_Cβ；

准PR控制器将αβ坐标系下的电网侧电流I_2α、I_2β与步骤③中功率环输出的电流参考信号I_αref、I_βref比较后输出控制信号所需的校正量I_Cαref、I_Cβref；

P控制器将准PR控制器输出的校正量I_Cαref、I_Cβref与αβ坐标系下的电容电流I_Cα、I_Cβ比较后输出电压控制信号U_inα、U_inβ，控制器经αβ坐标系逆变换后得到逆变器交流侧电压的控制量，控制器相应输出SPWM波控制逆变器的通断。

2.根据权利要求1所述的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，其特征在于：所述的步骤②中，PI控制器的具体控制方式为：

当U_dc＞U_dcref时，通过PI控制器增大电压外环的输出值I_m使得电网侧电流幅值相应同步增大，从而增加输入电网的功率，使得逆变器直流侧电压U_dc减小至其参考值U_dcref；

当U_dc＜U_dcref时，通过PI控制器减小电压外环的输出值I_m使得电网侧电流幅值相应同步减小，从而减小输入电网的功率，使得逆变器直流侧电压U_dc增大至逆变器直流侧电压参考值U_dcref；

当U_dc＝U_dcref时，通过PI控制器控制电压外环的输出值I_m保持不变使得电网侧电流幅值保持不变，从而使得流入电网的功率保持不变。

3.根据权利要求1所述的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，其特征在于：所述的步骤③中，电网侧电流的相角值θ采用式(2)的方式取值：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;},\frac{U}{U_N}>0.9\\ \mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;}+\arcsin 2(1-\frac{U}{U_N}),0.5<\frac{U}{U_N}\&le;0.9\\ \mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&alpha;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},\frac{U}{U_N}\&le;0.5\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：U为电网侧电压的有效值，U_N为电网侧电压的额定值；

当θ取值与电网侧电压的相角值α相等时，逆变系统运行在单位功率因数状态；当电网侧电压U降为额定电压U_N的0.5～0.9倍时，根据电网侧电压U的跌落程度，改变电网侧电流的相角值θ，从而发出一定的无功功率；当电网侧电压U降为额定电压U_N的0.5倍以下时，改变电网侧电流的相角值θ，使光伏发电系统仅输出无功功率。

4.根据权利要求1所述的含LCL滤波器的逆变器并网控制方法，其特征在于：所述的步骤④中，准PR控制器的表达式如式(3)：

$G_{co}\left(s\right)=k_p+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c{k}_{i}s}{s^2+2{\mathrm{\&omega;}}_{c}s+{\mathrm{\&omega;}}_0^2}---\left(3\right)$

其中：G_co(s)表示准PR控制的传递函数，s表示拉普拉斯变换中的复数，k_p为比例常数、k_i为积分常数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率。