LCL滤波单相光伏并网逆变器Quasi-PR控制策略

LCL滤波单相光伏并网逆变器Quasi-PR控制策略
丁兆卅;刘丙申;石硕;周振雄;张春晖
【摘要】针对采用传统PI控制器的LCL滤波单相光伏并网逆变器在跟踪并网交流信号时存在静差的问题,在并网电流Quasi-PR单闭环控制的基础上,增加1个电容电流内环,从而构成双闭环控制结构,以提高系统抗扰能力,抑制振荡;通过Quasi-PR 实现外环并网电流无静差控制.在系统建模和分析的基础上设计参数,利用MATLAB 软件进行仿真分析,通过搭建的试验系统加以验证.结果表明:在此控制策略下,获得的并网电流畸变率小,实现了并网电流的无静差跟踪,系统输出波形满足入网要求.【期刊名称】《北华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(019)006
【总页数】6页(P830-835)
【关键词】光伏并网逆变器;LCL滤波器;Quasi-PR控制;无静差
【作者】丁兆卅;刘丙申;石硕;周振雄;张春晖
【作者单位】北华大学电气与信息工程学院,吉林吉林 132021;北华大学电气与信息工程学院,吉林吉林 132021;北华大学电气与信息工程学院,吉林吉林 132021;北华大学电气与信息工程学院,吉林吉林 132021;中国石油天然气股份有限公司东北化工销售分公司,吉林吉林 132011
【正文语种】中文
【中图分类】TP301.6
随着石油、煤、天然气等不可再生化石能源的不断开采使用，人类社会已经逐步面临着能源危机问题，光能、风能、水能等清洁绿色能源的开发和利用越来越受到世界各国的重视，尤其是对于需要大量能源的发展中国家来说，绿色能源的开发已势在必行.随着太阳能电池板制作材料和转换效率的不断提升与进步，光伏发电技术
逐渐在可再生能源的利用中占据了重要地位，并受到国内外专家学者的普遍关注.
光伏发电产生的电能不仅可以供用户就地使用，也能并网供给到电力系统中.其中，并网逆变器是并网控制和能量转换的核心关键装备，能够实现将光伏组件产生的直流电逆变转换为交流电从而实现准同步并网或同步并网[1]，而其控制性能的好坏
直接关系到并网电能的质量，因此成为研究的热点.
为了获得低谐波失真(total harmonic distortion，THD)的入网电流，一般在逆变器中接入有源滤波器.通常使用的有源滤波器有多种形式[2]，如L，LC，LCL型，
其中LCL型滤波器不仅在高开关频率时具有较好的谐波抑制能力，而且在低开关
频率时也具有较好的谐波抑制能力，因此应用更加广泛[3].但是，LCL为无阻尼三
阶系统，易发生谐振，采用LCL型滤波器后系统阶数会增加，因此对系统控制有
更高的要求.为了提高采用LCL型滤波器的并网系统在使用直接电流控制时的稳定性，文献[4]采用了在电容支路增加电阻提高阻尼抑制谐振的方法，但缺点是增加
了功率损耗，同时滤波器对高频谐波的抑制能力减弱.
由于结构简单，对系统模型要求不高，传统PI控制器在工程上得到了广泛应用，
但其对中低频正弦电流信号的跟踪难以实现稳态误差为零，即无静差控制.文献[2]
提出了基于同步旋转坐标系的单相并网逆变器控制，虽然系统也能实现单位功率因数并网，但需要经过复杂的坐标变换；为了实现并网逆变正弦电流无静差控制，文献[5]提出了一种谐振控制方法，具有很好的正弦波电流跟踪效果.本文在参考国内
外大量相关文献的基础上，提出针对LCL滤波的电网电流外环和电容电流内环的
准比例谐振(Quasi-PR)控制策略.利用控制器在谐振频率点具有的高增益，可以很
好地消除并网电流稳态误差，克服PI控制器在对正弦电流信号控制时难以实现无
静差控制的缺点；通过仿真分析和试验验证本文控制策略的有效性和正确性.
1 LCL滤波器的并网逆变器模型
本文研究了一种带LCL滤波的光伏并网逆变控制系统，其结构见图1.图1中Udc
是直流侧电压；i2是并网电流；iC是电容中的电流.
系统采用双闭环控制结构，内环是并网电容电流闭环，作用是抑制电容电流突变，增大阻尼.为提高速度采用了P控制；外环是并网电流闭环，采用准比例PR控制，实现谐振点高增益，达到并网正弦波电流无静差控制的目标.通过锁相环实时检测
电网电压ug、相位θ，cosθ与并网电流参考值I相乘得到并网电流参考输入控制器的输出通过单极性正弦波脉宽调制驱动单相逆变桥中的4个开关管，最终实现
单相逆变器输出电流并网控制.为提高并网电流的控制效果，外环Quasi-PR控制
器的设计变得尤为关键.
图1LCL滤波光伏并网逆变器控制系统结构Fig.1 Control system structure of LCL filter photovoltaic grid-connected inverter
根据控制系统结构建立电流双闭环控制系统数学模型，见图2.设G(s)为并网电流
控制器即Quasi-PR控制器的传递函数.由于逆变单元中开关器件的开关频率一般
在20 kHz以上，远高于电网正常频率50 Hz，因此，在忽略开关管开断对系统产生的影响前提下，可以将逆变单元等效成简单的增益(比例环节)：
其中：Utri是三角载波峰值.
图2并网逆变器数学模型Fig.2Mathematical model of grid-connected inverter
根据该模型，可推导出并网电流的传递函数：
其中：
在设计G(s)时，可把电网电压看作是外界干扰[1]，令Ug(s)=0，那么并网电流控
制器G(s)控制对象传函
2 LCL滤波器参数选取
系统设计的电气元件参数见表1.电感L1按照单
表1 系统参数Tab.1 System parameters参量数值电网电压Ug220V电网频率
fg50Hz开关频率fs20kHz直流侧电压Udc400V系统容量Pn2kVA
电感设计，要求电流纹波限制在额定值的10%～25%.本文按照20%的电流纹波设计，则电感的最小值按式(1)计算：
(1)
滤波电容C根据无功功率选择，一般不大于额定功率的5%.由LCL滤波器中的电
容C按照无功功率的大小进行计算：
网侧电感L2的选择需要综合考虑.文献[6]证明了电感L1与输出电流纹波相关，电感L2和C可分流高频电流，电容提供给高频电流一个低阻抗的通道，为了保证好的分流效果，一般情况下XC<XL2×20%.综上所述，取L1=2 mH、L2=0.2 mH、C=2 μF.
通过以上计算选取L1，L2，C后，可由式(2)计算出LCL滤波器的谐振频率:
(2)
经计算fres≈8 kHz，满足式(3)，即选取的L1，L2和C值符合设计要求.
10f≤fres≤0.5fs
.
(3)
3 Quasi-PR控制器及离散化
3.1 Quasi-PR控制器
为解决并网正弦电流稳态无静差控制的问题，本文提出通过Quasi-PR控制器进行并网电流控制，其传递函数
(4)
其中：KP是控制器比例参数；KR是控制器的谐振系数；ω0是谐振频率；ωc是
截止频率.
由式(4)可知，Quasi-PR控制器有3个参数，可以在固定其中2个参数的情况下，调节第3个参数，通过系统波德图分析参数对控制器的影响.经过大量数据分析可得：KP不但可以调节系统增益，还可以同时调节谐振频率点的带宽，其值越大该
点带宽越小；KR则只调节系统增益；ωc只调节谐波频率点的带宽，其值越大带
宽越大.
Quasi-PR在谐振ω0点的系统增益是，此时系统闭环传函也就是说理论上能够实现无静差跟踪给定.
图3Quasi-PR控制器的Bode图Fig.3Bode diagram of Quasi-PR controller
将选取的控制器参数KP=1，KR=150，ωc=5 rad/s代入式(4)得到Quasi-PR控
制器的Bode图，见图3.由图3可以看出：当基波频率ω0=314 rad/s时，增益
达到45 dB左右，而对高于或低于基波频率的其他频率则衰减十分明显，因此能
够实现对基波频率信号的无静差控制.
3.2 Quasi-PR控制器离散化
采用Tustin变换法对Quasi-PR进行离散化[7-8].
(5)
将式(5)代入式(4)，得Quasi-PR的Z传递函数
(6)
其中：
由式(6)可得Quasi-PR的差分方程：
通过离散化的Quasi-PR控制器便可实现仿真分析，采用DSP数字控制器实现系统控制算法.
4 仿真与试验
4.1 仿真分析
为了验证以上控制算法的控制效果，采用MATLAB/Simulink仿真软件进行系统仿真分析，元件参数见表1.采用Quasi-PR控制器时的并网电流波形进行仿真，将电网电压归一化到20 V.并网电压与并网电流的仿真波形见图4.图5是网侧电流频谱图，THD为0.32%，符合国际标准IEEE 929-2000.
图4Quasi-PR控制器并网电压与网侧电流波形Fig.4Grid-connected voltage and grid-side current waveform of Quasi-PR controller 图5Quasi-PR控制器网侧电流频谱Fig.5Grid current spectrum of Quasi-PR controller
为了分析采用PI控制器和Quasi-PR控制器对光伏并网逆变系统进行控制时的效果，分别进行仿真对比.图6、图7分别是采用PI控制和Quasi-PR控制进行并网
电流控制时的波形.并网电流幅值给定为6 A，在t=0.10 s时，给定幅值改为3 A；在t=0.12 s时，给定幅值改为6 A.由仿真结果的对比分析可知：采用Quasi-PR
控制时，并网电流i2能够实现无静差地跟踪给定电流信号系统稳态误差为0，具
有良好的动态性能.
图6采用PI控制时并网电流i2跟踪指令电流i*ref仿真波形Fig.6Grid-connected current i2 tracking currenti*ref using PI control图7采用Quasi-PR控制时并网电流i2跟踪指令电流i*ref仿真波形Fig.7Grid-connected current tracking command current using Quasi-PR control
4.2 试验验证
为了验证本文算法的实际控制效果，设计制作了1台功率为1 kW的单相光伏并
网逆变器，直流侧电压通过稳压电源供给.采用Quasi-PR作为电流外环控制器，P 控制器作为电容电流内环控制器，基于TMS320F2812数字DSP进行系统实现.
图8是并网电流幅值给定为6 A稳态时并网电压及并网电流的输出波形，图9是
并网电流幅值给定由6 A改变为3 A时并网电压及并网电流的输出波形.
图8并网电流幅值给定为6A时的输出电流试验波形Fig.8Output current test waveform when the grid current amplitude is given as 6A图9并网电流幅值给定由6A变为3A时输出并网电流试验波形Fig.9Output grid-connected current test waveform when grid-connected current amplitude is changed from 6A to 3A
由试验结果可见：本文提出的控制算法能够实现并网逆变器输出电流与电网电压同频同相，同时也能够实现对给定并网电流信号进行无静差跟踪.在并网电流幅值给
定变化的情况下，能够迅速调节输出，使之快速跟踪给定信号的变化，并且输出很快达到稳态，系统具有良好的动静态特性.
5 结论
本文详细介绍了带LCL滤波器的光伏并网逆变器的结构和特点，给出了LCL滤波器的参数选择依据.为实现基频正弦波并网电流无静差跟踪，提出采用Quasi-PR 控制器的双闭环控制策略，给出了Quasi-PR的离散化形式.针对并网电流外环控制器，分别采用PI控制和Quasi-PR控制进行仿真对比分析和试验验证.仿真和试验结果表明：采用Quasi-PR控制器作为并网电流控制器时，并网逆变器输出电流波形能够实现与电网电压波形同频同相，同时能够实现对并网电流给定信号的无静差跟踪.系统具有较好的动态响应性能，其对并网电流的控制性能优于PI控制器.使用该控制策略，LCL滤波并网逆变器具有高质量的输出电流波形，能够满足对并入电网电能的质量要求.
【相关文献】
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