一种可再生能源并网逆变器的多谐振PR电流控制技术_杭丽君

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引言
当今社会，化石燃料燃烧造成的环境污染以及
非可再生资源的不断消耗所带来的能源危机，使得 可再生能源的开发变得非常重要。风能、地热能、 燃料电池以及太阳能等新型可再生能源不断兴起， 并在分布式发电(distributed generation，DG)中占据 越来越多的份额[1-4]。 可再生能源通过并网逆变器向电网馈能，构成 局部微电网，因此并网逆变器技术是可再生能源利 用的关键技术之一。并网逆变器一般采用脉宽调制 (pulse width modulation，PWM)下的电流源控制， 将带有大量高频分量的电流注入电网，影响电网质 量。 为了滤除高频电流， 通常会在逆变器与电网之间 加滤波电感。 许多文献提出一种 LCL 型滤波器[5-9]， 相对于传统 L 型滤波器， LCL 滤波器通过电容支路 提供高频旁路，从而使流入电网电流的高频分量大 大衰减，被广泛应用于大功率设备。 派克变换能够将三相正弦输入变成两相直流 量，从而可以使用传统的 PI 调节器进行控制[10-11]， 但是 dq 轴下的电流存在强耦合，解耦会使控制方 法变得复杂。三相正弦输入在两相静止坐标轴系下 仍然是正弦量[12]，因此不能使用 PI 调节器进行控 制。 虽然使用 PI 加电网电压前馈控制可以减小静态
SVPWM)后生成 IGBT 驱动。同时，系统控制中还
对电网电压进行锁相(phase lock loop，PLL)[17]，得 到电网电压的频率和相位， 并提供给派克变换使用。 1.3 开关周期平均模型 由图 1 所示，根据基尔霍夫电压和电流定律， 可以得到如下方程组：
ek igk zLg isk zLs U k , k a, b, c (isk igk ) zc uc u i z U k c sk Ls
[15]
Hale Waihona Puke 电网 PI id
*
/abc

abc/ i
*
U f

i
*
U f

PR PR

i
*
* i
图2
两相静止坐标系下基于 LCL 滤波器的 并网逆变器控制策略
Fig. 2 Control strategy of grid-connected inverter with LCL-filter under stationary frame
ek zc zLg zc zLs zLg zLs zc isk U k zc zLg zc
用如下形式[18]：
GPR ( s) K p 2 K hich s 2 h 1 s 2ch s h
n 2

(9)
这种多谐振的 PR 调节器在h 处存在谐振峰如 图 4 所示，为系统提供了很大的增益，从而实现对 频率为h 的交流分量的无静差跟踪。同时由控制
第 32 卷 第 12 期 2012 年 4 月 25 日 文章编号：0258-8013 (2012) 12-0051-08
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM 46 文献标志码：A
Vol.32 No.12 Apr.25, 2012 ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470·40

(5)
理论知识可知，系统开环增益越大，则抵抗环内扰 动的能力越强，因此，系统对于频率为h 的干扰

对系统进行开关周期平均，可得
ek zc zLg zc zLs zLg zLs zc ( isk
HANG Lijun, LI Bin, HUANG Long, YAO Wenxi, LÜ Zhengyu
(State Key Laboratory of Power Electronics (Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China) ABSTRACT: Based on the dual-loop current control strategy for grid-connected inverter, an average switching model of grid-connected inverters with LCL-filters was built under the stationary frame, and a multi-resonance proportional resonant (PR) regulator was adopted in the current-loop to track the given fundamental sinusoidal current as well as eliminating certain harmonics to improve the quality of grid currents. Because the system is of high order and complicated, the theory of the root locus was applied to analyze the PR regulator parameters, the digital delay and the LCL-filters, based on which the poles can be properly selected to guarantee the stability of the system and the performance of the current-loop. Finally, a 10kW prototype of grid-connected inverters with LCL-filters was set up to verify the effectiveness of the multi-resonance PR regulator and the practicality and feasibility of the design method based on root locus. KEY WORDS: renewable energy; grid-connected inverter; average switching model; multi-resonance proportional resonant regulator; current harmonics; root locus 摘要：在介绍三相并网逆变器电流双环控制策略的基础上， 对基于 LCL 滤波器的并网逆变器在两相静止坐标系下建立 完整的开关周期平均模型。 在电流环中， 应用多谐振比例谐 振(proportional resonant，PR)调节器来达到无静差跟踪正弦 电流基波给定并减小输出电流中特定次数的谐波含量， 以提 高并网电流质量。针对多谐振 PR 调节器阶数高、设计难的 问题，采用根轨迹理论分析 PR 调节器参数、系统延时以及 LCL 滤波器参数对闭环系统极点的影响，并基于此理论分 析设计极点位置， 选择合适参数， 在保证系统稳定的前提下 使电流环达到最佳的性能。最后搭建一台 10kW 并网逆
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U dc SVPWM Ls C abc/ i i R PLL Lg
误差[13]，但仍然不能完全消除静差，而且由于上下 桥臂之间死区的影响，一般逆变器输出都会存在低 频谐波， PI 调节器无法消除这类谐波。 一些文献[14] 中提出的比例谐振(proportional resonant，PR) 控制 能够在指定的频率处提供无穷大的增益，从而实现 特定频率的无静差控制。如果增加在 5、7 次等处 的谐振控制，则可以有针对性地消除这些频率的谐 波，显著提高注入电网的电流质量。 比例谐振控制是多阶系统，特别是多频率谐 振， 系统的阶数迅速增加， 再加上 LCL 滤波器为三 阶系统，控制环的设计变得非常复杂。在这种情况 下，提出了一种基于根轨迹理论的 PR 调节器设计 方法

(1)
T4 T6 T2
C R
其中
U k uk U DD
uk sk U dc 2
图 1 基于 LCL 滤波器的三相并网逆变器拓扑 Fig. 1 Topology of three phase grid-connected inverter with LCL-filter
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并网逆变器控制结构及开关周期模型
图 1 所示为本文研究的基于 LCL 滤波器的并网
1.1 主电路拓扑 IGBT 逆变器的主电路拓扑。 其中 Udc 为直流侧电压。 开关管 T1—T6 组成三相半桥结构，Lg、Ls 和 RC 组 成 LCL 滤波器。
T1 T3 T5 Ls Udc D ic is ig Lg e
基金项目：国家自然科学基金项目(50907059)。 Project Supported by the National Natural Science Foundation of China (50907059).
变器样机， 验证多谐振 PR 调节器对并网电流的改善作用以 及基于根轨迹理论设计多谐振 PR 调节器的实用性与可行性。 关键词：可再生能源；并网逆变器；开关周期平均模型；多 谐振 PR 调节器；电流谐波；根轨迹
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一种可再生能源并网逆变器的 多谐振 PR 电流控制技术
杭丽君，李宾，黄龙，姚文熙，吕征宇
(电力电子国家专业实验室(浙江大学)，浙江省 杭州市 310027)
A Multi-resonant PR Current Controller for Grid-connected Inverters in Renewable Energy Systems
电路少， 系统设计简单， 硬件上则可以将 LCL 滤波 器独立出来，便于实现。但由于电流反馈量较少， 对控制方法要求较高，且没有电容电流反馈，不能 用软件增加系统阻尼，必须加入阻尼电阻[16]。 如图 2 所示， 直流侧电压由电压调节外环控制， 而直流 PI 调节器的输出则作为两相旋转坐标系下 d 轴的电流给定，其大小表示系统的有功功率。通过 给定 q 轴电流，可以调节逆变器输出的无功功率， 如果要达到单位功率因数，则可将 q 轴电流给定设 为 0。在得到 dq 轴电流给定后，通过反派克变换， 可以得到轴下的电流给定，该给定值与采样得 到的逆变器侧电流相减作为 PR 调节器的输入，PR 调节器的输出经过反克拉克变换后通过空间矢量 脉宽调制 (space vector pulse width modulation ，