基于LCL 滤波并网逆变器控制策略研究

朱 菁，刘 昶

（商丘学院机械与电气信息学院，河南 商丘 476000）

随着绿色能源提出，新能源发电技术的应用被广泛推出，高质量的并网逆变控制技术就成为首要的研究方向，首先提出应用结构简单易于控制的L 型并网逆变器，但网测电流常伴随次谐波不易滤除，且随功率等级增加，为了降低网侧电流谐波含量，需增大电感，但随之变化率降低，系统动态性能下降。文献[1-2]提出LCL 型并网逆变器采用PI 控制，为了降低谐波含量，对PI 控制进行了大量分析优化，过程较为负载，计算量较大。LCL 型并网逆变器系统内幅频特性在谐振频率处存在谐振尖峰，使得幅值裕度明显降低，控制系统稳定性难以满足要求。针对上述问题展开下述研究。

1.主电路拓扑结构与技术指标

单相LCL 滤波器主拓扑结构如图1 所示，包括直流稳压电源、单相逆变电路、LCL 滤波模块与负载。其中，Udc为直流网侧电压，Ug为电网电压。系统内电流环侧网电流i2开环传递函数Gt（rs）[3]为：

图1 单相LCL 并网逆变电路拓扑结构

结合系统工作条件，Udc=400V，设计滤波器参数，C=9.4uF，L1=2mH，L2=1mH。绘制Gtr（s）Bode 图如图2 所示。

图2 系统开环bode 图

分析可得，在低频区，幅频曲线衰减率为-20dB/十倍频程，相角－90 度；频率越高，幅频曲线中出现谐振尖峰，相应谐振尖峰频率处相角发生了-1800 的跳变；在高频区，幅频曲线衰减率达到－60dB/十倍频程。这表明该滤波器相频特性在谐振频率fr处存在滞后，且相位滞后了1800，系统幅值裕度也随之降低，系统稳定性难以满足。

2.无源阻尼法分析

为了减少滤波器的谐振尖峰，采用无源阻尼滤波，在滤波电感Lf1、Lf2、滤波电容Cr中串联或并联电阻，如图3 所示。

图3 LCL 滤波器无源阻尼拓扑结构图

2.1 滤波电感串联电阻分析

当Lf1串联rf1-1时，根据图3 得传递函数，如式（1）。

当Lf2串联电阻rf1-1后系统的传递函数，如式（2）。

其bode 图，如图4 所示。滤波电感Lf串联电阻，rf1-1越大，谐振峰值阻尼效果越好。但低频段增益明显下降，低频处谐波不易被抑制，因而将产生较大功率损耗。

2.2 滤波电感并联电阻分析

Lf1并联电阻rf1-2后系统的传递函数，如式（3）。

Lf2并联电阻rf1-2后系统的传递函数，如公式（4）所示。

其bode 图，如图5 所示，滤波电感Lf并联电阻，rf1-1值越小，对谐振峰阻尼效果越好。但高频段增益明显增加，高频处谐波不易被抑制，因而产生较大功率损耗。

图5 Lf1、Lf2 并联电阻无源阻尼方法

2.3 滤波电容串并联电阻分析

Cf串联rcf-1时，根据图3 得传递函数，如式（5）。

Cf 串联阻rcf-2 时，根据图3 得传递函数，如式（6）。

得其传递函数的bode 如图6 所示。Cr串电阻，滤波器低频特性几乎不受其影响，而高频特性与未加入rcf-1前相比衰减度明显降低，此外谐振尖峰得到抑制。阻值大小与阻尼效果成正比。其中，高频谐波衰减能力受到较大影响，不能有效滤除高次谐波。因支路电流较小，引起损耗可忽略。Cr并联电阻，谐振峰值抑制效果随阻值减小越明显。并联电阻时低频段与高频段的衰减率几乎不受到太大影响。但支路电流较大，将有较大的阻尼损耗。由此可得当滤波电容采用并联电阻时，阻尼效果最好。但损耗较大，为降低损耗，取阻值为fr 处容抗的0.3 倍。

图6 基于滤波电容Cf 的无源阻尼方法

3.基于有源阻尼的电容电流反馈

采用电容电流反馈有源阻尼抑制该谐振尖峰能够改善上述问题，具体系统结构如图7（a）。假设Giv为调制波到输出电压传递函数，Udc是输入直流电压值，Utri是三角载波幅值，那么Ginv=Udc/Utri。Hil为ic反馈参数；Hi2为i2反馈参数，该系统开环传递函数为

图7 基于电容电流有源阻尼并网逆变器

系统的环路增益为

从系统环路增益T，即式（10）可以看出，加入电容电流反馈后将产生出阻尼内环，与并网电流选用单闭环相比，内环传递函数中多出一个阻尼项，该阻尼项对谐振尖峰产生有效阻尼。改变Ginv中阻尼系数大小以及振荡环节阻尼比的正比例关系，可实现LCL 滤波器从欠阻尼至过阻尼任何一个范围的阻尼作用，且损耗低，高频处不受其影响。与无源阻尼法相比，阻尼范围增大，能量损耗减小。根据式（9）选择合适的外环PI 控制器参数和内环阻尼系数，得出bode 图8 如下。

图8 电容电流比例反馈bode 图

由式（10）知,在电容侧加入反馈阻尼内环，滤波器低频段与高频段几乎影响不大，而谐振尖峰受到抑制，同时系统截止频率、相位裕度、幅值裕度和基频幅值增益达到最佳状态，系统稳态和动态性能得到保证，使控制系统的稳定裕度范围增加了。外环参数可选择的范围加大，提高了系统控制鲁棒性。Hil越大，阻尼系统环路增益谐振尖峰效果越好，但fr 附近系统的相频特性明显受到影响，低于fr，相位从-90 度开始下降，Hil越小，相位下降得越慢。

4.仿真验证

根据上述搭建仿真模型，具体参数为：输入电压Udc=400V，输入频率fr=50Hz，输出电压Ug=310V，输出功率为1000W，电感L1=L2=3mH。输出电容C=2200μF，开关频率fs=12.8KHz，电流环PI 参数：kip=0.02，kii=0.1，电压环PI参数：kup=150，kui=600。

给定参考电流峰值在5A-10A，滤波前后并网稳态电压电流波形如图9，电流谐波衰减要求，在感值较小以及开关频率较小情况下都可以满足。

图9 滤波前后的并网稳态电流波形

5.结语

并网逆变器中逆变电流中所产生的高次谐波，直接会影响并网发电系统性能。本文基于LCL 滤波器中谐振尖峰产生机理，对电网电流进行谐波分析。提出无源阻尼和有源阻尼，分析对比得出采用有源阻尼，结构简单，易计算，选择合适的元器件参数，可提高系统应对电网电感变化的鲁棒性。通过仿真与实验平台，验证了所述控制方法的正确性。