基于滤波电容电流补偿的并网逆变器控制(梁超辉 段善旭 刘邦银)
基于LCL滤波器的光伏并网逆变器控制策略概要
第3l卷第12期电力自动化设备 V01.31No.12 o 2011年12月 Elec胁Power Aul。
i'nati。
n Equipment Dec.2011基于LCL滤波器的光伏并网逆变器控制策略易映萍1,芦开平1,王林2(1.上海理工大学电气工程学院,上海200093;2.许继集团,河南许昌461000摘要:在并网逆变器中引入LC|已滤波器取代单个电感滤波器。
并针对采用￡CL滤波器对并网逆变器系统带来的不稳定性.分别对比了以并网电流作为反馈变量和逆变器侧电流作为反馈变量的电流内环控制方法.提出了基于桥臂输出电流闭环与电压外环的双环控制策略。
由于以并网电流为反馈变量的控制系统为三阶系统.所提控制系统稳定性和鲁棒性较好。
搭建了三相光伏并网逆变系统,实现了最大功率点跟踪,高功率因数并网,结果验证了理论分析的正确性以及控制策略的可行性.关键词:光伏并网;逆变器;滤波器;最大功率,最跟踪:控制中图分类号:TM464文献标识码:A 文章编号:1006—6047(201112—0054—05光伏并网发电系统是光伏发电的发展趋势.而并网逆变器是其核心器件.因此本文对光伏并网逆变器控制方法进行了研究。
1￡说滤波的并网逆变器控制结构与数学模型分析相对传统的单￡及LC滤波器.LCL滤波器对谐波有更好的衰减特性.因此本文采用L说结构的滤波网络实现并网逆变器与电网的连接。
如图1所示.并网逆变器主电路包括输入直流母线滤波电容 C和6个IGBT开关管的三相全桥电路,以及由厶、 ct。
、L:组成的三阶滤波器…。
控制系统采用电压电流双环控制。
SVPWM调制方式。
本系统的主要参数取值如下:直流母线电容C=4400“F。
LCL型滤波器中网侧电感L1_0.2mH,Cu_210lzF,逆变器侧电感厶=0.1mH。
开关频率为4200Hzt 21。
基于LCL滤波器的三相并网逆变器建模滤波器状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关. 为了建立采用L观滤波器的三相并网逆变器的状态空间数学模型,这里选择电感￡,的电流ih、i叭ih 交流滤波电容与阻尼电阻串联之后总的分压比~Ⅱ扒 M。
基于电容电压前馈的LCL逆变器并网控制
LCL 型滤波器因为对高频分量具有更高的 衰减能力， 在工业产品中得到广泛的应用。但与 此同时， LCL 滤波器本身存在的谐振峰会造成并 网逆变器的失稳， 因此如何保证 LCL 型并网逆变 器稳定运行成为一个关键的技术问题。许多文献 中相继提出了无源阻尼和有源阻尼的方案来抑 制 LCL 滤波器的谐振峰， 从而实现系统的稳定。 无源阻尼的方案主要是在滤波电感或电容 上并联或串联电阻， 增加滤波器本身的阻尼， 从 而消除谐振峰对系统的影响 。然而电阻上会引 入额外的损耗， 并且会降低 LCL 滤波器对高频谐
作者简介： 李锐 （1987-） ， 男， 博士， Email： learoylr@
［1］
波的衰减能力。 针对无源阻尼增加系统损耗的缺点， 相应的 有源阻尼方案相继提出。有的学者通过额外引 入电容电压或电容电流来实现有源阻尼［2-7］。以 电容电流作为反馈增加 1 个内环控制， 等效为在 LCL 滤波器电容上并联 1 个电阻， 增加了系统的 阻尼， 可以有效地抑制谐振峰。有些文献考虑到 增加 1 个电流采样霍耳代价较高， 改为采样电容 电压， 利用电容电压微分来代替电容电流采样作 为内环反馈， 实现系统阻尼。但是采用电容电压微 分容易放大系统中的高频扰动。还有学者同时采 37
摘要： 并网逆变系统中， LCL 滤波器相比单电感滤波器具有更优的滤波性能， 然而引入了谐振点， 降低了 系统稳定性。揭示了存在数字延时 LCL 型并网逆变器逆变侧电流单环控制的稳定性恶化现象， 提出了一种基 于电容电压前馈的逆变侧电流控制方案， 该方案通过电容电压前馈使系统降阶， 从而有效地改善了系统的稳 定性， 同时分析了延时和前馈系数对电容电压前馈效果的影响。所提控制方案的有效性在自行研制的 630 kW 三相逆变器上得到了实验验证。 关键词： 并网逆变器； LCL 滤波器； 电容电压前馈； 数字延时 中图分类号： TM431 文献标识码： A DOI： 10.19457/j.1001-2095.20170708
基于LCCL滤波器的三相并网逆变器前馈控制策略
在 ｄ ｑ坐 标 系 下 提 出 了 一 种 电 网 电 压 前 馈 控 制 策 略 。采 用 Ｌ Ｃ Ｃ Ｌ滤 波器并 控 制其 电容 中间 电流 能够
电流实 现对 网侧 电流 的间 接控 制 ， 文 献『 ６ — ７ １ 提 到 了 分 裂 电容 以及 电 流 加权 的 方 式使 得 系统 拥 有 更 好
实 现 系统 降 阶 ， 消 除谐 振 峰 ， 从 而 能 够 很 方 便 地 设 计 Ｐ Ｉ 参数 ， 保证 系统 更好 的稳 定 性 ， 更 高 的增 益 和 带宽 以及更 小 的稳 态误差 。本 文分 析 了在该 控制 策 略 下 ，网侧 电 流对 于 电 网 电压 畸变 的抑 制 能 力 有
以有效 抵 御周 期 性 扰 动 ， 降 低 网侧 电 流谐 波 ， 但 是 其 快 速性 较 差［ ９ １ ； 文献 『 ｌ ０ １ 提 出了 Ｐ Ｒ控 制 器 以增 加
特 性次 谐 波 的增 益 ． 但 如果 谐 波频 率 在截 止 频 率 附 近， Ｐ Ｒ控 制器会 严 重影 响系 统 的稳 定性 。电网 电压 完 全前 馈控制 策 略＿ ｌ １ 】 能 有 效抑 制 电 网电压 畸 变 的影 响， 但 是该 方法 基 于双 环 控 制 策 略 ， 无 法 避 免 双 环 控 制 的缺点 ， 其 实现较 为 复杂 。
的谐波。 通 过 推 导 闭环 系统 中 网侧 电 压 与给 定量 之 间 的 关 系 ， 完 全前 馈 电 网 电压 以减 小 电网 电 压 畸 变 对 网侧 电流 的 影响 ， 同时 分 解 前 馈 量 ， 分 别前 馈 至 电流 给 定 以及 控 制 量 上 从 而 增 加 了该 前 馈 策略 的 可 行 性 。 最后 ， 仿 真 以及 １ ０ ０ ｋ Ｗ 样机 的 实验 结 果 验 证 了该 方 法 的 有 效 性
基于LCL型滤波器的光伏并网逆变器的控制策略研究
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一
基于Ｌ Ｃ Ｌ 型滤 波器的光 伏并 网逆 变器的控制策 略研 究
山东科技 大学信 息与电气工程 学院 李红亮 杨 少辉 苏彦 平 刘 涛 安 彬
【 摘 要 】 光 伏 并 网 逆 变器 的Ｉ （ ： Ｌ型 滤 波 器 与 传 统 的Ｌ型 、 Ｌ（ ： 型 相 比 较 而 言 ， 在 相 同 的 电 感 量 的 情 况 下 ，Ｌ ＣＩ 型 滤 波 器 对 注 入 电 网 的 高 阶 次 谐 波 具 有 更 好 的 抑 制 能 力 ，谐 波 衰 减 十 分 明显 ，但 是 用 Ｌ Ｃ Ｉ 型 滤 波 器 作 为 光 伏 并 网 接 口 ，容 易 产 生 谐 振 尖 峰 ，影 响 整 个 系统 的稳 定 性 。 本 文 主 要对 基 于 Ｌ （ ： Ｌ型 的 光 伏 并 网逆 变 器 的 直 接 转 矩 控 制 策 略 分 析 研 究 ， 提 出 改进 的 基 于 准 直接 功 率 控 制 （ ＤＰ Ｃ） 的控 制 策 略 ，对 Ｌ ｃ Ｌ型 滤 波 器 的 谐 振 问题 进 行 有 效 抑 制 并 且 提 高对 光伏 并 网 电压 电 流 的控 制 能 力 。 【 关键 词 】 光 伏 并 网 ； 谐 波 抑 制 ；Ｌ ＣＬ 型 滤 波 器 ；谐 振
）
二 、直 接功 率 控制 策 略 相 对 基 于 电 流 和 虚 拟 同 步 电 机 控 制 策 略 ，矗接 功 率 控制 具有 更 高 的功 率 因数 ， 更 低 的Ｔ Ｈ Ｄ（ 总 谐 波 畸 变 率 ） ， 以 及 优 良的 动 态 性 能 和 结 构 简 单 等 众 多 优 点 ，从 １ ９ ９ １ 年 Ｔ ｏ ｋ ｕ ｏ Ｏ ｎ ｈ ｉ ｓ ｈ ｉ 提 出 将 直 接 功 率 控 制 应 用 于 对 变 流 器 的控 制 以来 ，逆 变 器 的 直 接 功 率 控 制 受 到 了国 内外 的 学 者 的 广 泛 关 注 。 直 接 功 率 控 制 一 般 采 用 都 是 开 关 矢 量 表查询法 （ Ｌ Ｄ Ｐ Ｃ ） ，开 关 矢 量 表 是 系 统 控 制 的 核 心 ， 所 以研 究 开 关 矢 量 表 是 研 究 直 接 功 率 控 制 的 个 重 要 的 方 向 。有 些 学 者 对 此 也提 出 ＿ 『不 同 空 间划 分 和 优 化 开 关 表 设 计 方 法 ，这 种 对 开 关 表 的 改进 大 大 提 高 了 直 接 功 率 控 制 的 系 统 动 态 性 能 。 然 而 ，Ｌ Ｄ Ｐ Ｃ 开 关 频 率 不 同 定 ，不 利 于 输 出 滤 波 器 的 设 计 。 为 解 决前 面 说 的 问题 ， 人 们 提 出 了 恒 频 直 接 功率控制 ，基于恒频 直接功率控制 的几种方 法 ， 不但 兼 顾 了功 率 调 节 的 动 态 性 ， 又 固 定 了开 关频 率 ， 不 过 这 样 无 法 实 现 对 并 网 电流 的 直 接 控 制 。后 来 又 有 人 提 出 了基 于虚 拟 磁 链 和 有 源 阻 尼 控 制 的 直 接 功 率 控 制 方 法 ，但 是 两 种 控 制 算 法 比较 难 以实 现 ，控 制 起 来 比 较复杂 。 三 、基于 准Ｄ Ｐ Ｏ 光伏 并网 逆变器 的控制 策略 为 此 本 文 提 出 了一 种 基 于 准 直 接 功 率 控 制 （ Ｄ Ｐ Ｃ） 的 光 伏 并 网 逆 变 器 的 控 制 策 略 ， 内环 用 电流 环 进 行 控 制 ，对 并 网 的 电流 进 行 直接 的 控 制 ， 功 率 环 作 为 外 环 ， 直 接 控 制 并 网逆 变 器 的输 出 功 率 ，这 样 系 统 的 控 制 性 能 既 有 了 基 ｆ 电流 控 制 的优 点 ， 又 有 了基 于 直 接 功 率 控 制 的优 良性 能 。控 制 系 统 包 括 对 直 流 母 线 的控 制 环 节 、有 源 功 率 阻 尼 环 节 、 对
基于电容电流双反馈LCL滤波器的光伏并网控制策略研究
基于电容电流双反馈LCL滤波器的光伏并网控制策略研究随着太阳能技术的不断发展，光伏发电系统在电网中并网已成为一种越来越受欢迎的选择。
与传统的发电方式相比，光伏并网发电系统能更加稳定地提供电力，并且可以有效地减少能源消耗和环境污染。
然而，光伏并网发电系统中存在一些问题需要解决，如电网故障、有功功率与无功功率控制、电力质量等。
在光伏并网发电系统中，滤波器扮演着重要的角色。
滤波器主要作用是过滤掉交流电中的谐波和噪音，保障电网电压的质量和建筑物的设备安全。
传统的LCL滤波器由于它的有机弱点，即输出过载时可能导致谐波压力、负载电压的波动等问题，因此，人们开始尝试将LCL滤波器与电容电流双反馈结构相结合来提高它的性能。
在此基础上，本文提出了一种基于电容电流双反馈LCL滤波器的光伏并网控制策略研究的方案。
对于光伏发电系统的并网控制策略，一般可以分为两类：集中控制及分布式控制。
集中控制一般是由系统中一个单独的控制系统来实现，它需要对整个光伏系统进行组态和参数设定，控制器可以通过监测光伏输出的电压和电流来实现控制光伏的工作状态。
而分布式控制是由多个控制器共同控制的，并且负责同步光伏发电系统的电网数据。
在这里，我们选择分布式控制方案。
首先，光伏并网控制器必须能够实时测量输出电压和电流的一些基本参数，并根据电网负载情况动态调整光伏并网发电系统的输出功率。
然后，我们需要对电容电流双反馈LCL滤波器进行设计和控制，以保证系统的稳定性和电力质量。
据此，我们设计了一种基于电容电流双反馈LCL滤波器的光伏并网控制器并进行了探究。
该控制器主要包含三个模块：电压等值器模块、电流等值器模块和PI调节器模块。
在电压等值器模块中，我们根据光伏输出电压的变化情况来控制电容电流的方向；在电流等值器模块中，我们则根据光伏输出电流的变化情况来控制滤波器的反馈电流方向。
最后，通过PI调节器模块来对控制器进行调节和控制，确保整个光伏并网发电系统的稳定性和安全。
基于电网电压前馈补偿的光伏并网逆变器零电压穿越控制_韦徵_王俊辉_茹心芹_宋飞_
{
I T ≥1． 05 I N IT = 0
U T ＜ 0． 2 U T ＞ 0． 9
（ 1） 式中： U T 为光伏并网逆变器并网点电压标幺值； I N 为逆变器额定并网电流。 由附录 A 图 A1 所示的并网逆变器 ZVRT 曲线 可知： 当电网电压三相对称跌落至零时 ， 仍要求逆变 器并网运行 0． 15 s 并向电网输出接近于额定并网 ZVRT 电流 1． 05 倍的无功电流。 因此， 相比 LVRT， 对于并网逆变器的稳定运行提出了更高的要求 。
1
光伏并网逆变系统实现 ZVRT 的要求
0316 ； 修回日期： 20150805 。 收稿日期： 2015国家电网公司科技项目“大型光伏发电站集电系统谐波及 ” “面向弱离网的大型光水储联合供电运行 过电压问题研究 ” “户用光伏发电系统关键技 控制系统关键技术研究及应用 。 术研究与示范应用”
《GB / T 19964 —2012 光伏发电站接入电 根据 力系统技术规定 》 的最新要求， 光伏并网逆变器应 实现如下功能。 1 ） 在附录 A 图 A1 所示的逆变器 ZVRT 曲线范 围内逆变器不得脱网。 2 ） 电力系统发生不同类型故障时， 若光伏发电 站并网点考核电压全部在附录 A 图 A1 电压轮廓线 及以上的区域内， 光伏发电站应保证不脱网连续运 行； 否则允许光伏发电站切出。 3 ） 对电力系统故障期间没有脱网的光伏发电 其有功功率在故障清除后应快速恢复 ， 自故障清 站， 除时刻开始， 以至少 30% 额定功率每秒的功率变化 率恢复至故障前的值。 4 ） 对于通过 220 kV（ 或 330 kV ） 光伏发电汇集 系统升压至 500 kV （ 或 750 kV ） 电压等级接入电网 的光伏发电站群中的光伏发电站， 当电力系统发生
链式STATCOM并网电流直流分量抑制_史晏君_段善旭_刘邦银
第32卷第36期中国电机工程学报V ol.32 No.36 Dec.25, 20122012年12月25日Proceedings of the CSEE ©2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 15 文章编号：0258-8013 (2012) 36-0015-07 中图分类号：TM 46 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40链式STATCOM并网电流直流分量抑制史晏君，段善旭，刘邦银(强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，湖北省武汉市 430074)Suppression of DC Current Injection for Cascade STATCOMsSHI Yanjun, DUAN Shanxu, LIU Bangyin(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology),Wuhan 430074, Hubei Province, China)ABSTRACT: The possibility of eliminating the step-up transformer is one of the most attractive features of cascade multilevel converters. However without a transformer, the converter could inject significant amount of direct currents (dc) to the grid. In high voltage converter applications, where current transformers (CT) are often used as a feedback element, the DC injection problem can be more crucial than inverters using Hall-effect current sensor, as CT can’t sample direct currents. This paper deals with this DC-injection problem first by introducing CT model into a cascade static synchronous compensator (STATCOM) model, and then analyzing the mechanism of how CT can cause large DC-injection. A DC component suppression method was proposed. This method can eliminate the DC component of output currents even when direct current can’t be sampled. This method has been verified on a 25-level cascade multilevel STATCOM prototype.KEY WORDS: cascade STATCOM; DC injection; current transformer (CT)摘要：链式变换器适合于实现中高压无变压器直接并网，然而取消变压器通常会导致直流分量超标。
基于滤波反步法的光伏并网系统设计与仿真
基于滤波反步法的光伏并网系统设计与仿真倡李志红，宋树祥，罗晓曙，廖志贤（广西师范大学电子工程学院，广西桂林５４１００４）摘要：光伏并网系统采用ＬＣＬ型滤波时，系统的数学模型阶数较高，采用常规反步法设计会面临着对多个虚拟控制量逐步求导的问题，这样不仅会使计算过程繁琐，而且求导会加大测量噪声的影响，导致电流误差和输出电流的谐波增大。
为解决上述问题，文章设计了一种基于滤波反步法的光伏并网系统，该方法结合李雅普诺夫稳定性理论并通过滤波器实现求导过程，显著减小了测量噪声的影响。
理论分析和仿真结果表明：该方法的电流误差和输出电流的总谐波失真度（ＴＨＤ）小，实现了较好的并网同步效果，有较好的实用价值。
关键词：光伏并网；逆变器；滤波反步法；ＬＣＬ滤波；李雅普诺夫稳定中图分类号：ＴＭ６１５ 文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－１３９０（２０１５）１４－００４４－０５ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇＬｉＺｈｉｈｏｎｇ，ＳｏｎｇＳｈｕｘｉａｎｇ，ＬｕｏＸｉａｏｓｈｕ，ＬｉａｏＺｈｉｘｉａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｇｕａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｈｅｎｔｈｅＬＣＬｆｉｌｔｅｒｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ）ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｈｉｇｈｏｒｄｅｒ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｉｌｌｂｒｉｎｇａｂｏｕｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｐｌｅｖｉｒｔｕａｌｃｏｎｔｒｏｌｖｏｌｕｍｅｓ′ｇｒａｄｕａｌｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｎｏｔｏｎｌｙｒｅｓｕｌｔｉｎｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｎｏｉｓｅｏｎｔｈｅｇｒａｄｕａｌｄｅｒｉｖａｔｉｏｎａｎｄｌｅａｄｔｏｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｅｒｒｏｒａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔ－ｅｄｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｗａｓｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅＬｙａｐｕｎｏｖｓｔａｂｉｌｉｔｙｔｈｅｏｒｙａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｔｈｅｄｅｒｉｖａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｔｈｒｏｕｇｈａｆｉｌｔｅｒ，ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｎｏｉｓｅ．Ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｅｒｒｏｒａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（ＴＨＤ）ｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｓｍａｌｌ，ａｎｄｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃｏｕｌｄａｃｈｉｅｖｅｇｏｏｄｇｒｉｄｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｈａｄｇｏｏｄｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ）ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｆｉｌｔｅｒｉｎｇｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ，ＬＣＬｆｉｌｔｅｒ，Ｌｙａｐｕｎｏｖｓｔａｂｉｌｉｔｙ倡基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１２６２００４）；广西科学研究与技术开发计划（合同编号：桂科攻１３４８０１７－２）；广西教育厅科学研究项目（２０１２０３ＹＢ０２１）０ 引 言目前，太阳能已经成为最有潜能的可再生能源之一，太阳能发电是太阳能利用的主要方式［１］。
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(b) 并网电流频谱分析 图 6 不带电容电流补偿的并网波形及频谱分析
且能有效地改善与输出滤波电容有关的并网电 流相位滞后和谐波含量增大的问题，提高并网 逆变系统的输出电能质量。
7 致谢
本课题研究得到台达环境与教育基金会电 力电子科教发展计划的资助（DREK200501）， 特此致以诚挚的谢意！
参 考 文 献 [1]. R.Teodorescu, F Blaabjerg, U.Borup, M. Liserre. A New Control Structure for Grid-Connected LCL PV Inverters with Zero-Steady-State Error and Selective Harmonic Compensation[C]. IEEE APEC'04, 2004, 1: 580-586 [2]. Guoqiao Shen, Dehong Xu, Danji Xi, Xiaoming Yuan. An Improved Control Strategy for Grid-Connected Voltage Source Inverters with a LCL Filter[C]. IEEE APEC’06, 2006: 1067-1073 [3]. R.Tirumala, N.Mohan, C.Henze. Seamless Transfer of Grid-connected PWM Inverters between Utilityinteractive and Stand-alone modes. IEEE APEC’02, 2002,2: 1081-1086 [4]. 张超，王章权，蒋燕君，何湘宁. 无差拍控制在光 伏 并 网 发 电 系 统 中 的 应 用 [J]. 电 力 电 子 技 术 , 2007,41(7): 3～5 [5]. 范小波，张代润.光伏并网逆变器数字滞环控制的研 究[J]. 电力电子技术，2006，40(6):46～48 [6]. 彭力，张宇等.高性能逆变器模拟控制器设计方法[J]. 中国电机工程学报, 2006，26(6):89～93 作者简介 梁超辉：男，1983 年生，硕士生。研究方向为光伏 发电系统并网控制 段善旭：男，1970 年生，教授，博士生导师。目前 主要研究方向为新能源发电及电能质量控制。 刘邦银：男，1979 年 12 月生，博士生，主要研究兴 趣为太阳能光伏发电技术
− rTs / L
(4) 。
其控制思想是：由锁相环（PLL）以及光 伏阵列实际功率输出情况确定的并网电流给定 值 I*G 加上滤波电容电流值 I*C 作为电感电流的 给定值 I*L ，然后通过对电感电流的闭环控 制，间接实现对实际并网电流的控制。补偿环 节 Gic(s)提供输出滤波电容电流补偿量的给定 值，鉴于电容电流与其电网的相位超前关系， 电容电流补偿量通过对采样得到的电网电压值 在 DSP 内部作数字微分运算获得。考虑到纯 微分环节容易引入控制器控制带宽以外的高频 干扰噪声，因此在微分环节 Cs 后串联了一个 滤除高频噪声的一阶低通惯性环节。故采用的 电容电流补偿环节传递函数如式（ 1 ）。其中 高 T1 为惯性环节时间常数。 Gic ( s ) = Cs /(T1s + 1) (1) 这使两种运行模式可以共享模拟采样值， 即电感电流、电网电压（并网模式） / 输出电 压（独立模式），且省去了直接检测 IC 需要 的电流传感器。如果微分运算足够准确，且电 流控制器能够使电感电流准确地跟踪给定值， 则输出滤波电容对并网电流的不良影响可完全 消除。由于滤波电容电流除了基波成分外，还 含有与电网电压相关的各种低次谐波，因此要 求图 4 中电流控制器在低次谐波频段内都有较 好的补偿效果。本文采用结构简单、性能良好 的 PI 控制器。另外为了获得更好的动态特 性，增强逆变器抗电网扰动的能力，控制方案 中还加入了电网电压前馈解耦环节。
在 这 种 情 况 • 下，由于滤波电容 IC • 电流 IC 的存在，电 IG 感电流 IL 与实际并 • • 网电流 IG 不相等， VG IL 在图 1 所示的参考 图 3 并网电流相量图 方向下，且假定控 制器能使电感电流准确跟踪给定，此时 IL 与电 网电压 VG 同频同相，则三个电流的相量图如 图 3。由图可知，此时的进网电流必然滞后于 电网电压，且电网电压的低次谐波在滤波电容 上产生的谐波电流也会使并网电流的谐波含量 增大。滤波电容越大、电网端电压越高、分布 式电源输出的功率越低，上述两个问题就越明 显。考虑并网 / 独立双模式切换的需要，且为 了在独立模式运行时能获得较好的电压控制特 性，输出滤波电容不能取得太小，此时滤波电 容电流对并网电流的影响必须考虑。
摘要:本文分析和设计了一种针对 LC 输出滤波的单相并网逆变器控制方案。该方案采用带电网电压前馈解耦的数 字 PI 控制，并结合输出滤波电容电流补偿以及数字锁相环实现并网电流的间接控制。理论分析和实验表明上述方案能 有效地改善并网逆变器的输出电能质量。 Abstract: A control scheme of single-phase grid-connected inverter based on LC filter is presented in this paper. The digital PI control strategy with grid voltage feed-forward, filter capacitor current compensation and digital PLL is adopted to control the gird-connected current. The proposed control strategy can improve output power quality of the grid-connected inverter effectively. Theoretical analysis and experimental results verify the validity of the proposed approach. 关键字: 并网逆变器；LC 滤波；电容电流；数字 PI 控制器 Keywords: Grid-Connected Inverter, LC filter, Capacitor Current, Digital PI Controller
Z Grid =
1 Cs
(11)
而如图 4 所示添加 IC 补偿控制后的电网 阻抗为
' Z Grid =
1 + DC K PWM GL DC K PWM GLGic − DC K PWM GLCs − Cs
(12)
(a) 全频域电网谐波阻抗对比
(a) 电网电压和并网电流波形
(b) 转折频率附近的局部放大 图 5 电网谐波阻抗对比图
图 1 并网逆变器拓扑
PLL
VG
Cs
IC
IL −
I* Lm
* IL +
−
GC (S )
K PWM
−
+
1 ( Ls + r )
IG
+
图 2 考虑滤波电容时的实际控制框图
2 带电容电流补偿的并网控制方案
2.1 滤波电容对并网电流的影响 并网逆变器主电路拓扑如图 1 所示。并网 逆变器通常采用电流型控制模式，滤波器若使 用 LC 结构，一般采用“大电感小电容”的参数 设计原则，以获得较好的电流控制特性。因此 在要求不高的场合往往忽略了滤波电容的影 响，而直接按照单电感滤波的情况进行控制 [4,5] 。即控制图 1 中的电感电流 IL，而不是真 正的并网电流 IG。若考虑滤波电容的存在，此 时实际的控制框图如图 2 所示。
其中 c = −ξωnTs ， d = ωnTS 1 − ξ 2 。
(6)
对比式（ 5 ）、（ 6 ）可得到电流环离散 PI 参数：
b − e2c a c + jd −e − ec − jd + 1 + e2 c KI = aTS KP =
(7) (8)
3.2 电网电压前馈解耦系数 如图 2，电网电压对并网电流控制的扰动 以两个形式存在。一个作用在滤波电感前、直 接以电网电压 VG 形式出现，另外一个作用在 滤波电感后，以电容电流 IC 形式出现。电网 电压前馈是针对前一种扰动形式的补偿。忽略 控制延时和零阶保持，PI 控制器、并网电感的 传递函数分别记为 DC(s)和 GL(s)，则可以推导 出由于前一种扰动形式所造成的输出误差为：
2.2 并网电流控制方案 为了减少输出滤波电容对实际并网电流在 幅值和相位，以及低次谐波方面的影响，本文 在常规的电感电流环控制中加入了滤波电容电 流补偿环节，该方案的控制框图如图 4。
I* C
Ginv ( z ) =
K PWM 1 − e( − rTs / L ) ⋅ r z − e( − rTs / L )
z + (aK P + aK I TS − b − 1) z + b − aK P = 0 (5)
根据极点配置的方法 [6] 确定电流环 PI 参 数。设添加 PI 控制器后的期望系统阻尼比为 ξ ，自然振荡频率为 ωn 。则期望系统的特征 方程为：
z 2 − (ec + jd + ec − jd ) z + e2 c
两种情况下的电网谐波阻抗对比如图 5。 从图 5（a）可知，在基频到 20 次谐波之间的 频段内（0～1kHz），由于添加了 IC 补偿，电 网阻抗得到了显著提高。增强了系统对电网电 压基频及低次谐波扰动的抑制能力。图 5 （b）为图 5（a）在惯性环节转折频率附近的 局部放大图，可以观察到由于一阶惯性环节的 加入，在其转折频率附近，电网阻抗相比与没 加 Ic 补偿时略为减小，控制器对电网电压中 相应频段的谐波抑制能力略有降低。然而由于
要令 Eg＝0，可以取：
GF =