LCL滤波器的三相光伏逆变器双环控制策略

＝１ Ｃ２
ｉ１ｄ－
１ Ｃ２
ｉ２ｄ＋ωｕＣｑ
##ｄｕＣｑ $ ｄｔ
＝１ Ｃ２
ｉ２ｑ－
１ Ｃ２
ｉ２ｑ－ ωｕＣｄ
（１）
图 ２ 示出 ＬＣＬ 滤波器在 ｄ，ｑ 坐标系下的数学
模型。ｄ，ｑ 轴电流除受控制量 ｕｄ 和 ｕｑ 影响外，还受 耦 合 电 压 ωＬ１ｉｑ，ωＬ２ｉ２ｑ，－ ωＬ１ｉｄ，－ ωＬ２ｉ２ｄ 和 耦 合 电 流 ωＣ２ｕＣｑ，－ ωＣ２ｕＣｄ 以及电网电压 ｕｓｄ，ｕｓｑ 的影响。如果引 入状态反馈对这些耦合量全部进行解耦控制，不仅
Ｌ２ 上的电流 ｉ２ 为状态变量。在图 １ 中，引入开关函 数 Ｓｉ（ｉ＝ａ，ｂ，ｃ），并定义：Ｓａ＝１，ＶＴ１ 导通而 ＶＴ４ 关断， Ｓａ＝０，ＶＴ４ 导通而 ＶＴ１ 关断，同理也可定义 Ｓｂ，Ｓｃ。在 三相平衡的情况下，列出 Ａ，Ｂ，Ｃ 三相的状态方程，
２９
第 ４２ 卷第 ９ 期 ２００８ 年 ９ 月
２ 光伏逆变器的状态空间数学模型
２．１ 主电路拓扑 图 １ 示出三相光伏并网发电系统的拓扑结构。
Ｃ１ 为输入直流母线滤波电容；Ｒ１ 为滤波电感 Ｌ１ 的内阻和由每 相桥臂的上、下管互锁死区所引起的电压损失 图 １ 三相光伏并网发电系统拓扑结构图
２．２ 基于 ＬＣＬ 滤波器三相并网逆变器建模［１－ ２］ 这里选择电感 Ｌ１ 电流 ｉ１、电容 Ｃ２ 电压 ｕＣ、以及
波器，基于 ＬＣＬ 滤波器电流源工作模式的逆变器仅仅采用单电流环是无法使系统稳定的，为此需要设计出更为复杂
的控制策略。分析了以电容电流和输出电流作为反馈变量的双环控制方法，以及在独立与并网工作模式下电流双环
控制器的性能，最后通过实验验证了理论分析的正确性以及控制策略的可行性。
关键词：逆变器；控制；滤波器 ／ 双环控制
５结论
对采用 ＬＣＬ 滤波器的单级式三相光伏并网逆 变器建立了完整的数学模型，分析了控制器引入电 流内环的理由，并详细分析了独立工作模式和并网
工作模式下内外环电流控制器参数的设计过程。实 验证明，该电流双环控制器具有较好的稳态和动态
性能，特别对于采用 ＬＣＬ 滤波器的光伏逆变器而言 不失为一种简单可行的并网方案。
图 ３ 和图 ５，根据上述分析，选择内环参数 Ｋｃ＝２，外 环 ＰＩ 参数分别为 Ｋｐ＝１．１，Ｋｉ＝２ ０４０，这一组参数既满
ＬＣＬ滤 波 器 的 三 相 光 伏 逆 变 器 双 环 控 制 策 略
足独立模式，又满足并网模式。设计一台采用 ＬＣＬ 滤波器电路拓扑的实验样机，光伏并网逆变器的实 验参数：Ｌ１＝５．５ ｍＨ，Ｌ２＝１ ｍＨ，Ｃ２＝２０ μＦ，开关频率 ｆｓ＝ １０．５ ｋＨｚ。图 ７ 示出实验波形。
由根轨迹可知，系统的两个极点比较靠近单位
圆。与独立工作模式下内外环 ＰＩ 参数的选择范围相
比，并网工作模式下外环 ＰＩ 参数的选择范围更窄一
些，系统的稳定裕度也更小些。但是采用同一组外环
ＰＩ 参数以及内环比例参数，也可实现在并网和独立
工作模式下的稳定工作。
４ 实验结果
结合所提出的三相光伏并网逆变器模型以及
（２）
式 中 ：ａ０ ＝ＫｃＫ１Ｋ２Ｃ２；ａ１ ＝ＫｃＫ１ＲＬＣ２；ｂ０ ＝Ｌ１Ｌ２Ｃ２；ｂ１ ＝Ｒ１Ｌ２Ｃ２ ＋ＲＬＬ１Ｃ２；
ｂ２＝Ｒ１ＲＬＣ２＋Ｌ１＋Ｌ２；ｂ３＝Ｒ１＋ＲＬ。
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图 ６ 并网工作模式下电容电流内环的控制框图
ｉｉＣＣ＊（（ｓｓ））＝
ＫｃＫ１（Ｌ２Ｃ２ｓ２） Ｌ１Ｌ２Ｃ２ｓ３＋Ｒ１Ｌ２Ｃ２ｓ２＋（Ｌ１＋Ｌ２）ｓ＋Ｒ１
中图分类号： ＴＭ４６４
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ １００Ｘ（２００８）０９－ ００２９－ ０３
Ａ Ｔｗｏ－ｌｏｏｐ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ Ｓｔｒ ａｔｅｇｙ ｏｆ ＰＶ Ｉｎｖｅｒ ｔｅｒ ｗｉｔｈ ＬＣＬ Ｆｉｌｔｅｒ
ＬＩＵ Ｆｅｉ，ＹＩＮ Ｊｉｎ－ｊｕｎ，ＺＨＯＵ Ｙａｎ，ＤＵＡＮ Ｓｈａｎ－ｘｕ
采用 ＬＣＬ 滤波器的光伏逆变器的双电流环控 制与电压源逆变器的电压电流双环控制虽然都是双 环控制，但在原理上却完全不同。光伏逆变器控制为 电流源实现并网功能，首先其指令为电流指令，其次
基金项目： 台达环境与教育基金会重点资助项目（ ＤＲ－ ＥＫ２００５０１）
定稿日期： ２００８－ ０５－ ２３ 作 者 简 介 ： 刘 飞 （ １９７７－ ） ， 男 ， 湖 北 汉 川 人 ， 博 士 研 究
１引言
在电压型逆变器控制为电压源时，常常会采用 电压电流双环控制方案。单环控制虽然具有很快的 响应速度，但是抗扰动能力很弱，在非线性负载条件 下很难保证良好的输出波形。电压源逆变器是一个 指令信号成正弦变化的伺服系统，因而可将伺服系 统的控制方法移植到逆变器的控制中。双闭环系统 是两级串联校正，其电流内环不是并联校正，而是起 限制起动电流和构成电流随动系统的作用，因此双 环控制在伺服系统的控制中应用广泛。由于逆变器 的输出波形控制包含了伺服系统的指令跟随和调速 系统的快速响应两个方面的要求，因此为了确保各 种扰动状态下（如输入电压波动、负载突变等）逆变 器输出波形的质量，采用电压电流双环控制结构。
反馈量也采用电流量，能作为反馈量的只有 ｉ１ 和 ｉＣ。 通过对系统稳定性进行的分析［３］，得出引入 ｉＣ 反馈 的效果更好。下面分别对独立和并网状态下的电流
双环进行设计。
３．１ 独立工作模式
图 ３ 和图 ４ 示出独立模式下电流双环和内环的
控制框图。内环控制器的开环传函为：
ｉｉＣＣ＊（（ｓｓ））＝
ａ０ｓ２＋ａ１ｓ ｂ０ｓ３＋ｂ１ｓ２＋ｂ２ｓ＋ｂ３
生， 研究方向为三相光伏并网发电系统的 控制研究。
电流控制器的响应速度远比电压控制器的快，不能 像设计电压电流双环一样，在设计电流内环时忽略 电压外环的影响。而且鉴于 ＬＣＬ 滤波器的工作特 点，在光伏逆变器并网控制时，单电流环是无法使系 统稳定的，因此需要再引入一个电流反馈作为控制 量，组成双环控制，以使并网系统具备一定的稳态裕 度和动态性能。
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ， ２００８
并采用 Ｃｌａｒｋ 变换将光伏逆变器的模型从三相静止
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Ａ，Ｂ，Ｃ 坐标系变换到两相静止 α，β坐标系，然后再
采用 Ｐａｒｋ 公式变换到两相同步旋转 ｄ，ｑ 坐标系，同
时令 ＵｄｃＳｄ＝ｕｄ，ＵｄｃＳｑ＝ｕｑ，则有：
（４）
由根据式（４）画出的参数变化时的根轨迹可知，
使得内环稳定的 Ｋｃ 取值范围为 ０＜Ｋｃ＜５．５，而且闭 环极点位于单位圆附近。由于零极点对消法要消
除的极点为 ０．９９４ ２，非常接近单位圆，所以对消法
所产生的偶极子的作用不能忽视，因此可以增大
积分系数 Ｋｉ 的值，意即使 ＰＩ 调节所引入的零点远 离单位圆。
（Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｗｏ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｈａｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＵＰＳ ａｎｄ ａｃｔｉｖｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ． Ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｒｙ ｔｏ ｔｈｅ Ｌ ａｎｄ ＬＣ ｆｉｌｔｅｒ，ｓｉｎｇｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｉｓ ｎｏｔ ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＬＣＬ ｆｉｌｔｅｒ．Ｔｈｕｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃｕｒ－ ｒｅｎｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｓ ｔｈｅ ｆｅｅｄ－ｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｒｉａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｕｎｄｅｒ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｇｒｉｄ －ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｍｏｄｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｒｅ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｉｌｔｅｒ ／ ｔｗｏ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒ ｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｇｒａｎｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｄｅｌｔａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ＆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（Ｎｏ．ＤＲＥＫ２００５０１）
!ｄｉ１ｄ #ｄｔ
＝－
Ｒ１ Ｌ１
ｉ１ｄ＋ωｉ１ｑ－
１ Ｌ１
ｕＣｄ＋
１ Ｌ１
ｕｄ
##ｄｄｉｔ１ｑ ###ｄｄｉｔ２ｄ "##ｄｄｉｔ２ｑ
＝－
Ｒ１ Ｌ１
ｉ１ｑ－ ωｉ１ｄ－
１ Ｌ１
ｕＣｑ＋
１ Ｌ１
＝ωｉ２ｑ＋
１ Ｌ２
ｕＣｄ－
１ Ｌ２
ｕｓｄ
＝－
ωｉ２ｄ＋
１ Ｌ２
ｕＣｑ－
１ Ｌ２
ｕｓｑ
ｕｑ
#ｄｕＣｄ #ｄｔ
图 ２ ＬＣＬ 滤波器在坐标系下的数学模型
３ 引入电容电流内环
从系统的控制性能分析，引入电流反馈加快了
控制系统的响应速度，有利于系统稳定。与 Ｌ 型滤
波器不同，ＬＣＬ 滤波器的 ｉＣ 和 ｉ１ 都是影响调控并网 电流的因素，因此有必要引入电流内环来改善系统
控制的性能。考虑到外环为并网电流环，内环引入的
５４－ ５９． ［２］ 张宪平，李亚西，潘 磊，等．三相电压型整流器的 ＬＣＬ
型滤波器分析与设计［Ｊ］．电气应用，２００７，２６（５）：６５－ ６８． ［３］ Ｑｉａｎｇ Ｚｈａｎｇ，Ｌｅｉ Ｑｉａｎ，Ｃｈｏｎｇｗｅｉ Ｚｈａｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｇｒｉｄ
只要引入合适的内环比例系统 Ｋｃ，就完全能保
证系统具有足够的稳定裕度。
３．２ 并网工作模式［４－ ５］
图 ５ 和图 ６ 示出并网模式下电流双环和内环的
控制框图。
建模时各个参数的精确度。所以最终选择将三相光
伏逆变器变换成两个等效的单相逆变器，在 α，β坐 标系下进行控制。
图 ５ 并网模式下电流双环控制框图
引入的状态量比较多，而且还需进行微分算法，这样
使控制器的设计非常复杂。此外与控制器设计相关
的系统参数也非常多，使得控制器的性能非常依赖
图 ３ 独立模式下电流双环控制框图
图 ４ 独立工作模式下电流内环的控制框图
由根据式（２）画出的参数 Ｋｃ 变化时的根轨迹可 知，使内环稳定的 Ｋｃ 的取值范围为 ０～９．７，取 Ｋｃ＝１。 再对外环的 ＰＩ 参数进行调节。
设计外环参数 Ｋｐ，Ｋｉ 时，采用引入零点与内环 控制器的闭环极点进行对消。
外环控制器的开环传函为：
ｉｉ２２＊（（ｓｓ））＝
ｇ０ｓ＋ｇ１ ｈ０ｓ４＋ｈ１ｓ３＋ｈ２ｓ２＋ｈ３ｓ
（３）
式中：ｇ０＝ＫｃＫ１Ｋｐ；ｇ１＝ＫｃＫ１Ｋｉ；ｈ０＝Ｌ１Ｌ２Ｃ２；ｈ１＝Ｒ１Ｌ２Ｃ２＋ＲＬＬ１Ｃ２＋ＫｃＫ１Ｌ２Ｃ２；
ｈ２＝Ｒ１ＲＬＣ２＋Ｌ１＋Ｌ２＋ＫｃＫ１ＲＬＣ２；ｈ３＝Ｒ１＋ＲＬ。
参考文献
［１］ 王 赞，肖 岚，姚志垒，等．并网独立双模式控制高性能 逆变器设计与实现［Ｊ］．中国电机工程学报，２００７，２７（１）：
由图可见，电容电流内环采用双环控制策略 后，其控制器的参数设计比较容易，不仅可以工作 在独立模式和并网模式下，而且具备良好的稳态和 动态性能。在电网电压含有 ３，５，７ 次谐波的情况 下，不仅可以实现安全并网，而且在突加并网电流 指令时，也能很快通过调节控制器而使电流稳定在 新的电流幅值上。
第 ４２ 卷第 ９ 期 ２００８ 年 ９ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ， ２００８
ＬＣＬ滤波器的三相光伏逆变器双环控制策略
刘 飞， 殷进军， 周 彦， 段善旭 （华中科技大学，湖北 武汉 ４３００７４）
摘要：双环控制策略被广泛应用于电压源逆变器的控制中，它包括 ＵＰＳ 和有源滤波两部分。不同于以往的 Ｌ 和 ＬＣ 滤