带LCL输出滤波器的并网逆变器控制策略研究

第31卷第12期中国电机工程学报V ol.31 No.12 Apr.25, 2011

34 2011年4月25日Proceedings of the CSEE ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013 (2011) 12-0034-06 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40

带LCL输出滤波器的并网逆变器控制策略研究

王要强，吴凤江，孙力，段建东

(哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江省哈尔滨市 150001)

Control Strategy for Grid-connected Inverter With an LCL Output Filter

WANG Yaoqiang, WU Fengjiang, SUN Li, DUAN Jiandong

(Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China)

ABSTRACT: The grid-connected inverter with LCL output filter is a third-order and multi-variable system, claiming a higher demands to the control system design. Aiming at this, a grid-connected inverter control strategy based on inverter-side current closed-loop and capacitor current feed-forward was proposed, controling the grid-side current indirectly through the inverter-side current. With the proposed control strategy, system stability and unity power factor are ensured, at the same time, no additional sensors are needed, making equipment costs reduced and reliability enhanced. Effectiveness and feasibility of the proposed strategy are validated by both the simulation and experiment results.

KEY WORDS: grid-connected inverter; LCL filter; system stability; power factor; current estimation

摘要：并网逆变器用LCL输出滤波器是一个三阶多变量系统，给控制系统设计提出了更高的要求。针对该问题，提出一种基于逆变器侧电流闭环和电容电流前馈的并网逆变器控制策略，通过逆变器侧电流间接控制并网电流。该控制策略能够保证系统稳定和单位功率因数运行，并且整个控制过程无需增加额外的传感器，降低了系统成本，增强了系统可靠性。仿真和实验结果验证了提出控制策略的有效性与可行性。

关键词：并网逆变器；LCL滤波器；系统稳定性；功率因数；电流估计

0 引言

随着能源和环境问题的日益严峻，风力发电、光伏发电等新能源并网发电技术越来越受到人们的重视，已经成为能源可持续发展战略的重要组成部分[1-3]。并网逆变器作为发电系统与电网连接的核心装置，直接影响到整个并网发电系统的性能，近年来逐渐成为国内外研究的热点[4-6]。

基金项目：国家自然科学基金项目(50477009)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50477009).

并网逆变器传统上采用L滤波器来抑制并网电流中由功率器件通断引入的高次谐波[7-11]，然而，随着逆变器功率等级的提高，特别是在中高功率应用场合，为降低功率器件的应力和损耗，一般选取较低的开关频率，致使网侧电流中的谐波含量增加。要使并网电流满足同样的谐波标准将需要一个较大的电感值。电感值的增加不仅会使网侧电流变化率下降，系统动态性能降低，还会带来体积过大、成本过高等一系列问题。针对上述问题，用LCL 滤波器代替L滤波器成为近年来相当有吸引力的解决方案[12-16]。LCL滤波器的阻抗值与流过的电流频率成反比，频率越高，阻抗越小，因此对电流高次谐波有更强的抑制能力。为此，在相同的谐波标准下LCL滤波器的应用可以降低总的电感取值，在大中功率应用场合，其优势尤为明显。但是，LCL滤波器是一个三阶多变量系统，给控制系统设计提出了更高的要求。如果直接采用典型的并网电流闭环的控制策略，系统是不稳定，的且不利于功率开关的保护[17]。文献[13]忽略滤波电容支路的影响，认为网侧电流和逆变器侧电流近似相等，采取逆变器侧电流闭环的控制策略，该策略易于系统稳定，且可以更为有效地保护功率开关，但电容支路的分流作用会使得系统功率因数降低。文献[16]提出采用逆变器侧电流和网侧电流加权平均值闭环的控制策略，系统稳定且在一定程度上提高了系统功率因数，然而加权平均电流和并网电流之间仍有相角差，并未彻底解决功率因数降低的问题。

本文提出一种基于逆变器侧电流闭环和电容电流前馈的并网逆变器控制策略，利用逆变器侧电流间接控制并网电流。电容电流通过估算获得，减少了电流传感器的数量，节约了系统成本，增强了系统可靠性。最后，通过仿真和实验对提出的控制

第12期 王要强等：带LCL 输出滤波器的并网逆变器控制策略研究 35

策略进行验证。

1 系统模型

图1为带LCL 输出滤波器的三相电压型并网逆变器拓扑结构示意图，由直流回路、功率开关桥路和交流回路组成。直流回路包括等效直流电源和直流侧滤波电容C dc ；功率开关桥路由IGBT 和与之反并联的二极管组成的三相半桥构成；交流回路通过LCL 输出滤波器与三相电网相连，LCL 滤波器由逆变器侧电感L 1k 、网侧电感L 2k 和滤波电容C k 组成，其中k=a 、b 、c 。

图1 带LCL 输出滤波器的并网逆变器拓扑结构 Fig. 1 Grid-connected inverter with an LCL output filter

假定电网为星形连接并且三相电压稳定对称，滤波电感是线性的，不考虑磁芯饱和，视主电路开关元器件为理想开关元件。忽略电路中的寄生电阻，由基尔霍夫电压、电流定律可以得到功率回路方程[17-18]为

1dc c 1,,2

c 2c 12

dc dc dc 1a,b,c d ()d d d d d d d k k k a b c k

k i u s s u L t i u L e t u i C i

t u

i C i s t ==⎧

−=+⎪⎪⎪=+⎪⎪⎨⎪=+⎪⎪⎪=+⎪⎩∑∑ (1)

式中u dc 、u c 、i 1、i 2、i dc 和e 分别为直流母线电压、

交流侧滤波电容电压、逆变器交流侧电流、网侧电流、直流侧电流和电网电压。

由式(1)可以得到

LCL 滤波器模型框图，如图2所示，其中，G 1(s )=1/L 1s ，G 2(s )=1/Cs ，G 3(s )=1/L 2s 。

图2 LCL 滤波器模型框图

Fig. 2 Block diagram showing LCL filter model

根据图2可以导出并网电流i 2相对于逆变器交流侧电压u 的信号增益，即开环传递函数为

231212()1()()()i s G s u s L L Cs L L s

==++ (2)

当滤波电容C =0时，式(2)可以写为

2

12()1

()()()i s G s u s L L s ==+ (3) 此时，LCL 滤波器就变成了L 滤波器，由式(2)、(3)分别绘制二者的幅频特性曲线，如所图3示。由图3可知：在低频段，LCL 滤波器和L 滤波器的幅频特性曲线基本一致；在高频段，LCL 滤波器比L 滤波器有更强的衰减能力。但与此同时，LCL 滤波器与L 滤波器相比也增加了变量数目，提高了系统的阶数，给系统控制提出更高的要求。为了便于下面分析，在此给出LCL 滤波器参数：L 1=5.2 mH 、C =50 µF 、L 2=1.6 mH 。

幅值/d B

f /(rad/s)

−−

图3 L/LCL 滤波器的幅频特性曲线

Fig. 3 Magnitude-frequency curve of the L/LCL filter

2 控制策略

2.1 传统电流控制策略分析

与L 滤波器相比，

LCL 滤波器多了一个电容支路，因电压、电流传感器的安装位置可以有多种选择，增加了闭环控制的自由度。从选择电流内环控制变量的角度出发，可以将他们分为网侧电流闭 环[17,19]和逆变器侧电流闭环[20]两种方式。

如果以网侧电流i 2为内环控制变量，其闭环结构框图如图4 (a)所示，对应的开环传递函数为

i 123o 1223()()()()

()1+()()()()

G s G s G s G s G s G s G s G s G s =

+

(4)

根据式(4)，绘制网侧电流闭环控制策略下的系统根轨迹曲线，如图5(a)所示。由图5可以看出，无论开环增益取多么小的值，总有极点分布在复平面的右半平面，因而系统是不稳定的。

实际上，为了更为有效地对逆变器功率开关进行过流保护，通常将电流传感器放置在逆变器侧，即对逆变器侧电流i 1进行闭环控制。图4(b)为采用逆变器侧电流闭环控制策略的结构框图，对应的开环传递函数为

i 123o 1223()()[1()()]

()1+()()()()

G s G s G s G s G s G s G s G s G s +=

+

(5)

图5(b)为逆变器侧电流闭环控制策略下的根轨