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并网逆变器是新能源发电、微电网等与大电网之间的接口电路,其进网电流质量控制是关键技术之一。 LCL滤波的并网逆变器可有效地抑制进网电流中的开关频率次谐波电流,但其高阶属性导致的谐振问题易使进网电流发生振荡而控制困难,是目前各国学者广泛研究的课题。针对LCL滤波并网逆变器的电流控制技术,从滤波器谐振现象及其抑制策略、电流准确跟踪控制以及电网适应性等方面分析并评述了现有的典型控制方案。最后,指出了LCL滤波并网逆变器电流控制需要进一步研究的问题。
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第
4
期
电
源学
报
No
.4
2012
年
7
月
Joumal
of
Power
Supply
July
.2
012
LCL
滤波并网逆变器的电流控制技术研究综述
谢少军,许津铭
(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京
210016)
摘要:并网逆变器是新能源发电、微电网等与大电网之间的接口电路,其进网电流质量控制是关键技术之一。
LCL
滤泼的并网逆变器可有效地抑制进网电流中的开关频率次谐波电流,但其高阶属性导致的谐振问题易使进网
电流发生振荡而控制困难,是目前各国学者广泛研究的课题。针对
LCL
滤泼并网逆变器的电流控制技术,从滤泼器
谐振现象及其抑制策略、电流准确跟踪控制以及电网适应性等方面分析并评述了现有的典型控制方案。最后,指出
了 LCL
滤波并网逆变器电流控制需要进一步研究的问题。
关键词
:LCL
滤泼器;并网逆变器;电流控制;综述
中图分类号
:TM46
文献标志码
:A
引言
随着新能源分布式并网发电的蓬勃发展,并网
逆变器作为关键设备获得了广泛的关注。文献
[1]
整
理并分析了网侧变换器控制中面临的主要问题,涉
及到直流侧电压控制、锁相环、滤波器、低谐波电流
控制等。其中,网侧电流的谐波抑制问题是近些年
的研究热点。逆变器的脉宽调制
(PWM)
产生大量的
开关频率次谐波,为实现低谐波的进网电流,需要
采用适当的进网电流谐波抑制滤波器。通常采用的
滤波器包括
L
型或者
LCL
型滤波器问。也有文献研
究了一些新型的滤波器,如文献
[4]
中提出的一种新
型的基于
LCL
的改进滤波器,通过在滤波器电容支
路构造了开关频率次谐波陷阱实现更好的开关纹
波抑制。综观已有的文献,
LCL
滤波器(包括其改进
型)可以实现高效的开关频率谐波抑制,降低滤波器
体积重量,具有较好的应用前景,但其电流控制技
术仍处于探讨中。
首先,
LCL
滤波器的谐振现象易使系统发散。
由于
LCL
滤波器具有同
L
滤波器相似的低频响应
特性,有学者尝试将
L
型滤波并网变流器的电流控
收稿日期
:2012-06-18
基金项目:国家自然科学基金资助项目
(51077070)
;江苏省科技支撑
计划资助项目
(BE2010188)
。
作者简介:谢少军(1
968
一),男,博士,教授,博士生导师,中罔电源、学
会常务理事。
文章编号
:2095-2805(2012)04-0001-07
制技术应用于
LCL
滤波并网变流系统[叫。虽然
L
型
滤波并网逆变器中进网电流直接闭环控制可以实
现低谐波、单位功率因数并网,但是,
LCL
型并网逆
变器中进网电流采用单闭环控制时,系统带宽同谐
振频率次谐波抑制难以兼顾,对系统的闭环设计提
出了较高的要求,否则可能会导致产生大量电流谐
波,甚至导致变流器不能稳定工作。
为抑制滤波器的谐振问题,一种简单有效的方
案是在滤波器中串联或并联电阻肉,即采用无源阻
尼技术,但相应的损耗以及对高频谐波抑制能力的
削弱使得无源阻尼技术并不能令人满意。为此,通
过采用适当的控制算法抑制滤波器谐振问题的技
术,即有源阻尼技术,获得了广泛的关注。典型的有
源阻尼技术包括:基于模型降阶的闭环控制
P
萨归阳→
I
口叭
I
于串联滤波器的控制方法队阳
1
山
L
圳叫气、通过信号流图变换
将阻尼电阻转移到控制回路的方法[叫、电容电流比
例内环控制
[1
山]、基于电容电压的反馈的控制
P
明、
变换器侧电感电压反馈阴]、网侧电感电压反馈控制
阿以及多变量的状态反馈法
[25
,2町等。
其次,并网变流器的电流跟踪性能也是一个重
要的关注点,尤其是在电网电压失真的情况下。主
要包括两个方面:基波电流的跟踪以及谐波电流的
抑制。综观现有的文献,
L
型并网逆变器的电流跟踪
控制方法已获得广泛的研究且较为成熟,各国学者
均在尝试将其应用于
LCL
型并网逆变器中。
2
电
源
学
总第
42
期
此外,众多文献研究表明,在强电网条件下,现
有的电流控制技术可实现比较令人满意的效果。但
是并网系统实际工作中,一方面,由于大量的新能
源分布式发电的接入、较长的传输线路、变压器等
的影响,从公共搞合点
(PCC)
看去,实际的电网呈现
感性,且通常呈现较大的感抗,对电流控制提出较
大的挑战;另一方面,电网故障情况下的低电网电
压穿越能力也是并网逆变器控制中面临的关键问
题。
本文按照上述思路对
LCL
并网逆变器的电流
控制技术进行讨论,主要涉及
LCL
滤波器谐振现象
及其抑制方案的分析归纳在此基础上简述电流跟
踪控制、电网适应性研究现状。需要说明的是,由三
相电网不平衡带来的锁相以及电流控制等的特殊
性问题本文不做详细分析。
1
LCL
滤波器谐振问题及其抑制方案
1.
1
单一电流环的控制方案
图
1
所示的单相
LCL
滤波器,由逆变器侧电感
+
Udc
(a)
LCL
滤波并网逆变器
20
O
雯
-20
吕
-40
吕
-60
十一一
昆
-80
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1
0'
10'
Frequency/Hz
(b)电流幅频特性
图
1
LCL
滤波并网逆变器结构及电流幅频特性
报
L
,
、滤波电容
C
,和网侧电感
L
2
组成,比为直流侧电
压
,
U
iTw
为逆变器的桥臂中点输出电压
,
U
g
为电网电
压。
现有的电流控制方案大多为基于逆变器侧电
流
(i
L1
)
以及进网电流
(i [2)
的闭环控制,其中基于切的
电流控制从根本上来说是间接控制进网电流。逆变
器输出电压至电流的幅频特性如图
l(b)
所示,二者
在谐振频率
ifres
,
W
町,式
(1))
处存在谐振峰,危及并网
变流器的稳定运行。
f
at
由
1
/1,
+ι
二一-
r
时 2
万
2
万
V
L
1
L
2
C,
、‘,,,,
-A
/,‘、
图
2
单一电流环控制框图
图
2
为单一电流环控制的框图,其中
T
d
表示等
效的系统延时(包括
PWM
计算、采样等延迟),
Gc(s)
为电流调节器。延迟环节不影响原系统的幅值响
应,但会影响原系统的相位延迟。在谐振频率固定
的前提下,逆变器开关频率越高,相位延迟作用越
小,甚至可以忽略。以进网电流单闭环控制为例,由
图
1
(b)可知,不考虑延迟时,进网电流的相位在谐振
频率附近穿越
-180
0
,由对数频率稳定判据可知,此
时电流调节器必须保证谐振峰处的幅值增益小于
O
dB
,否则闭环系统不稳定。但是,若考虑系统延迟,
进网电流的相位穿越
-180
。时的频率必定小于谐振
频率,闭环系统更容易满足稳定判据,有利于电流
调节器的参数设计。因而,在该类控制方案下,滤波
器参数以及逆变器开关(采样)频率同系统性能密切
相关。随着谐振频率同开关频率的比值的增大,对
于逆变器侧电流的闭环控制来说,系统稳定性变
差;而对于进网电流的单闭环控制来说,系统稳定
性反而有一定的改善
ItBlo
为实现稳定性控制,单一电流环的控制方案需
要折衷考虑选取滤波参数以及开关频率;同时,系
统延迟仅在一定程度上缓解了控制器参数设计的
问题,为实现高质量的进网电流,电流调节器参数
设计仍然面临较大的困难需要细致选取
[η
。更为困
难的问题在于,由于实际并网运行中滤波器参数的
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