光伏并网逆变器阻尼控制新策略

函数表达式：
( ) ( ) Ig
U
(s) (s)
=
LgCLs3
+C
CRds+1 L+Lg R ds2 +
Lg +L
s
(2)
公式(2)中，Rd=0 时，即无阻尼时，发现系统
在虚轴上存在开环极点，因此系统不稳定；加入阻
尼电阻 Rd 后，系统极点左移至负半平面，系统变得
稳定。如图 7 所示，阻尼控制下根轨迹曲线。
节存在谐振峰值，可对其进行反馈控制。
R (s ) + E(s) G (s )
C (s)
−
H (s)
图 9. 典型的反馈系统
该系统的输入至输出的传递函数为：
C R
(s ) (s )
=
1+
G (s) G (s)H
(s )
（3）
LCL 滤波器在谐振频率 ωres 处存在谐振峰值，
引入反馈控制后系统的频率响应如式所示：
2 LCL 滤波并网谐振问题的分析
相比单 L 滤波器，LCL 滤波器一般具有低通特 性，因而对于同样谐波标准和较低的开关频率，可 以采用相对较小的滤波电感设计[7]，因此在目前的 光伏并网发电系统中，LCL 滤波器被普遍采用。由 于三相对称性，可以以典型的单相 LCL 滤波器电路 为例进行分析，如图 2 所示。对于电压型逆变器， 并网控制主要是通过控制桥臂侧的输出电压实现 并网的，因此需要研究滤波器输出电压对入网电流 的传递特性。
Abstract: Photovoltaic grid-connected power system is affected by solar irradiation and this characteristic can affect directly the input power into the inverter. The grid-connected current has a resonance problem based on the LCL filter, by using the traditional single resonance control method, it is difficult to balance the best control performance and minimal additional power loss in the case of power change. This paper first analyzes characteristics of the passive damping and active damping control, and then put forward a new Control scheme by combining those two approaches, switching between the two modes according to the magnitude of the input power to ensure harmonic suppression performance and achieve the additional damping loss minimization. Finally, through system simulation tests, the results verify the feasibility of this method.
摘 要：光伏并网发电受光照的影响，光照强度直接会影响到逆变器输入功率的变化。基于 LCL 滤波 并网时存在谐振问题，考虑到传统单一的谐振控制难以权衡变功率控制性能最优和额外功率损耗最小， 本文首先分析了无源阻尼和有源阻尼控制的特点，然后提出将两种控制结合起来的控制方案，根据输 入功率的大小进行两种模式的切换，保证谐波抑制性能的同时实现额外阻尼损耗最小。最后通过仿真， 验证了该控制方法的可行性。 关键词：并网逆变器；谐振抑制；阻尼控制；
-8
-5
-4 -3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Real A xis
4 x 10
(a)无阻尼根轨迹
-1.5
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
Real Axis
0
0.5
4 x 10
(b)有阻尼根轨迹
图 7. 阻尼控制下根轨迹曲线
绘制出伯德图，如图 8 所示，可以看出随着阻
尼电阻的增大，谐振峰的衰减程度越来越明显，阻
C R
( (
jω res jω res
) )
=百度文库
1+
G
(
(G jωres ) jωres H
) (
jω res
)
（4）
系统进行负反馈控制，可以稳定运行，并且随
着 H ( jωres ) 增大，系统在该频率处幅值增益越小。
满足谐振频率附近 1+ G ( jωres ) H ( jωres ) 实部大
于零，即可实现谐振峰值的抑制：特别的，实现谐 振频率处的负反馈控制可实现更好的峰值抑制效 果，且负反馈深度越深，谐振峰值的抑制效果越好 [12]。为了使得系统稳定，通常的做法是通过零极点 配置，让极点移到 s 平面的左半平面。这样实现阻 尼作用的同时，还没有额外的阻尼损耗。
New damping control strategy of grid-connected photovoltaic inverter
Rong Yajun1, Hu Yong2 , Niu Huan3
School of Electrical Engineering，Yanshan University Email: yjrong@ysu.edu.cn, psaia@foxmail.com, niu407228505@163.com
统不稳定现象，但同时也带来了损耗问题(阻尼损 耗) [10]。流过阻尼电阻的电流主要有基波电流、谐 振电流和与开关频率有关的谐波电流三部分组成 [11]。因为电容在基波频率处的阻抗值很大，因此流 向电容的基波电流就变得相当的小了，可以近似看 作基波电流 i≈0。谐振电流因 Rd 的存在而得到了衰 减，因此也近似为零，最终阻尼电阻上主要流过的 是与开关频率有关的谐波电流，从而阻尼电阻 Rd
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
光伏并网逆变器阻尼控制新策略
荣雅君 1，胡 勇 2，牛欢 3
1 燕山大学电气工程学院 2 燕山大学电气工程学院 3 燕山大学电气工程学院 Email: yjrong@ysu.edu.cn, psaia@foxmail.com, niu407228505@163.com
图 4. 改进算法的控制框图
2.1 无源阻尼法的机理分析
1）谐振控制性能分析 无源阻尼法的优点是控制结构简单，如图 5 所
示，控制响应速度迅速。为了便于分析，以传统的 单相并网为例，如图 6 所示。
图 5. 无源阻尼控制系统框图
L
Lg
ui
C
图 6. 无源阻尼控制结构
滤波器输出电压对输出电流的传递特性传递
0,10,20,40，得到传递函数的频率响应曲线，如图
ui
C
图 2. LCL 滤波无阻尼控制结构
输出电压对输出电流的传递函数：
( ) I g
Ui
(s (s
) )
=
1 LgC Ls3 +
Lg +L
s
（1）
很明显由于电容支路的加入，由传递函数可以
看出系统由一阶变成了三阶，这就势必会在一定的
频域内产生谐振问题如图 3 所示。为了使得并网电
流的质量符合并网标准，必须考虑如何解决谐振问
sC
uLg
1
sLg
+ ig
图 10. 基于有源阻尼的电容电流控制结构
滤波器输出电压对输出电流的传递特性传递
函数表达式：
( ) G(s)
=
−
Ig U
(s) (s)
=
s 3 LLg C
+
1 s 2 KLg C
+
s
L + Lg
(5)
式(5)中，K 是电容电流反馈系数，由劳斯稳定
判 据 可 知 ，K>0 时 ，系统 处 于 稳 定。 K 分 别 取
L
Lg
S=0，切换到控制模式 0：采用无源阻尼控制，此时结 构控制简单，控制响应速度比较快，虽然支路加入的 电阻会产生额外功率损耗，但是此时是小功率等级， 损耗也是比较小的。因此，将两种控制模式结合起来 切换使用，不但能解决多支路结构光伏并网的入网电 流谐振控制的问题，还保证了系统额外功率损耗的最 小化。
Keywords: grid-connected inverter; harmonic suppression; damping control;
1 引言
随着能源与环境问题的日益严峻，新能源发电技 术不断发展，光伏发电成为典型的代表，其并网技术 成为当今研究热点。为了确保并网发电的安全性和可 靠性，对于并网逆变器的入网电流，其总谐波以及各 次谐波含量均要满足并网要求，IEEE Std929-2000、 UL1741 等国际标准有严格规定[1~2]。针对 LCL 滤波谐 振控制方法主要分为无源阻尼法和有源阻尼法两大类 [3~5]。针对基于 LCL 滤波器的光伏并网发电系统，由于 光照强度的变化，逆变器输入功率是变化的，如图 1 所示。为了消除并网电流的谐振，采用传统单一的有 源阻尼或者无源阻尼控制方案会出现明显的弊端：逆
变器输入功率较大(光照强)时，无源阻尼控制虽然能
够抑制谐振，但是由于其控制结构中加入实际电阻，
此时功率大，电阻上的额外损耗很大；当逆变器输入
功率较小(光照弱)时，有源阻尼控制中所采用的电流
传感器采集的模拟量偏小，所以误差会变大，继而影
响了谐振的控制性能。这里提出将两种控制模式结合，
在大小功率等级下切换使用，这样不但能够保证额外
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x 104
Root Locus
8
5 x 10 1.5
Root Locus
6 1
4
0.5 2
0
0
Im a g in a r y A x is Im a g in a ry A x is
-2
-0.5
-4 -1
-6
阻尼功耗最小，还实现了良好的谐振抑制。
70 60
2 G=700W/m
50 40
2 G=500W/m
P/W
30
20 10
G=300W/m 2
0
0
10
20
30
40
50
U/V
图 1. 光伏电池输出功率 P 随跟光照强度 G 的关系
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电容支路串联电阻的有源阻尼控制方案相当 于在原来无源阻尼控制的基础上多了电流分量
iC sCRd ，如图 10 所示虚线路径，该阻尼电流分量
可以在控制器的输入端通过算法实现，实现有源阻 尼控制，如图 10 所示实线路径。
i *+
GC (s) +
u -
uL
-
+
+
1 sL
i
uC
e +-
sCRd
+
−
1
+
iC
题。
M agnitude (dB)
Bode Diagram 150
100
50
0
-50
-100
3
4
5
10
10
10
Frequency (rad/sec)
图 3. LCL 滤波伯德图
2 改进控制策略
针对 LCL 滤波器产生的谐振问题，传统的控制方 案中无源阻尼法和有源阻尼法，都是进行单一控制， 然而逆变侧功率是动态变化的，针对好多文献提及的， 大功率下，阻尼电阻发热严重，阻尼损耗比较大，不 适宜采用无源阻尼控制。然而，即使采用单一的有源 阻尼法，虽然没有额外阻尼上的功率损耗，但是功率 较小时，电流传感器所采集的模拟信号量偏小，误差 比较大[8]，从而影响了最终控制性能。有没有一种方 案能够使得额外损耗达到最小同时保证谐波控制性能 呢？本文提出了将二者控制方案结合的思想，如图 4 所示。即在大于某一功率阈值，S=1，切换到控制模 式 1：采用有源阻尼控制，此时没有额外的阻尼损耗 同时具有良好的谐波抑制性能；在小于功率阈值，
上的阻尼损耗为 Ploss = 3Ih2Rd ,（ Ih 为开关频率的
谐波电流）。因此，谐波电流增大导致功率损耗也 变得更大。尤其是功率越大，阻尼损耗越大，因此， 在大的功率等级下，不建议使用无源阻尼控制法。
2.2 无源阻尼法的机理分析
1）谐振控制性能分析 以典型的反馈系统为例，如图 9 所示，G(s)环
尼电阻相比容抗值较小时，就能取得比较好的阻尼
效果。虽然随着阻尼电阻的增加，高频衰减速度会
受到一定的影响，但阻尼电阻较小时并非显著影响
滤波性能。一般阻尼电阻 Rd 取值是谐振频率下电容 容抗值的大小[9]。
Rd = 0.01ZC Rd = 0.03ZC
图 8. 无源阻尼系统的伯德图
2）阻尼损耗分析 阻尼电阻 Rd 的引入抑制了因谐振而引起的系