耦合量前饋的并網逆變器解耦控制

魏 超，施火泉，張 敢

(江南大學物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

耦合量前饋的并網逆變器解耦控制

魏 超，施火泉，張 敢

(江南大學物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

傳統的基于同步旋轉坐標系的LCL型并網逆變器電流雙閉環控制策略，在建立逆變器模型時，直接忽略了d軸和q軸之間的耦合關系。這樣會造成系統模型的不準確，影響控制效果，為此提出了一種基于耦合量前饋的解耦策略。在各軸加入其他軸的耦合分量，耦合分量的大小和本軸被控對象實際產生的耦合量大小相等、方向相反。通過這種耦合量前饋補償的策略最終消除了d、q軸之間的耦合關系，提高了系統控制模型和控制性能的精確性。為了進一步提高系統的控制性能，提出了一種基于頻率特性的新型控制器參數設計方法。該方法可以準確計算出內外環控制器的參數，解決了傳統控制器參數設計過程中需要反復試湊的問題。MATLAB仿真結果表明，所提出的控制策略取得了良好的解耦效果，并網電流的總諧波失真較小，實現了高功率因素并網。

LCL型逆變系統； 控制器； 耦合量； 前饋解耦； 電流雙閉環； 數學模型； 頻率特性

0 引言

利用太陽能、風能等新能源進行并網發電時，通常需利用并網逆變器將這些新能源得到的直流電轉化為交流電[1-3]，并采用LCL型濾波器濾除逆變器輸出交流電中含有的高頻諧波分量。為了滿足并網需要，對LCL型三相逆變系統進行控制。基于dq旋轉坐標系的LCL型三相逆變系統控制模型只需采用PI控制器，便可實現并網電流的無凈差控制，且PI控制器的參數設計簡單[4]。但在同步旋轉坐標系下，控制模型的d、q軸之間存在耦合關系。傳統的控制模型直接忽略這些耦合項，這樣會造成系統模型的不準確，影響控制效果。

本文首先提出了一種前饋解耦策略，通過相應耦合量的前饋補償，消除d、q軸之間的耦合關系。然后提出了一種并網電流和電容電流反饋的電流雙閉環控制策略。通過電容電流內環增加系統阻尼，抑制系統諧振，再利用并網電流外環實現并網電流高功率因素并網。最后提出一種基于頻率特性的新型控制器參數設計方法。該方法解決了傳統設計方法中需要反復試湊的問題。仿真結果表明，在該控制策略下，d、q軸之間實現了完全解耦，系統的動態性能優良，滿足了系統高功率因數并網的要求。

1 LCL型三相逆變系統的數學模型

LCL型三相并網逆變系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

圖1中：Udc、Idc分別為直流側電壓和電流；L1、L2分別為逆變器側和網側電感；Cf為濾波電容；Ua、Ub、Uc為三相逆變橋的輸出電壓；Ea、Eb、Ec為a、b、c相的電網電壓；i1a、i1b、i1c分別為a、b、c相逆變器側電流；i2a、i2b、i2c分別為a、b、c相的網側電流；iCa、iCb、iCc分別為a、b、c相濾波電容電流[5-6]。

根據圖1可以得到LCL型三相并網逆變系統在靜止坐標系下的數學模型，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

將式(1)～式(9)經Clark、park和拉氏變換后，可得：

(10)

(11)

(12)

(13)

根據式(10)～式(13)可得LCL型三相逆變系統在dq坐標系下的系統模型，其框圖如圖2所示。

圖2 系統模型框圖

從圖2可知，在dq坐標系下LCL型三相逆變系統中逆變器側電感L1和網側電感L2的電流以及濾波電容C的電壓之間存在耦合關系。

2 LCL型三相逆變系統解耦分析

為了獲得精確的系統模型，需要對這些耦合項進行解耦設計。d軸解耦過程如圖3所示。

圖3 d軸解耦過程圖

解耦設計的基本思想是在各軸加入其他軸的解耦分量，解耦分量的大小和本軸被控對象實際產生的耦合量大小相等、方向相反[7-8]。以d軸為例，則電感L1、電容C、電感L2的解耦系數分別為：

KdL1=ωL1i1q

(14)

Kdc=sL1ωCUcq

(15)

KdL2=s2CL1ωL2i2q-Ucd

(16)

3 控制策略的提出和控制器參數設計

為了實現對逆變系統的控制，采用電流雙閉環控制策略[9-10]。圖4為該電流雙閉環控制中d軸的控制框圖。

圖4 d軸控制框圖

在該雙閉環控制系統中，外環采用并網電流i2d反饋，A1為并網電流反饋系數。內環采用電容電流i1d反饋，A2為電容電流反饋系數。kPWM為逆變橋等效比例環節；Gpi為并網電流控制器，本文選用 PI 調節器，Gpi=kp+ki/s。Gp為電容電流控制器，文中采用比例控制器，Gp=k。由于d軸與q軸具有對稱性，下面以d軸為例設計控制器參數。根據圖4，可以求出系統的開環傳遞函數為：

(17)

系統的閉環傳遞函數為：

(18)

式中：a4=L1L2C；a3=A2kkPWML2C；a2=L1+L2；a1=A1kkpkPWM；a0=A1kkikPWM；b1=kkpkPWM；b0=kkikPWM。

由勞斯判據可知，使系統穩定的條件為：

(19)

在設計控制器參數時，只要滿足式(19)就能夠保證系統的穩定性。將系統的開環傳遞函數轉化成典型環節的形式：

(20)

其中：

(21)

基于期望對數頻率特性的控制器設計方法為：低頻段應具有較高的分貝數以保證系統的穩態精度，故校正后系統對數頻率特性在低頻段的斜率為-40 dB/dec。中頻段特性曲線的斜率應為-20 dB/dec以使系統的穩定裕度和平穩性符合要求，中頻段寬度h也需合理選取。為了滿足系統響應快速性的要求，特性曲線的截止頻率ωc應盡可能高。

系統期望與頻率特性曲線如圖5所示。

圖5 系統期望與頻率特性曲線圖

4 仿真分析

為了驗證所提出的基于耦合量前饋解耦的電流雙閉環控制策略的性能，在MATLAB中搭建了相應的仿真模型。

直流側的母線電壓為400 V，逆變器側電感L1=1.5 mH、網側電感L2=1 mH，電容C=20 μF。內外環控制器的參數為：kp=0.194、ki=0.283、k=257.73，內外環反饋系數A1=A2=1。圖6為A相的并網電壓和電流波形。從圖6可知，并網電壓和電流相位幾乎同相，實現了高功率因數并網。

圖6 A相并網電壓和電流波形圖

當t=0.04 s時，系統從半載變化到滿載和從滿載變化到半載時，并網電壓和電流的變化情況如圖7所示。在兩種情況下，并網電壓大小保持不變，并網電流在半個周期內即可恢復，且并網電壓和電流的相位始終保持一致。在該控制策略下，系統具有良好的動態性能。

圖7 負載突變時并網電壓和電流波形圖

系統由半載到滿載和由滿載到半載變化時，d、q軸電流的變化情況如圖8所示。d軸電流隨負載變動發生相應改變，而q軸電流始終為0。可見在該解耦控制策略下，系統實現了有功功率和無功功率的完全解耦，即d、q兩軸之間的解耦。

圖8 負載突變時d、q軸的電流變化圖

5 結束語

針對LCL型三相逆變系統在dq坐標系下的耦合問題，提出了一種耦合量前饋解耦的策略，建立了精確的系統模型。分析了解耦后的系統模型，結合并網要求提出了電流雙閉環的控制策略。仿真試驗表明，該解耦控制策略實現了高功率因數并網，系統動態性能良好，滿足并網的各項指標要求。

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DecouplingControlBasedonCouplingFeedforwardforGridConnectedInverter

WEI Chao,SHI Huoquan,ZHANG Gan

(College of Internet of Things,JiangNan University,Wuxi 214122,China)

For LCL grid connected inverter,in traditional current double closed loop control strategy based on synchronous rotating coordinate system,the coupling betweendaxis andqaxis is ignored when the inverter model is established.This will cause the system model being inaccurate,and influence the control effects.Thus,a decoupling control strategy based on feedforward coupling is proposed.The coupling components are added in other axes,the amount of coupling component is equal to the actual coupling component of the controlled object,while the direction is reverse.By this coupling feedforward compensation strategy,the coupling relation betweendandqaxis is eliminated,so the precision and performance of the system control model are improved.In order to further improve the control performance of the system,a new design method for parameters of controller based on frequency characteristics is put forward.The method can accurately calculate the parameters of the inner and outer loop controllers,and avoid the trouble of repeated process of test and try in traditional design method for controller.The simulation results in MATLAB show that the proposed control strategy reaches good decoupling effect,and the total harmonic distortion (THD) of grid connected current is smaller,and the grid connected with high power factor can be implemented.

LCL type inverter system; Controller; Coupling quantity; Feedforward decoupling; Current double closed loop; Mathematical model; Frequency characteristic

TH86;TP214+.5

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709005

修改稿收到日期:2017-04-14

魏超(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事光伏系統并網發電技術的研究。E-mail:601930172@qq.com。 施火泉(通信作者)，男，學士，高級工程師，主要從事電力電子與電力傳動、用電信息采集方向的研究。 E-mail:1185114075@qq.com。