图1 单相LCL并网逆变器电路图
纸质出版日期:2022-03-25,
网络出版日期:2021-05-28,
收稿日期:2020-12-02,
录用日期:2020-12-20
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LCL滤波器因其对功率器件高频开关噪声的良好抑制作用被广泛应用在并网逆变器之中,但该滤波器的应用又受限于其LCL结构所导致的系统谐振。基于虚拟阻抗的逆变器系统内环采用并网电流的二次微分项对LCL滤波器的固有谐振频率进行抑制,外环将并网电流作为被控对象进行直接控制,从而形成双闭环控制系统。该方法在传统的有源阻尼方案上做了改进,减少了系统所需的传感器的数量,但因反馈状态量的减少,电网电压中含有谐波分量时,系统容易发生震荡,降低了逆变器系统的抗干扰能力。针对这一问题,文章采用完全电压前馈的控制策略对以虚拟阻抗作为有源阻尼的并网逆变器系统做出了改进。该策略能在电网电压畸变的情况下降低入网电流的总谐波失真(THD),提升并网功率因数。仿真结果证明了该前馈控制策略的有效性。
The LCL filter is widely used in grid-connected inverters because of its superior suppression effect on high frequency switching noise of power devices, but the application of this filter is limited by the system resonance caused by its LCL structure. The second differential term of the grid-connected current is introduced to suppress the natural resonance frequency of the LCL filter in the inner loop of the inverter system based on virtual impedance, and the outer loop directly controls the grid-connected current, thus forming a double closed-loop control system. This method has made improvements on the basis of traditional active damping schemes, which reduces the number of sensors and thus reduces the cost of the inverter. Due to the reduction of the feedback state quantity, the system is prone to oscillating when the grid voltage contains harmonic components, which weaken the anti-interference ability of the inverter system. To solve this problem, this paper improves the virtual impedance-based grid-connected inverters with a full feedforward function of grid voltage. This strategy can reduce the total harmonic distortion (THD) of the grid current and improve the grid-connected power factor in the case of grid voltage distortion. The simulation results prove the effectiveness of the proposed control strategy.
分布式发电技术的研究对新能源技术的发展具有重要推动作用,而并网逆变器作为组成分布式发电系统的重要设备也成为了研究热点,其中并网电流的质量是其关键指标[
按照控制对象的不同,这些方案可分为直接电流控制和间接电流控制[
针对基于虚拟阻抗的有源阻尼方案抗干扰能力不足的问题,本文在文献[
如
图1 单相LCL并网逆变器电路图
Fig.1 Circuit diagram of single-phase LCL grid-connected inverter
本文选取并网电流i2作为被控对象,可以得到该逆变器采用虚拟阻抗作为有源阻尼的系统传递函数如
Gi(s)=i2(s)uinv(s)=1L1L2Cs3+(L1+L2)s=1L1L2Cs(s2+ωr2) , | (1) |
其中ωr为LCL滤波器的谐振频率,其表达式为
ωr=√L1+L2L1L2C. | (2) |
Gd表示系统的总延时,可以看作一个采样周期的计算延时和相当于半个采样周期的零阶保持器延时的叠加,因此可以表示为
Gd(s)=e-1.5Ts s , | (3) |
其中Ts表示采样周期。
图2 基于虚拟阻抗的并网逆变器传递函数框图
Fig.2 Block diagram of virtual impedance based grid-connected inverter's transfer function
在
Gcom(z)=zmz+1-m. | (4) |
当m=0.8时,该补偿器可完全抵消系统延时给并网逆变器系统带来的影响。
在系统延时得到充分补偿后,接下来对系统的分析中便可将串联补偿器的延时环节看作一个增益为1的比例环节。同时将从i2引出的有源阻尼的反馈节点后移,获得如
图3 简化后的并网逆变器传递函数框图
Fig.3 Simplified grid-connected inverter's transfer function diagram
在
Gieq=i2(s)uinv(s)=Gi1+Gi⋅kPWM⋅Gad. | (5) |
由文献[
Gieq=i2(s)uinv(s)=RvL1L2CRvs3+L1L2s2+(L1+L2)Rvs, | (6) |
其中Rv为并联在滤波电容两端的虚拟阻抗的阻值。
图4 在滤波电容两侧并联虚拟阻抗Rv时的等效电路图
Fig.4 Equivalent circuit diagram when Rv is connected in parallel with the filter capacitor
联立公式(
Gad=1kPWM(1Gieq-1Gi)=L1L2s2kPWM⋅Rv. | (7) |
为了消除电网电压波动对并网电流控制回路的影响,本文在文献[
图5 系统等效变换过程
Fig.5 Equivalent transformation of the system
其中
Gx1=s2L1CGckPWM1+s2L1C, | (8) |
Gx2=sL21+sL2[(1sL1+GadkPWM)s2L1C1+s2L1C] | (9) |
从
图6 带电压前馈的系统控制图
Fig.6 Diagram of inverter system with voltage feedforward
根据
Gs2eq=ω2ss2s2+2ζωss+ω2s, | (10) |
其中ωs为转折频率,ζ为阻尼系数。从
s=2Tsz-1z+1, | (11) |
其中Ts为采样周期,本文设计的逆变器采样周期为5×10-5 s。
将
c(k)=b1a[r(k)-2r(k-1)+r(k-2)]+b2ac(k-1)+b3ac(k-2), | (12) |
式中r(k)和c(k)分别为Gs2eq模块的输入和输出。
其中
a=1Ts2+ζωsTs+ωs24, b1=ωs2Ts2, |
b2=2Ts2-ωs22, b3=ζωsTs-ωs24-1Ts2. |
一般情况下,当ζ=0.707,ωs取LCL滤波器谐振频率的4~5倍时,Gs2eq能取得较好的等效结果[
按照上文的设计步骤,得到并网逆变器系统的整体控制方案如
图7 LCL型并网逆变器控制结构图
Fig.7 Control structure of grid-connected inverter system with LCL filter
Gff=1kPWM+s2L1CkPWM. | (13) |
对比
调节内环参数是为了抑制LCL滤波器的谐振峰。由
图8 Gieq的伯德图
Fig.8 Bode diagram of Gieq
为实现对电网工频信号的无静差跟踪,本文选用准谐振控制器对并网电流进行控制,该控制器引入的谐振角频率能有选择地放大系统工频信号处的增益,同时还增大了控制带宽,有效减小了频率波动对系统增益的影响[
Gc=kp+kr2ωcss2+2ωcs+ω02, | (14) |
其中ω0为谐振角频率;因参考信号为50 Hz的工频信号,故取ω0=314 rad/s;ωc为谐振带宽。理论上来说,ωc越小,控制器的频率选择性越好,但考虑实际电网频率偏移在±0.5 Hz范围内,控制器谐振带宽应取1 Hz以上,即ωc≥3.14 rad/s,本文取ωc=6 rad/s。将电流控制器Gc的传递函数代入
G=i2(s)iref(s)=kPWMRv(kp+kr2ωcss2+2ωcs+ω02)L1L2CRvs3+L1L2s2+(L1+L2)Rvs. | (15) |
因电流控制器与LCL滤波器结构复杂,不利于对系统控制参数进行定量计算,本文采用基于伯德图的方法对电流控制器的参数进行整定。首先,根据系统的截止频率ωp确定准比例谐振控制器的比例系数kp,ωp的选取理论上不超过采样频率的1/2。经过实验研究,本文选用采样频率的1/10即ωp=6.28×103 rad/s。因谐振控制器kr2ωcss2+2ωcs+ω02只对谐振角频率ω0附近的增益有影响,令kr=0,调节kp,使ωp=6.28×103 rad/s即可获得kp的初始值。接着,根据系统在ω0处的增益Tω0>52 dB的要求[
图9 逆变器系统的开环传递函数伯德图
Fig.9 Bode diagram of inverter system
本文设计了一台额定功率为2.2 kW的单相并网逆变器,参照以上设计步骤完成了系统各个控制参数的整定,在
本文将不使用前馈控制的控制方案作为对照组,并分别向两组系统注入5次和11次谐波,检测此时逆变器输出的并网电流的电流畸变情况,实验结果证明本文提出的逆变器系统具有良好的抗干扰能力。
图10 当电网电压含有5次谐波时i2的波形
Fig.10 Experimental waveform of i2 when the grid voltage contains the 5th harmonic
图11 当电网电压含有11次谐波时i2的波形
Fig.11 Experimental waveform of i2 when the grid voltage contains the 11th harmonic
图12 电网电压幅值变化
Fig.12 Waveform of i2 when the grid voltage changes
图13 逆变器负载变化
Fig.13 Waveform of i2 when the load changes
本文将电容电流反馈有源阻尼的控制方案[
图14 稳定运行时各方案并网电流i2和误差电流ie的波形
Fig.14 Waveforms of grid-connected current i2 and error current of ie of each case in steady state
本文分析了基于虚拟阻抗的逆变器的系统结构,推导了适用于该系统的完全电压前馈控制策略以改进其易受电网电压波动影响的不足,并完成了延时补偿模块、谐振抑制模块和电流控制模块的设计。采用这种控制方案的逆变器系统无需使用额外的传感器,降低了制造成本,且因该系统外环采用的是直接电流控制,保留了电网电流跟踪性能良好、并网功率因数高的优点。2.2 kW并网逆变器的实验结果显示,引入完全电压前馈后,逆变器对电网电压中的谐波具有很好的抑制作用,在逆变器系统的抗干扰能力、动态性能和稳态性能三个关键指标方面均有良好的表现。特别在电网电压中含有谐波的场合,该前馈控制方案对比无前馈控制方案具有明显的优势。
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