極點配置雙閉環控制單相并網逆變器研究

宋懷祥

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

太陽能、風能等新能源并網發電技術的發展為解決供電日益緊張問題提供了很好的解決途徑，而并網逆變器作為并網發電技術的核心已經逐漸成為人們研究的重點[1-2]。由文獻[3-4]可知常在并網逆變器輸出側用LCL 濾波器抑制高次諧波，但由于LCL濾波器本身存在諧振會對系統的穩定性產生很大影響，文獻[5-6]中采用直接在LCL 濾波的電容支路串聯電阻的無源阻尼的方法抑制諧振，但會增加系統損耗，降低效率。另外電網電壓的擾動會導致并網電流的畸變，該問題在文獻[7]提出用電網電壓前饋法來解決。

本文采用一種帶有電網電壓前饋的電流雙閉環控制策略，其中網側電感電流為外環，電容電流為內環。采用電流雙閉環控制可以提高控制系統的穩定性，并用極點配置法設計控制器。分析加入電網電壓前饋可使電網擾動對LCL 濾波器的影響得以消除的原因。最后通過仿真和實驗驗證方案的可行性。

1 隔離并網系統的LCL 濾波分析

1.1 單相隔離并網逆變器拓撲結構

圖1所示為單相隔離并網逆變器主電路的拓撲結構，其中直流側電壓為Udc，逆變器側電感L1的電流為i1，濾波電容C的電流為ic，網側電感電流為i2，電網電壓為ugrid，匝數比為1:1 的變壓器T使電網與逆變器隔離，可提高安全性。

圖1 單相隔離并網逆變器主電路拓撲結構

1.2 LCL 濾波分析

由圖2可得其輸出電流i2與輸入電壓ul之間的傳遞函數。

圖2 LCL 濾波等效原理圖

式中，i1，ic，i2分別為電感L1的電流、電容C的電流和電感L2的電流，ui，uc，uo分別為LCL 濾波器的輸入電壓、電容兩端電壓和輸出電壓。由于電阻R1和R2很小，可以忽略不計。

電容支路串入阻尼電阻R后輸出電流i2與輸入電壓ui之間的傳遞函數為

由文獻[8]提出的LCL 濾波器參數設計方法及限制條件可知阻尼電阻取值一般為諧振頻率處濾波電容C容抗ZC的1/3。所以合適的阻尼電阻值的計算式為

式中，fc為LCL 濾波器的諧振頻率。

合適的 LCL 濾波器參數可選為L1= 2 .0mH ，C= 9.5μF ，L2=1.0mH，R=10Ω。其中圖3為選取不同阻尼值時Bode 圖對比。

圖3 不同阻尼Bode 圖

2 控制策略分析及調節器參數設計

圖4 加阻尼并帶電網電壓前饋的電流雙閉環控制等效結構框圖

由（4）式可得電流雙閉環控制系統的特征方為

比較（5），（6）兩式可得

由此可知，式（7），（8），（9）為基于極點配置設計的雙閉環控制系統的P 和PΙ 調節器的參數。若按常規方法設計雙閉環控制系統的調節器的參數，則要考慮P 和PΙ 兩調節器之間的頻帶寬度和響應速度的互相影響與協調問題，調節器設計步驟很復雜，且需反復試湊驗證。而用極點配置的方法設計控制器的參數時，將會使設計過程得到很大簡化，能使其高性能指標得到滿足。此設計方法優越性明顯。

3 電網電壓前饋去擾動分析

電網電壓在并網發電系統中可被視為擾動信號，為了使電網電壓干擾作用減弱或消除，需加入電網電壓前饋控制。由圖4可推導出帶電網電壓前饋時，電網電壓對入網電流的擾動影響的傳遞函數

由式（10）可知，要想克服電網電壓對入網電流的擾動影響，則可令式（10）中的Gg(s) =1/kPWM，加入電網電壓前饋可大大減少其對進網電流的干擾，使系統的外特性得到改善。

4 仿真及實驗分析

4.1 仿真分析

根據分析建立加阻性負載的單相隔離并網逆變器仿真模型。仿真參數分別為：直流輸入電壓為400V，電網電壓有效值為220V，電網電壓頻率為50Hz，調節器參數分別為k=1.5，kp=0.6，ki= 800，開關頻率為10kHz。圖5為在阻性負載下逆變器工作由半載在0.3s 時刻突變到滿載的變化仿真波形。由仿真波形可知，入網電流和電網電壓同頻同相，在入網電流突變時能快速響應，突變后能快速恢復穩定運行。

圖5 并網電流從半載到滿載變化仿真波形

4.2 實驗分析

根據分析設計了一臺3kW 的單相隔離并網逆變器樣機，逆變模塊采用三菱的ΙPM 模塊，主控芯片采用TMS320LF2407 型DSP 芯片，直流側輸入電壓用直流穩壓電源模擬。圖6為逆變器加阻性負載半載到滿載的變化波形，從實驗波形可知并網電流與電網電壓基本同頻同相，負載突變后能很快穩定運行，實驗波形與仿真波形基本相同。

圖6 并網電流從半載到滿載變化實驗波形

5 結論

仿真和實驗結果表明，采用基于加阻尼的帶電網電壓前饋的電流雙閉環控制策略的能使網側逆變輸出電流很好地與電網電壓保持同頻同相并實現并網且無沖擊，且在負載突變情況下變化不大。從而驗證采用的控制策略的正確性與可行性。

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