基于滤波电容电流补偿的并网逆变器控制(梁超辉 段善旭 刘邦银)

(b) 并网电流频谱分析 图 6 不带电容电流补偿的并网波形及频谱分析
且能有效地改善与输出滤波电容有关的并网电 流相位滞后和谐波含量增大的问题，提高并网 逆变系统的输出电能质量。
7 致谢
本课题研究得到台达环境与教育基金会电 力电子科教发展计划的资助（DREK200501）， 特此致以诚挚的谢意！
参 考 文 献 [1]. R.Teodorescu, F Blaabjerg, U.Borup, M. Liserre. A New Control Structure for Grid-Connected LCL PV Inverters with Zero-Steady-State Error and Selective Harmonic Compensation[C]. IEEE APEC'04, 2004, 1: 580-586 [2]. Guoqiao Shen, Dehong Xu, Danji Xi, Xiaoming Yuan. An Improved Control Strategy for Grid-Connected Voltage Source Inverters with a LCL Filter[C]. IEEE APEC’06, 2006: 1067-1073 [3]. R.Tirumala, N.Mohan, C.Henze. Seamless Transfer of Grid-connected PWM Inverters between Utilityinteractive and Stand-alone modes. IEEE APEC’02, 2002,2: 1081-1086 [4]. 张超，王章权，蒋燕君，何湘宁. 无差拍控制在光 伏 并 网 发 电 系 统 中 的 应 用 [J]. 电 力 电 子 技 术 , 2007,41(7): 3～5 [5]. 范小波，张代润.光伏并网逆变器数字滞环控制的研 究[J]. 电力电子技术，2006，40(6):46～48 [6]. 彭力，张宇等.高性能逆变器模拟控制器设计方法[J]. 中国电机工程学报, 2006，26(6):89～93 作者简介 梁超辉：男，1983 年生，硕士生。研究方向为光伏 发电系统并网控制 段善旭：男，1970 年生，教授，博士生导师。目前 主要研究方向为新能源发电及电能质量控制。 刘邦银：男，1979 年 12 月生，博士生，主要研究兴 趣为太阳能光伏发电技术
− rTs / L
(4) 。
其控制思想是：由锁相环（PLL）以及光 伏阵列实际功率输出情况确定的并网电流给定 值 I*G 加上滤波电容电流值 I*C 作为电感电流的 给定值 I*L ，然后通过对电感电流的闭环控 制，间接实现对实际并网电流的控制。补偿环 节 Gic(s)提供输出滤波电容电流补偿量的给定 值，鉴于电容电流与其电网的相位超前关系， 电容电流补偿量通过对采样得到的电网电压值 在 DSP 内部作数字微分运算获得。考虑到纯 微分环节容易引入控制器控制带宽以外的高频 干扰噪声，因此在微分环节 Cs 后串联了一个 滤除高频噪声的一阶低通惯性环节。故采用的 电容电流补偿环节传递函数如式（ 1 ）。其中 高 T1 为惯性环节时间常数。 Gic ( s ) = Cs /(T1s + 1) (1) 这使两种运行模式可以共享模拟采样值， 即电感电流、电网电压（并网模式） / 输出电 压（独立模式），且省去了直接检测 IC 需要 的电流传感器。如果微分运算足够准确，且电 流控制器能够使电感电流准确地跟踪给定值， 则输出滤波电容对并网电流的不良影响可完全 消除。由于滤波电容电流除了基波成分外，还 含有与电网电压相关的各种低次谐波，因此要 求图 4 中电流控制器在低次谐波频段内都有较 好的补偿效果。本文采用结构简单、性能良好 的 PI 控制器。另外为了获得更好的动态特 性，增强逆变器抗电网扰动的能力，控制方案 中还加入了电网电压前馈解耦环节。
在 这 种 情 况 • 下，由于滤波电容 IC • 电流 IC 的存在，电 IG 感电流 IL 与实际并 • • 网电流 IG 不相等， VG IL 在图 1 所示的参考 图 3 并网电流相量图 方向下，且假定控 制器能使电感电流准确跟踪给定，此时 IL 与电 网电压 VG 同频同相，则三个电流的相量图如 图 3。由图可知，此时的进网电流必然滞后于 电网电压，且电网电压的低次谐波在滤波电容 上产生的谐波电流也会使并网电流的谐波含量 增大。滤波电容越大、电网端电压越高、分布 式电源输出的功率越低，上述两个问题就越明 显。考虑并网 / 独立双模式切换的需要，且为 了在独立模式运行时能获得较好的电压控制特 性，输出滤波电容不能取得太小，此时滤波电 容电流对并网电流的影响必须考虑。
摘要:本文分析和设计了一种针对 LC 输出滤波的单相并网逆变器控制方案。该方案采用带电网电压前馈解耦的数 字 PI 控制，并结合输出滤波电容电流补偿以及数字锁相环实现并网电流的间接控制。理论分析和实验表明上述方案能 有效地改善并网逆变器的输出电能质量。 Abstract: A control scheme of single-phase grid-connected inverter based on LC filter is presented in this paper. The digital PI control strategy with grid voltage feed-forward, filter capacitor current compensation and digital PLL is adopted to control the gird-connected current. The proposed control strategy can improve output power quality of the grid-connected inverter effectively. Theoretical analysis and experimental results verify the validity of the proposed approach. 关键字: 并网逆变器；LC 滤波；电容电流；数字 PI 控制器 Keywords: Grid-Connected Inverter, LC filter, Capacitor Current, Digital PI Controller
Z Grid =
1 Cs
(11)
而如图 4 所示添加 IC 补偿控制后的电网 阻抗为
' Z Grid =
1 + DC K PWM GL DC K PWM GLGic − DC K PWM GLCs − Cs
(12)
(a) 全频域电网谐波阻抗对比
(a) 电网电压和并网电流波形
(b) 转折频率附近的局部放大 图 5 电网谐波阻抗对比图
图 1 并网逆变器拓扑
PLL
VG
Cs
IC
IL −
I* Lm
* IL +
−
GC (S )
K PWM
−
+
1 ( Ls + r )
IG
+
图 2 考虑滤波电容时的实际控制框图
2 带电容电流补偿的并网控制方案
2.1 滤波电容对并网电流的影响 并网逆变器主电路拓扑如图 1 所示。并网 逆变器通常采用电流型控制模式，滤波器若使 用 LC 结构，一般采用“大电感小电容”的参数 设计原则，以获得较好的电流控制特性。因此 在要求不高的场合往往忽略了滤波电容的影 响，而直接按照单电感滤波的情况进行控制 [4,5] 。即控制图 1 中的电感电流 IL，而不是真 正的并网电流 IG。若考虑滤波电容的存在，此 时实际的控制框图如图 2 所示。
其中 c = −ξωnTs ， d = ωnTS 1 − ξ 2 。
(6)
对比式（ 5 ）、（ 6 ）可得到电流环离散 PI 参数：
b − e2c a c + jd −e − ec − jd + 1 + e2 c KI = aTS KP =
(7) (8)
3.2 电网电压前馈解耦系数 如图 2，电网电压对并网电流控制的扰动 以两个形式存在。一个作用在滤波电感前、直 接以电网电压 VG 形式出现，另外一个作用在 滤波电感后，以电容电流 IC 形式出现。电网 电压前馈是针对前一种扰动形式的补偿。忽略 控制延时和零阶保持，PI 控制器、并网电感的 传递函数分别记为 DC(s)和 GL(s)，则可以推导 出由于前一种扰动形式所造成的输出误差为：
2.2 并网电流控制方案 为了减少输出滤波电容对实际并网电流在 幅值和相位，以及低次谐波方面的影响，本文 在常规的电感电流环控制中加入了滤波电容电 流补偿环节，该方案的控制框图如图 4。
I* C
Ginv ( z ) =
K PWM 1 − e( − rTs / L ) ⋅ r z − e( − rTs / L )
z + (aK P + aK I TS − b − 1) z + b − aK P = 0 (5)
根据极点配置的方法 [6] 确定电流环 PI 参 数。设添加 PI 控制器后的期望系统阻尼比为 ξ ，自然振荡频率为 ωn 。则期望系统的特征 方程为：
z 2 − (ec + jd + ec − jd ) z + e2 c
两种情况下的电网谐波阻抗对比如图 5。 从图 5（a）可知，在基频到 20 次谐波之间的 频段内（0～1kHz），由于添加了 IC 补偿，电 网阻抗得到了显著提高。增强了系统对电网电 压基频及低次谐波扰动的抑制能力。图 5 （b）为图 5（a）在惯性环节转折频率附近的 局部放大图，可以观察到由于一阶惯性环节的 加入，在其转折频率附近，电网阻抗相比与没 加 Ic 补偿时略为减小，控制器对电网电压中 相应频段的谐波抑制能力略有降低。然而由于
要令 Eg＝0，可以取：
GF =