基于状态观测器的LCL滤波器型并网逆变器状态反馈最优化设计_李宾
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新能源用电力电子技术科技创新团队资助项目 (2010R50021) 。 收稿日期 2012-03-20 改稿日期 2013-07-06
1
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能源不断兴起，并在分布
2014 年 6 月 第 29 卷第 6 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.29 Jun.
No. 6 2014
基于状态观测器的 LCL 滤波器型 并网逆变器状态反馈最优化设计
李 宾 姚文熙 杭丽君 吕征宇
杭州 310027） （浙江大学电力电子国家专业实验室 摘要
Optimized Design of State Variable Feedback of Grid-Connected Inverter with LCL-Filter Based on State Observer
Li Bin Yao Wenxi Hang Lijun Lü Zhengyu Hangzhou 310027 China ） （ National Laboratory of Power Electronics Abstract Zhejiang University
LCL 滤波器对开关纹波有更好的抑制效果。但由于是三阶系统，传统的控制方法很难
对其产生的谐振峰进行抑制。本文在建立改进型离散状态空间方程和改进型观测器的基础上，利 用观测值反馈，通过极点配置实现了整个系统的最佳阻尼，在不增加传感器数量的同时明显改善 了系统的动态响应。在理论上分析了闭环极点对状态观测器极点配置的影响、状态观测值反馈的 稳定范围以及系统参数变化对稳定性的影响。最后在 10kW 并网逆变器样机上证实了所提出的方 案对系统动态和稳态效果的改善，验证了所提出方案的可行性和可靠性。 关键词： LCL 滤波器 并网逆变器 离散状态空间模型 极点配置 状态观测器 中图分类号： TM76; TM464
LCL-filter in grid-connected inverter has a better attenuation on switching ripples. But
as a three order system, its resonance is difficult to be suppressed using traditional control strategy. This paper, based on an improved discrete state space model and improved discrete state space observer, proposes a method using optimized pole placement theory to achieve the best damping effect of the whole system, which improves the dynamic response of the system without additional sensors. Furthermore, the influence of closed-loop poles on the placement of observer’s poles, as well as the range within which the observation feedback is stable and the impact of system parameters are discussed. A 10kW grid-connected inverter with LCL-filter prototype is set up to verify the effectiveness and robustness of the proposed control strategy and observer configuration. Keywords： LCL-filter, gird-connected inverter, discrete state space model, pole placement, state observer 式发电（ Distributed Generation, DG）中占据越来越 多的份额 [1-3]。 这些新能源都要通过并网逆变器来向电网馈 能。并网逆变器一般采用脉冲宽度调制（ Pulse Width Modulation, PWM ）下的电流型控制，因此会有很 多含有高频谐波的电流进入电网，影响电网质量。 为了滤除高频电流，通常要在逆变器与电网之间加
源自文库
入电感。相对于传统的 L 型滤波器，LCL 滤波器通过 电容支路提供高频旁路从而显著衰减流入电网电流
第 29 卷第 6 期
李
宾等
基于状态观测器的 LCL 滤波器型并网逆变器状态反馈最优化设计
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的高频分量，因此被广泛使用于大功率设备 [4-6]。但 由于 LCL 本身存在谐振， 在实际的控制过程中需要 阻尼来抑制其谐振。传统的阻尼方法一般是在电感 或电容上串联电阻（ Passive Damping, DP ） [7,8]。但 是这种方法不仅增大了系统的损耗，还削弱了 LCL 滤波器的性能 [8] 。为了解决这一问题，许多学者提 出 通 过 不 同 的 控 制 方 式 进 行 有 源 阻 尼 （ Active Damping, AD ） [8-17] 。文献 [9-12]分别利用电容电压 和电容电流反馈进行阻尼；文献 [13] 则提出了一种 基于虚拟电阻（ virtual resistor ）的解决方案。但是 这三种方法都要增加传感器的数量，增加了系统成 本。文献 [8]通过加入 A-D 模块来改善系统的性能； 文献 [14, 15]则提出了一种分裂电容的方法，通过采 集两个电容之间的电流进行阻尼。虽然这两种方法 在不增加系统成本的前提下达到了阻尼 LCL 谐振 的效果， 但对于系统的动态响应却没有明确的改善， 而且对 LCL 参数要求很高。 相对于前述几种使用传 统伯德图理论的分析，极点配置理论 [18]能够更好的 解释系统的动态性能，因此一种基于状态空间的极 点配置方法被提了出来
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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能源不断兴起，并在分布
2014 年 6 月 第 29 卷第 6 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.29 Jun.
No. 6 2014
基于状态观测器的 LCL 滤波器型 并网逆变器状态反馈最优化设计
李 宾 姚文熙 杭丽君 吕征宇
杭州 310027） （浙江大学电力电子国家专业实验室 摘要
Optimized Design of State Variable Feedback of Grid-Connected Inverter with LCL-Filter Based on State Observer
Li Bin Yao Wenxi Hang Lijun Lü Zhengyu Hangzhou 310027 China ） （ National Laboratory of Power Electronics Abstract Zhejiang University
LCL 滤波器对开关纹波有更好的抑制效果。但由于是三阶系统，传统的控制方法很难
对其产生的谐振峰进行抑制。本文在建立改进型离散状态空间方程和改进型观测器的基础上，利 用观测值反馈，通过极点配置实现了整个系统的最佳阻尼，在不增加传感器数量的同时明显改善 了系统的动态响应。在理论上分析了闭环极点对状态观测器极点配置的影响、状态观测值反馈的 稳定范围以及系统参数变化对稳定性的影响。最后在 10kW 并网逆变器样机上证实了所提出的方 案对系统动态和稳态效果的改善，验证了所提出方案的可行性和可靠性。 关键词： LCL 滤波器 并网逆变器 离散状态空间模型 极点配置 状态观测器 中图分类号： TM76; TM464
LCL-filter in grid-connected inverter has a better attenuation on switching ripples. But
as a three order system, its resonance is difficult to be suppressed using traditional control strategy. This paper, based on an improved discrete state space model and improved discrete state space observer, proposes a method using optimized pole placement theory to achieve the best damping effect of the whole system, which improves the dynamic response of the system without additional sensors. Furthermore, the influence of closed-loop poles on the placement of observer’s poles, as well as the range within which the observation feedback is stable and the impact of system parameters are discussed. A 10kW grid-connected inverter with LCL-filter prototype is set up to verify the effectiveness and robustness of the proposed control strategy and observer configuration. Keywords： LCL-filter, gird-connected inverter, discrete state space model, pole placement, state observer 式发电（ Distributed Generation, DG）中占据越来越 多的份额 [1-3]。 这些新能源都要通过并网逆变器来向电网馈 能。并网逆变器一般采用脉冲宽度调制（ Pulse Width Modulation, PWM ）下的电流型控制，因此会有很 多含有高频谐波的电流进入电网，影响电网质量。 为了滤除高频电流，通常要在逆变器与电网之间加
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入电感。相对于传统的 L 型滤波器，LCL 滤波器通过 电容支路提供高频旁路从而显著衰减流入电网电流
第 29 卷第 6 期
李
宾等
基于状态观测器的 LCL 滤波器型并网逆变器状态反馈最优化设计
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的高频分量，因此被广泛使用于大功率设备 [4-6]。但 由于 LCL 本身存在谐振， 在实际的控制过程中需要 阻尼来抑制其谐振。传统的阻尼方法一般是在电感 或电容上串联电阻（ Passive Damping, DP ） [7,8]。但 是这种方法不仅增大了系统的损耗，还削弱了 LCL 滤波器的性能 [8] 。为了解决这一问题，许多学者提 出 通 过 不 同 的 控 制 方 式 进 行 有 源 阻 尼 （ Active Damping, AD ） [8-17] 。文献 [9-12]分别利用电容电压 和电容电流反馈进行阻尼；文献 [13] 则提出了一种 基于虚拟电阻（ virtual resistor ）的解决方案。但是 这三种方法都要增加传感器的数量，增加了系统成 本。文献 [8]通过加入 A-D 模块来改善系统的性能； 文献 [14, 15]则提出了一种分裂电容的方法，通过采 集两个电容之间的电流进行阻尼。虽然这两种方法 在不增加系统成本的前提下达到了阻尼 LCL 谐振 的效果， 但对于系统的动态响应却没有明确的改善， 而且对 LCL 参数要求很高。 相对于前述几种使用传 统伯德图理论的分析，极点配置理论 [18]能够更好的 解释系统的动态性能，因此一种基于状态空间的极 点配置方法被提了出来