CN109755941B - 一种lcl滤波器有源阻尼控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LCL滤波器有源阻尼控制方法及系统。所述方法针对通过LCL滤波器并网的三相逆变器，利用电流传感器采集LCL滤波器电容支路的三相电流瞬时值，将获得的三相电流瞬时值作为有源阻尼反馈环节的输入；设置有源阻尼反馈环节的控制参数，具体数值可根据系统需求的阻尼按照公式计算得到；将有源阻尼反馈环节的输出作为附加信号加到并网逆变器的电流比例积分控制器输出的PWM调制信号上，以增大系统阻尼，实现对系统固有谐振的抑制。本发明在多种工况及控制参数下都能够有效增大安装LCL滤波器后并网逆变器的阻尼，并且不产生有功损耗，达到了理想的阻尼控制效果，能够保证并网逆变器的稳定运行。

Description

一种LCL滤波器有源阻尼控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电子变换器稳定控制技术领域，特别是涉及一种LCL滤波器有源阻尼控制方法及系统。

背景技术

保障电网稳定运行、提高电能质量对提升国民经济的总体效益具有重要意义。作为清洁的可再生能源技术，光伏发电和风力发电近年来在世界范围内的并网容量迅速攀升。并网逆变器是光伏单元和风力单元接入传统电网的重要接口设备，为了改善网侧电流质量、减少谐波含量，逆变器并网时通常安装滤波器。由于LCL滤波器体积小、成本低、对电流中的高频分量具有良好的衰减特性，因此，在并网逆变器中得到了广泛的应用。LCL滤波器由两个电感支路和一个电容支路构成，其自身存在的固有谐振将降低电能质量甚至造成系统失稳，因此必须采取一定的阻尼措施防止振荡的发生。

目前LCL滤波器的阻尼方案可分为两类：第一类是无源阻尼方案，第二类是有源阻尼方案。属于第一类方案的有：1)在LCL滤波器的电容支路串联电阻，2)在LCL滤波器的电容支路并联电阻。在小容量系统中，无源阻尼方案机理简单，易于实现，效果良好，但是对大容量系统，阻尼电阻产生的有功损耗是难以接受的。有源阻尼方案通过控制环节实现对LCL滤波器谐振尖峰的抑制，产生与无源阻尼类似的阻尼效果。有源阻尼方案虽然实现较为复杂，但是不产生额外的有功损耗。属于第二类方案的有：1)加装额外传感器的有源阻尼方案，如电容电流比例反馈有源阻尼方法、电容电压比例反馈有源阻尼方法等。这类控制算法较易实现，但是额外的传感器会增加工程造价。2)不加装额外传感器的有源阻尼方案，如基于滤波器前馈的有源阻尼方法、单并网电流反馈有源阻尼方法等，这类控制算法不需要额外的传感器、经济性好，但是阻尼性能受电网参数的影响较大，还可能放大高次谐波电流，影响LCL滤波器的滤波性能。可见目前LCL滤波器的阻尼方案效果均不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种LCL滤波器有源阻尼控制方法及系统，以解决目前LCL滤波器的阻尼方案效果不理想的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种LCL滤波器有源阻尼控制方法，所述方法应用于采用LCL滤波器的并网逆变器，所述方法包括：

获取所述LCL滤波器的电路参数；所述电路参数包括所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，以及所述LCL滤波器两个电感支路的电感值；

根据所述电路参数确定有源阻尼反馈环节的控制参数；所述有源阻尼反馈环节包括比例环节、积分环节、二次积分环节和微分环节；所述控制参数包括比例增益、一次积分增益、二次积分增益和微分增益；

获取所述LCL滤波器的电容支路的三相电流瞬时值；

将所述三相电流瞬时值作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数确定所述有源阻尼反馈环节的输出；

根据所述有源阻尼反馈环节的输出确定新的PWM调制波；

根据所述新的PWM调制波控制所述并网逆变器的输出电压。

可选的，所述根据所述电路参数确定有源阻尼反馈环节的控制参数，具体包括：

根据所述电路参数，采用公式

确定有源阻尼反馈环节的控制参数；其中K_ic1为所述比例增益，K_ic2为所述一次积分增益，K_ic3为所述二次积分增益，K_ic4为所述微分增益；C_lc为所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，L_lc1和L_lc2分别为所述LCL滤波器的两个电感支路的电感值；R₁和R₂分别为所述LCL滤波器的电容支路所需的虚拟串联电阻和虚拟并联电阻的阻值；K_p和K_i分别为所述并网逆变器的电流比例积分控制器的比例增益和积分增益。

可选的，所述将所述三相电流瞬时值作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数确定所述有源阻尼反馈环节的输出，具体包括：

将所述三相电流瞬时值i_c作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数，采用公式

确定所述有源阻尼反馈环节的输出v_f。

可选的，所述根据所述有源阻尼反馈环节的输出确定新的PWM调制波，具体包括：

将所述有源阻尼反馈环节的输出v_f作为附加信号，与所述并网逆变器的电流比例积分控制器输出的原PWM调制波v_m相减，得到新的PWM调制波。

一种LCL滤波器有源阻尼控制系统，所述系统应用于采用LCL滤波器的并网逆变器，所述系统包括：

电路参数获取模块，用于获取所述LCL滤波器的电路参数；所述电路参数包括所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，以及所述LCL滤波器两个电感支路的电感值；

控制参数计算模块，用于根据所述电路参数确定有源阻尼反馈环节的控制参数；所述有源阻尼反馈环节包括比例环节、积分环节、二次积分环节和微分环节；所述控制参数包括比例增益、一次积分增益、二次积分增益和微分增益；

电容电流采集模块，用于获取所述LCL滤波器的电容支路的三相电流瞬时值；

有源阻尼反馈控制模块，用于将所述三相电流瞬时值作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数确定所述有源阻尼反馈环节的输出；

PWM调制波调节模块，用于根据所述有源阻尼反馈环节的输出确定新的PWM调制波；

并网逆变器控制模块，用于根据所述新的PWM调制波控制所述并网逆变器的输出电压。

可选的，所述控制参数计算模块具体包括：

控制参数计算单元，用于根据所述电路参数，采用公式

确定有源阻尼反馈环节的控制参数；其中K_ic1为所述比例增益，K_ic2为所述一次积分增益，K_ic3为所述二次积分增益，K_ic4为所述微分增益；C_lc为所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，L_lc1和L_lc2分别为所述LCL滤波器的两个电感支路的电感值；R₁和R₂分别为所述LCL滤波器的电容支路所需的虚拟串联电阻和虚拟并联电阻的阻值；K_p和K_i分别为所述并网逆变器的电流比例积分控制器的比例增益和积分增益。

可选的，所述有源阻尼反馈控制模块具体包括：

有源阻尼反馈控制单元，用于将所述三相电流瞬时值i_c作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数，采用公式

确定所述有源阻尼反馈环节的输出v_f。

可选的，所述PWM调制波调节模块具体包括：

PWM调制波调节单元，用于将所述有源阻尼反馈环节的输出v_f作为附加信号，与所述并网逆变器的电流比例积分控制器输出的原PWM调制波v_m相减，得到新的PWM调制波。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种LCL滤波器有源阻尼控制方法及系统，所述方法针对通过LCL滤波器并网的三相逆变器，利用电流传感器采集LCL滤波器电容支路的三相电流瞬时值，将获得的三相电流瞬时值作为有源阻尼反馈环节的输入；设置有源阻尼反馈环节的控制参数，具体数值可根据系统需求的阻尼按照公式计算得到；将有源阻尼反馈环节的输出作为附加信号，与并网逆变器的电流比例积分控制器输出的PWM调制信号相减，以增大系统阻尼，实现对系统固有谐振的抑制。本发明在多种工况及控制参数下都能够有效增大安装LCL滤波器后并网逆变器的阻尼，并且不产生有功损耗，达到了理想的阻尼控制效果，能够保证系统的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的LCL滤波器有源阻尼控制方法的方法流程图；

图2为本发明提供的采用LCL滤波器的并网光伏系统的电气连接图；

图3为本发明提供的基于电容电流复合反馈的有源阻尼控制框图；

图4为本发明提供的虚拟串联电阻和虚拟并联电阻的示意图；

图5为本发明方法投入运行前后并网光伏系统的稳定性对比图；

图6为本发明提供的LCL滤波器有源阻尼控制系统的系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种LCL滤波器有源阻尼控制方法及系统，以解决目前LCL滤波器的阻尼方案效果不理想的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

图1为本发明提供的LCL滤波器有源阻尼控制方法的方法流程图。参见图1，本发明提供的LCL滤波器有源阻尼控制方法具体包括：

步骤101：获取所述LCL滤波器的电路参数。

本发明提供的有源阻尼控制方法应用于采用LCL滤波器的并网逆变器，采用LCL滤波器的并网光伏系统的电气连接图如图2所示。三相并网逆变器的交流侧出口处连接了三相LCL滤波器，LCL滤波器可以滤除逆变器输出电流中的谐波。并网逆变器交流侧出口电压为v_o，L_lc1和L_lc2分别为LCL滤波器的两个滤波电感L_l和L₂的电感值，C_lc为LCL滤波器的滤波电容C的电容值，v_c和i_c分别为滤波电容C的电压和电流。三相LCL滤波器的另一侧与电网相连，i_o为流入电网的电流，R_line和L_line分别为电网输电线路的电阻和电感。

所述电路参数包括所述LCL滤波器的滤波电容的电容值C_lc，以及所述LCL滤波器两个电感支路的电感值L_lc1和L_lc2。根据所述电路参数可以确定有源阻尼反馈环节的控制参数。

步骤102：根据所述电路参数确定有源阻尼反馈环节的控制参数。

本发明提供的基于电容电流复合反馈的有源阻尼控制框图如图3所示，本发明采用的有源阻尼反馈环节包括比例环节、积分环节、二次积分环节和微分环节四部分。所述控制参数包括比例增益、一次积分增益、二次积分增益和微分增益。

本发明利用公式计算有源阻尼反馈环节的控制参数，以获取所需要的阻尼效果，所述有源阻尼反馈环节的控制参数的计算公式如下：

其中K_ic1为所述比例增益，K_ic2为所述一次积分增益，K_ic3为所述二次积分增益，K_ic4为所述微分增益。C_lc为所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，L_lc1和L_lc2分别为所述LCL滤波器的两个电感支路的电感值。

R₁和R₂分别为所述LCL滤波器的电容支路所需的虚拟串联电阻和虚拟并联电阻的阻值。虚拟串联电阻和虚拟并联电阻如图4所示，优选取值为R₁等于0.1标幺值，R₂等于1.5标幺值，1标幺值为并网逆变器额定容量下的阻抗。K_p和K_i分别为所述并网逆变器的电流比例积分控制器的比例增益和积分增益。

步骤103：获取所述LCL滤波器的电容支路的三相电流瞬时值。

在LCL滤波器的电容支路安装电流传感器，通过电流传感器采集电容支路的三相电流瞬时值i_c，将i_c作为有源阻尼反馈环节的输入，从而得到有源阻尼反馈环节的输出v_f。

步骤104：将所述三相电流瞬时值作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数确定所述有源阻尼反馈环节的输出。

如图3所示，将所述三相电流瞬时值i_c作为所述有源阻尼反馈环节的输入，从而得到有源阻尼反馈环节的输出v_f。

所述有源阻尼反馈环节的输出信号v_f的计算方法为：

由上式可知，本发明采用的有源阻尼反馈控制函数由比例项、一次积分项、二次积分项和微分项组成。其中K_ic1为比例项的比例增益，K_ic2为一次积分项的一次积分增益，K_ic3为二次积分项的二次积分增益，K_ic4为微分项的微分增益。

步骤105：根据所述有源阻尼反馈环节的输出确定新的PWM调制波。

如图3所示，将所述有源阻尼反馈环节的输出v_f作为附加信号，与所述并网逆变器的电流比例积分控制器输出的原PWM调制波v_m相减，得到新的PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)波，进而改变逆变器的输出电压v_o。

步骤106：根据所述新的PWM调制波控制所述并网逆变器的输出电压。

本发明方法在电路上等效为在LCL滤波器的电容支路上串联了电阻R1并且并联了电阻R2，如图4所示。本发明提出的有源阻尼控制方法产生一种虚拟电阻的效果，在电路上等效为在LCL滤波器的电容支路上串联了电阻R₁并且并联了电阻R₂，因此增大了并网光伏系统在谐振频率处的阻尼，实现对系统固有谐振的抑制，显著提升系统的参数稳定性。并且在提高系统阻尼的情况下，又不产生有功损耗，达到了理想的阻尼控制效果，能够保证并网逆变器的稳定运行。

图5为本发明方法投入运行前后系统的稳定性对比图。图5横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为经过LCL滤波器滤波后注入电网的A相电流i_oa，单位为KA。如图5所示，在图1所示的并网光伏系统中，在本发明方法投入使用时，系统稳定运行。在5s时刻撤除本发明方法，系统失稳。实验证明，本发明方法可以有效地抑制LCL滤波器的固有谐振，使并网光伏系统稳定运行。

基于本发明提供的有源阻尼控制方法，本发明还提供一种LCL滤波器有源阻尼控制系统，所述系统应用于采用LCL滤波器的并网逆变器。如图6所示，所述系统包括：

电路参数获取模块601，用于获取所述LCL滤波器的电路参数；所述电路参数包括所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，以及所述LCL滤波器两个电感支路的电感值；

控制参数计算模块602，用于根据所述电路参数确定有源阻尼反馈环节的控制参数；所述有源阻尼反馈环节包括比例环节、积分环节、二次积分环节和微分环节；所述控制参数包括比例增益、一次积分增益、二次积分增益和微分增益；

电容电流采集模块603，用于获取所述LCL滤波器的电容支路的三相电流瞬时值；

有源阻尼反馈控制模块604，用于将所述三相电流瞬时值作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数确定所述有源阻尼反馈环节的输出；

PWM调制波调节模块605，用于根据所述有源阻尼反馈环节的输出确定新的PWM调制波；

并网逆变器控制模块606，用于根据所述新的PWM调制波控制所述并网逆变器的输出电压。

其中，所述控制参数计算模块602具体包括：

控制参数计算单元，用于根据所述电路参数，采用公式

确定有源阻尼反馈环节的控制参数；其中K_ic1为所述比例增益，K_ic2为所述一次积分增益，K_ic3为所述二次积分增益，K_ic4为所述微分增益；C_lc为所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，L_lc1和L_lc2分别为所述LCL滤波器的两个电感支路的电感值；R₁和R₂分别为所述LCL滤波器的电容支路所需的虚拟串联电阻和虚拟并联电阻的阻值；K_p和K_i分别为所述并网逆变器的电流比例积分控制器的比例增益和积分增益。

所述有源阻尼反馈控制模块604具体包括：

有源阻尼反馈控制单元，用于将所述三相电流瞬时值i_c作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数，采用公式

确定所述有源阻尼反馈环节的输出v_f。

所述PWM调制波调节模块605具体包括：

PWM调制波调节单元，用于将所述有源阻尼反馈环节的输出v_f作为附加信号，与所述并网逆变器的电流比例积分控制器输出的原PWM调制波v_m相减，得到新的PWM调制波。

与现有LCL滤波器的阻尼方案相比，本发明提出的基于电容电流复合反馈的LCL滤波器有源阻尼控制方法，其优点在于：

1、本发明方法仅需要将原有的PWM调制波与有源阻尼反馈环节的输出相减就可以实现对LCL滤波器固有谐振的抑制，方法简单、容易实现；

2、本发明方法提出了有源阻尼反馈环节的控制参数K_ic1，K_ic2，K_ic3，K_ic4的计算公式，其中K_ic1为比例增益，K_ic2为一次积分增益，K_ic3为二次积分增益，K_ic4为微分增益，在实际应用中可直接根据公式计算得到相应的有源阻尼控制参数，以实现对谐振的抑制，方便简单、易于调试；

3、本发明方法提出的电容电流复合反馈的有源阻尼控制方法，相比传统电容电流比例反馈方法而言，可以增加系统在LCL滤波器谐振频率处的等效正电阻，在电路上等效为在LCL滤波器的电容支路上串联了电阻R₁并且并联了电阻R₂，产生一种虚拟电阻的效果，既提高了系统阻尼，又不产生有功损耗，达到了理想的阻尼控制效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种LCL滤波器有源阻尼控制方法，其特征在于，所述方法应用于采用LCL滤波器的并网逆变器，所述方法包括：

获取所述LCL滤波器的电路参数；所述电路参数包括所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，以及所述LCL滤波器两个电感支路的电感值；

根据所述电路参数确定有源阻尼反馈环节的控制参数；所述有源阻尼反馈环节包括比例环节、积分环节、二次积分环节和微分环节；所述控制参数包括比例增益、一次积分增益、二次积分增益和微分增益；

获取所述LCL滤波器的电容支路的三相电流瞬时值；

将所述三相电流瞬时值作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数确定所述有源阻尼反馈环节的输出；

根据所述有源阻尼反馈环节的输出确定新的PWM调制波；

根据所述新的PWM调制波控制所述并网逆变器的输出电压；

所述根据所述电路参数确定有源阻尼反馈环节的控制参数，具体包括：

根据所述电路参数，采用公式

确定有源阻尼反馈环节的控制参数；其中K_ic1为所述比例增益，K_ic2为所述一次积分增益，K_ic3为所述二次积分增益，K_ic4为所述微分增益；C_lc为所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，L_lc1和L_lc2分别为所述LCL滤波器的两个电感支路的电感值；R₁和R₂分别为所述LCL滤波器的电容支路所需的虚拟串联电阻和虚拟并联电阻的阻值；K_p和K_i分别为所述并网逆变器的电流比例积分控制器的比例增益和积分增益。

2.根据权利要求1所述的LCL滤波器有源阻尼控制方法，其特征在于，所述将所述三相电流瞬时值作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数确定所述有源阻尼反馈环节的输出，具体包括：

将所述三相电流瞬时值i_c作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数，采用公式

确定所述有源阻尼反馈环节的输出v_f。

3.根据权利要求1所述的LCL滤波器有源阻尼控制方法，其特征在于，所述根据所述有源阻尼反馈环节的输出确定新的PWM调制波，具体包括：

将所述有源阻尼反馈环节的输出v_f作为附加信号，与所述并网逆变器的电流比例积分控制器输出的原PWM调制波v_m相减，得到新的PWM调制波。

4.一种LCL滤波器有源阻尼控制系统，其特征在于，所述系统应用于采用LCL滤波器的并网逆变器，所述系统包括：

电路参数获取模块，用于获取所述LCL滤波器的电路参数；所述电路参数包括所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，以及所述LCL滤波器两个电感支路的电感值；

控制参数计算模块，用于根据所述电路参数确定有源阻尼反馈环节的控制参数；所述有源阻尼反馈环节包括比例环节、积分环节、二次积分环节和微分环节；所述控制参数包括比例增益、一次积分增益、二次积分增益和微分增益；

电容电流采集模块，用于获取所述LCL滤波器的电容支路的三相电流瞬时值；

有源阻尼反馈控制模块，用于将所述三相电流瞬时值作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数确定所述有源阻尼反馈环节的输出；

PWM调制波调节模块，用于根据所述有源阻尼反馈环节的输出确定新的PWM调制波；

并网逆变器控制模块，用于根据所述新的PWM调制波控制所述并网逆变器的输出电压；

所述控制参数计算模块具体包括：

控制参数计算单元，用于根据所述电路参数，采用公式

确定有源阻尼反馈环节的控制参数；其中K_ic1为所述比例增益，K_ic2为所述一次积分增益，K_ic3为所述二次积分增益，K_ic4为所述微分增益；C_lc为所述LCL滤波器的滤波电容的电容值，L_lc1和L_lc2分别为所述LCL滤波器的两个电感支路的电感值；R₁和R₂分别为所述LCL滤波器的电容支路所需的虚拟串联电阻和虚拟并联电阻的阻值；K_p和K_i分别为所述并网逆变器的电流比例积分控制器的比例增益和积分增益。

5.根据权利要求4所述的LCL滤波器有源阻尼控制系统，其特征在于，所述有源阻尼反馈控制模块具体包括：

有源阻尼反馈控制单元，用于将所述三相电流瞬时值i_c作为所述有源阻尼反馈环节的输入，根据所述控制参数，采用公式

确定所述有源阻尼反馈环节的输出v_f。

6.根据权利要求4所述的LCL滤波器有源阻尼控制系统，其特征在于，所述PWM调制波调节模块具体包括：

PWM调制波调节单元，用于将所述有源阻尼反馈环节的输出v_f作为附加信号，与所述并网逆变器的电流比例积分控制器输出的原PWM调制波v_m相减，得到新的PWM调制波。

Images