基于比例谐振和谐波补偿的逆变器电流控制

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研究与设计
的拓扑结构，在滤波电容串联阻尼电阻以抑止谐振。最大功率 跟踪技术采用改进的电导微增量算法 (Incremental conduc-
ÁÂÃÄÅÁÂ tancealgorithm)[9]，电流控制器采用基于锁相环技术(PLL: ÆÁÃÇÄ Phaselocklogic) 的 [10] 比例谐振和谐波补偿控制策略，提出一
 种集成统一的控制策略，并对系统稳定性进行分析。基于
ÁÈ Matlab/Simulink[11]仿真结果表明在不同温度和光照条件下，并
网逆变器注入电网的电流具有较低的谐波畸变率，功率因数 接近 1。
１ 系统模型和 ＬＣＬ 滤波器
１．１ 系统模型
图 1 为单级并网逆变器的拓扑结构和系统控制框图。主 电路的基本模块有光伏阵列、直流耦合连接电容、单相 PWM 逆变器、LCL 滤波器和电网；控制系统包括外环的最大功率跟 踪控制 MPPT 和直流电压控制器、电网电压锁相环 PLL、基于 逆变器侧电流反馈的比例谐振和谐波补偿电流控制器及 PWM 驱动控制器。
图 6 为基于闭环系统的 PR+HC 控制器的零极点配置 图，通过调整比例增益 kp 和积分增益 ki 使闭环系统的零极点 在单位圆内，表明系统是稳定的。
图 ４ 逆变器电流控制器控制框图
比例谐振 (PR: Proportional resonant) 电流控制器定义为
HPR(s)[12]：
H (s) − k ? k ? s
中图分类号：ＴＭ ４６４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７ Ｘ（２０１０）０７－０６９１－０５
Current control of inverter based on proportional resonant and harmonic compensation
CHEN Xiao-yun1,2, WANG Wei-qing1 (1.Electrical Engineering College, Xinjiang University, Urumqi Xinjiang 830047, China; 2.Xinjiang Construction Vocational Technology College, Urumqi Xinjiang 830054, China)
光伏阵列的电气特性受外界环境温度和光照条件的影 响，需要采用最大功率跟踪技术(MPPT: Maximum power point tracking),使光伏阵列在不同光照强度条件下保持运行在最大 功率点[2]。光伏并网逆变器通过 LCL 滤波器并入电网，能有效 消除开关频率的谐波分量，而且由于采用较小的电感，能减小 整个滤波器的体积和质量，从而减小成本。但是 LCL 滤波器 会引起 LC 支路谐振，导致系统不稳定，需要进行? L ) ?z ? L ? L
(4)
L
LLC
逆变器侧电感 L1 应限制一个电流变化周期内最大的纹 波电流，可以根据式(5)对具有磁芯的电感饱和水平进行设计
。
i ? max[i ?sin(w t) ? ? i (wt ) ]
(5)
2
式中：iL.max 为在考虑纹波情况下的电感电流最大值；igm 为电网
u L−
(7)
2 6 ? f ?? i
滤波器电容的计算为：Cf≤0.05×Cb。
(8)
C− 1
(9)
w ?z
式中：wn 为额定电网频率。
拉氏自变量。
H LCL2
− I L2 UPWM
?
1 sL1L2Cf (s2 ?
w2 res
)
(2)
u
(10)
Z−
P
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ÁÂÈÁÁÂÂÄÅÁÅÃÆÇÈÉÆÂÄÃÃÅÄÇÆÁÂÃÁÃÄÁÁÂÅÆÃÁÂÁÄÂÁ研究与设计
研究与设计
基于比例谐振和谐波补偿的逆变器电流控制
陈晓云 1,2， 王维庆 1 (1.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆建设职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830054)
摘要：提出一种新颖的基于 ＬＣＬ 滤波的比例谐振和谐波补偿电流控制策略，对基波电流进行控制和谐波电流进行补
收稿日期：２０１０－０１－２３ 基金项目：国家自然基金项目（５０８６７００４） 作者简介：陈晓云（１９６７—），女，江苏省人，副教授，博士生，主要 研究方向为新能源并网发电技术。
阻尼的方法进行抑止[3]。国内外对并网逆变器的控制策略进行 大量研究，其中有最为常用的 PI 电流控制，带有电网电压前 向反馈的 PI 控制通常应用于电流控制的光伏逆变器[4]，但有 两个明显的缺点：跟踪正弦参考电流具有稳态误差和抗扰动 能力差，即使采用电网电压前向反馈补偿环节，但前向补偿控 制导致电流畸变，无法满足并网总谐波畸变率小的条件。新出 台的 IEEE 929-2000 对光伏并网提出建设性的技术标准，即注 入电网的电流总畸变率小于 5%，3 次到 9 次的奇次谐波畸变 率低于 4%，11 次到 15 次的谐波畸变率低于 2%，系统功率因 数接近 1[5]。
(6)
图 ２ 通用的 ＬＣＬ 滤波器电路模型
忽 略 电 感 串 联 等 效 电 阻 和 不 考 虑 无 源 阻 尼 电 阻 ，即
R1=R2=Rd=0，以逆变器侧电流 IL1 或电网侧电流 IL2 作为控制变
ÂÃÄÅÆÇÄÁÂÈÉÃÅÁÄÂÄÃ 量的传递函数为HLCL1和HLCL2，其中wres为无阻尼的自然谐振
减。可见，逆变器的开关频率必须足够高，才能有效地滤除高
频谐波电流分量。但是，当电网电感变化时，特别是并网逆变
器和弱电网连接时，将导致 LC 滤波器的谐振频率随时间的
变化，影响系统稳定性。因此，必须采取无源阻尼或者有源阻
尼的方法抑止 LCL 滤波器的谐振。
H − I (s) ?
1
I (s) 1 ? C ?L ?s
基波电流峰值；wg 为电网频率；ΔiL 为电感纹波电流；w 为开关
角频率；t 为时间。
为进一步减小纹波电流，由 L2 和 Cf 组成的二阶 LC 滤波 器对开关频率的谐波进行滤除，其传递函数为(6)。L2Cf 滤波器 设计为逆变器电流在开关频率处的谐波分量以 20 dB 衰减，
如图 3 所示，L2Cf 的谐振频率为 977 Hz，在开关频率 3 kHz 处 衰减为－19.7，因此，最后注入电网的纹波电流被极大地衰
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｎｅｗ ｎｏｖｅｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＣＬ ｆｉｌｔｅｒ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ， ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｒｒａｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｅｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｕｎｉｆｉｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｇａｉｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ｔｈｅ ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｇｒｉｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｉｎ ｐｈａｓｅ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｎｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ＴＨＤ ｃｏｍｐｌｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔｒｉｎｇｅｎｔ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ＩＥＥＥ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ； ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ； ｉｎｖｅｒｔｅｒ； ｈａｒｍｏｎｉｃ； ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
制器有 155 dB 的衰减，PI 控制器只有 20 dB 的衰减；在 5 次 和 7 次谐波处 PR+HC 控制器的抑止效果更加明显，而 P 和 PI 控制器在 5 次和 7 次谐波的滤波效果差别不大；在谐振频 率 977 Hz 处，三种控制器的抑止谐振的效果接近，在高频处 的滤波效果没有明显差别，表明 PR+HC 控制器在低频处具有 比 P 和 PI 控制器明显的优越性。
随着世界范围内电力需求增加和绿色电力革命的推动， 风能和太阳能等可再生能源在电力电子数字技术，市场需求 和政府能源政策的支持背景下获得迅猛发展。光伏并网发电 是太阳能在电力系统应用的主要发展方向，并网逆变器则是 光伏发电并入电网的重要电力接口，是实现能量的最大化变 换和传输的关键，是电力检测和控制单元(PCU：Power Conditioning Unit)[1]。如何实现逆变器并网控制，为电网提供洁净电 力成为研究的主要内容。
ÃÅÆ 频率。
H (s) ? I (s) ? 1 ?s − z U (s) L ?s s ? w
(1)
式中：UPWM 为逆变器输出电压；zLC 为 L2Cf 支路振荡频率；s 为
图 ３ Ｌ２Ｃｆ 滤波器的频率响应 LCL 滤波器参数设计的一般原则为：逆变器侧电感 L1 按 照额定逆变器电流 15%的纹波电流峰值计算。设 Ugrms 为电网 相电压有效值，fs 为逆变器开关频率，Cb 为基准电容，Zb 为基 准阻抗，ugLL 为电网线电压有效值，Pn 为逆变器额定功率。
为使开关频率的纹波电流按照 20 dB 进一步衰减，网侧
电感 L2 按照(11)计算：
L2=0.8 L1
(11)
２ 控制策略
２．１ 逆变器电流控制
图 4 为逆变器电流控制器控制框图，其中 HPR(s)为比例谐 振环节，HHC(s)为谐波补偿环节，Hd(s)为 PWM 逆变器延迟环 节，HLCL1(s)为 LCL 滤波环节，如式(1)表示。
ÁÃÄÂÅÆÂ 图１光伏并网逆变器拓扑结构及其控制系统
１．２ ＬＣＬ 滤波器设计
图 2 为通用的 LCL 电路模型，R1，R2 分别为逆变器侧电 感，电网侧电感的串联等值电阻分量，Rd 为与滤波电容串联 的无源阻尼电阻，L2 被看作电网阻抗 Lg 和 LCL 电网侧电感 的等效串联阻抗之和。
式中：Cf 指滤波器电容。
(12)
s ?w
式中：kP 为比例增益；ki 为积分增益；w0 为谐振频率。
为解决 PI 控制器的不足和满足并网要求，文献[6]提出二 阶通用积分器的算法。通用积分器是一种双积分器，在某一频 率下能获得无穷大增益，因此也称之为谐振频率，在这一频率 外几乎没有衰减；另外，通用积分器也可以用作陷波滤波器， 有选择性的补偿谐波[7]，这种控制技术主要应用于三相有源滤 波和闭环谐波控制；文献[8]提出一种新的静止坐标下的比例 谐振控制器，应用于三相 PWM 逆变器控制。本文在这些研究 的基础上，提出基于电网频率变化的比例谐振和谐波补偿的 控制策略。并网系统采用通过 LCL 滤波的单相单级无变压器
偿，考虑光伏阵列电气特性受温度和光照条件的影响，将最大功率跟踪技术和功率因数校正技术集成在统一的控制系
统，分析不同比例增益对系统稳定性的影响。仿真结果表明提出的控制策略具有强健的鲁棒性和稳定性，使注入电网
电流和电网电压同相，功率因数为 １，总谐波畸变率满足国际 ＩＥＥＥ 关于分布式发电并网的要求。
关键词：光伏；并网；逆变器；谐波；补偿