LCL滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制

第28卷第18期中国电机工程学报V ol.28 No.18 Jun. 25, 2008

36 2008年6月25日 Proceedings of the CSEE ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2008) 18-0036-06 中图分类号：TM 46 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40

LCL滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制

沈国桥，徐德鸿

(浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027)

Current Control for Grid-connected Inverters by Splitting the Capacitor of LCL Filter

SHEN Guo-qiao, XU De-hong

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

ABSTRACT: A novel control strategy is proposed based on a new current feedback for grid-connected voltage source inverters (VSI) with an LCL-filter. The strategy “split” the capacitor of LCL-filter into two parts, and the current flowing between these two parts is measured and used as the feedback of a current regulator to stabilize and improve the system performances. By this way, the inverter control system is simplified from third-order to first-order, and the close loop control system can easily be optimized for minimum steady-state error and current harmonic distortion. The characteristics of the inverter system with the proposed controller are investigated and compared with the traditional strategy. The new current control strategy has been experimentally tested on a 5kVA fuel cell inverter.

KEY WORDS: grid-connected inverter; current control; interconnection; LCL Filter; harmonics

摘要：针对LCL滤波的并网逆变器电流控制时存在系统稳定性和稳态误差与谐波失真等问题，提出一种新的电流反馈控制技术。新的控制策略将LCL滤波器的电容按特定比例分成并联的前后2部分，通过测量中间电流并作为反馈信号控制逆变器输出，从而使受控系统的特性从三阶系统转换为一阶系统，控制性能得以改善，便于实现稳定误差和电流谐波失真的减小。给出该控制策略的理论依据和实现方法，分析比较了新方法与传统控制方法的特性差异。通过对5 kV A 燃料电池逆变并网发电电源的试验验证了该控制策略。

关键词：并网逆变器；电流控制；并网；LCL滤波器；谐波0 引言

随着新能源发电技术，如风力发电、光伏发电和燃料电池发电等越来越受到人们的重视，对并网发电逆变技术的关注也日益增加。逆变器在并网运行时，采用电流控制方式，注入电网的电流谐波是一项重要的指标。IEEE Std 929-2000标准要求总谐波失真小于5%，3、5、7、9次谐波小于4%，11~15次小于2%，35次以上小于0.3%。

为抑制开关频率输出电流谐波，LCL滤波器在电压源PWM控制并网逆变器中成为首选，因为它与单电感L滤波器相比，对电流高频分量具有更强的抑制能力[1-2]，但LCL滤波器具有三阶系统特性，更易引起输出振荡，因而，对逆变系统电流控制的设计提出了更高的要求。

滞环PWM电流控制的问题在于其开关频率、损耗和控制精度受滞环宽度的影响[3-5]。传统的比例积分调节(PI)固定频率PWM控制存在输出电流的稳态误差较大，电流谐波难以抑制的缺点。引入电网电压前馈控制有利于减小输出电流稳定误差[6-7]，但无法有效地抑制谐波。基于同步旋转坐标系的PI 调节控制可以使输出电流的基波稳态误差为零[8-9]，但不易应用在单相逆变系统控制中，而且需增加多个坐标系实现多次谐波的抑制，使系统控制复杂化。重复控制也还存在动态响应差的缺点[10-11]。比例加谐振控制(PR)通过比例谐振环节增加了特定频率的电流控制回路增益，以抑制基波误差或谐波分量；但多谐波抑制需增加比例谐振环节数量，易受频率漂移影响，并受到控制系统带宽的限制[12-15]。

本文针对LCL滤波并网逆变系统电流控制时的稳态误差和谐波抑制问题，提出了一种新的控制技术，给出了该控制策略的理论依据和实现方法，分析比较了新方法与传统控制方法的特性差异。最后，通过对5kV A燃料电池逆变并网发电电源的试验验证了该控制策略的有效性。

1 系统结构模型

图1为一个燃料电池并网逆变电源的结构，包括直流变换器、单相PWM逆变器、LCL低通滤波器和电流调节控制器等。其中逆变器为采用

第18期

沈国桥等： LCL 滤波并网逆变器的分裂电容法电流控制 37

图 1 燃料电池发电并网逆变电源系统结构

Fig. 1 Topology for the grid-connected fuel cell inverter

MOSFET 、IGBT 等功率器件的PWM 逆变器，由于前置三电平输出直流变换器的存在，在燃料电池电压随负载而变化时，逆变直流侧电压稳定，有利于并网逆变的电流控制。

LCL 滤波器用于抑制PWM 开关引起的高频电流谐波。忽略电感与电容的寄生参数，可以导出电网电流相对于逆变输出电压U i 的信号增益，即输出滤波器的传递函数为

2223()1

()()(1)i i I s G s U s L Cs Ls αα==−+ (1)

式中：L 为LCL 滤波器的总电感量；L =L 1+L 2， α=L 1/ L ，电网等效串联电感L g 被视为L 2的一部分；C 为滤波电容。

根据式(1)可以得出LCL 滤波器对开关频率谐波的衰减率，以确定滤波器是否满足要求。

本文以5 kV A 单相逆变器为例，设计了LCL 滤波器。逆变直流正负电压U DC =400 V ，开关频率 16 kHz ，滤波器总电感为L =3.1 mH, 总电容为C = 12 µF 。

根据式(1)，选取不同的滤波器参数时，得到一组滤波器U-I 传递函数波特图，如图2所示。当电容C =0时，滤波器的幅频特性为直线，即单电感滤波器特性，如图中曲线1所示。当电容C 不为0时，即采用LCL 滤波器，其幅频特性表现为三阶滤波特性，如图2曲线2~4所示。电感L 1、L 2的不同比例组合(α为0.25, 0.5和0.9)使LCL 滤波器在高频段有不同的衰减特性，而低频段增益与单电感滤波器相同。显然，LCL 滤波器通过引入电容C ，使高频衰减显著增强，有利于抑制开关纹波，但同时使滤波器由一阶系统变为三阶系统，在谐振频率处存在幅值尖峰，并造成相位剧变，增加了控制系统稳定性设计的难度。

在LCL 滤波器的电容支路中串联一个阻尼电阻可以消除谐振峰值，但同时将使LCL 的高频抑制能力下降，并增加损耗[16]，因此，从成本和性能2个方面均对逆变系统带来不利的影响。

幅值增益/d B

f /Hz

9050

10

30

18060

101010

1—C =0；2—C =12 µF ，α=0.25；3—C =12 µF ，α=0.5；4—C =12 µF ，α=0.9

图 2 LCL 滤波器的传递函数波特图

Fig. 2 Bode plot of the functions for LCL filters

2 传统的电流控制策略

并网电源的电流控制可分为间接电流控制和直接电流控制2大类。间接电流控制也称幅相控制，通过调节变流器交流侧电压的幅值和相位达到控制输出电流的目的[17]。间接电流控制结构简单，稳定性好，但存在动态性能差、响应慢的问题，对于电网电压波形畸变引起的电流谐波也缺乏抑制能力。而直接电流控制通过电流检测和反馈调节来实现电流误差和波形的控制。传统的直接电流控制采用逆变输出电流反馈或电网电流反馈，分别如图3(a)、(b)所示。图中，G PWM 代表PWM 逆变器的增益，包括采样和开关引起的延时，忽略非理想因素，G PWM 可表示为

PWM DC e d T s G U −= (2)

G PI 为PI 调节器的增益，定义为

PI 1

()(1)P i G s K T s =+ (3)

其中K P 为比例增益。

根据图3(a)和式(2)、(3)，假定电感L 1、L 2的串联等效电阻为R 1、R 2，得到逆变输出电流反馈控制的系统回路增益为

21_DC 2232122112()[(11/)e ( 1)]/[()d T s i LP P i G s HK T s U L Cs R Cs L L Cs R L R L Cs −=++++++

1212()]R R C L s R R +++ (4) 其闭环系统控制误差为

*11_1

()()1()i i LP E s I s G s =+ (5)

同样可得到电网电流反馈控制的系统回路增益

ϕ/(°)