LCL滤波并网逆变器的电流控制技术研究综述

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第 4 期2012 年 7 月电源学报Journal of Power SupplyNo.4July.2012LCL 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。关键词 LCL 滤波器；并网逆变器；电流控制；综述中图分类号 TM46 文献标志码 A 文章编号 2095-2805 （ 2012） 04-0001-07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（ 1968- ），男，博士，教授，博士生导师，中国电源学会常务理事。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 [2,3]。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制技术应用于 LCL 滤波并网变流系统 [58]。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 [2]，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 [911]、基于串联滤波器的控制方法 [7,12,13]、通过信号流图变换将阻尼电阻转移到控制回路的方法 [14]、电容电流比例内环控制 [1520]、基于电容电压的反馈的控制 [21,22]、变换器侧电感电压反馈 [23]、网侧电感电压反馈控制[24]以及多变量的状态反馈法 [25,26]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。DOI10.13234/j.issn.2095-2805.2012.4.1电源学报总第 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，从公共耦合点（ 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L1、滤波电容 C1 和网侧电感 L2 组成， udc 为直流侧电压， uinv 为逆变器的桥臂中点输出电压， ug 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 L2的闭环控制，其中基于 iL1 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 1b所示，二者在谐振频率 fres， ω res，式 1处存在谐振峰，危及并网变流器的稳定运行。图 2 为单一电流环控制的框图，其中 Td 表示等效的系统延时包括 PWM 计算、采样等延迟， Gcs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 1b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 ° ，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 0dB，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 [7,8]。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 [7]。更为困难的问题在于，由于实际并网运行中滤波器参数的滤波并网逆变器2扰动以及电网感抗的存在，谐振频率可能产生大幅变化 [5]，单一电流闭环控制的系统鲁棒性难以得到保证。1.2 前向通路附加滤波器的有源阻尼方案文献 [13]研究了附加滤波器实现谐振峰抑制的控制方案，其基本控制框图如图 3 所示。附加的滤波器可以是低通滤波器、超前 - 滞后滤波器或陷波滤波器等。附加低通滤波器控制方案的基本原理同前述利用系统固有延迟的控制机理相同，同样是改变电流相位穿越频率，但是相比利用固有延迟的方案，其延迟大小可控，同时，由于低通滤波的作用，谐振峰值也在一定程度上获得了抑制 [13]。此外，文献 [13]还讨论了超前 - 滞后滤波器的作用，也是通过改善相位实现谐振抑制。基于陷波滤波器 [5,7]的控制方案则是在谐振频率附近附加一对零极点进而抵消欠阻尼谐振极点对系统产生的不利影响。该类基于滤波器的有源阻尼其本质上是通过开环方式改善原系统幅相特性进而有利于电流调节器的设计，相比于单一电流闭环控制的方案，可以实现更好的响应，但是数字滤波器的参数较难以优化设计，有待于进一步研究；此外，由于该类方案需要准确的 LCL 滤波器参数信息，鲁棒性仍不足。1.3 基于降阶模型的电流控制该类控制方法通过选择合适的额外的反馈将LCL 滤波并网逆变器等效为单 L 并网逆变器，进而进网电流的控制获得了简化，有利于闭环响应的改善。文献 [9]、 [10] 中给出的分裂电容电流控制和电流加权控制通过两个电流按照一定比例相加等效实现了单 L 型电流控制，其控制框图如图 4 所示，其中 u 为电流调节器的输出， kpwm 代表 PWM 逆变器。当加权系数 β L1/L1L 2时，即可得到一阶特性的加权组合电流量，如式（ 2）。该类电流组合控制方法避开了进网电流中谐振峰对控制环路的影响，但是并未对进网电流直接控制，这导致进网电流中仍然会存在谐振现象 [15]。此外，该方案需要精确的滤波器参数匹配，鲁棒性不足。（ 2）文献 [11]给出了另一种降阶控制的方法，通过反馈逆变器侧电感电压实现，如图 5 所示。 Gfvs为逆变器侧电感电压反馈系数。此时， u 至进网电流的传递函数为显然，当满足 1- kpwmGivs0 时，图 5 所示控制系统可等效为一阶电感滤波环节，进而电流调节器设计避开了 LCL 滤波器的谐振问题。但是，该方案的实施仍然依赖于精确的系统模型，而实际运行中，采样计算误差、 PWM 环节的非线性均可能导致谢少军，等 LCL 滤波并网逆变器的电流控制技术研究综述第 4 期 3电源学报总第 42 期上述条件失效；此外，逆变器侧电感电压中含有大量的开关频率次谐波电压，而由香农采样定理可知大量的高次谐波可能导致采样以及 PWM 调制失效。文献 [11]的研究仅限于进行了仿真验证。1.4 基于反馈控制的有源阻尼方案该类控制方法的基本思想是通过额外的反馈实现谐振峰的抑制。文献 [27] 从反馈控制角度对LCL 滤波并网逆变器的有源阻尼方法进行了系统性研究，为寻找新型的有源阻尼方案提供了有效参考，其研究表明对系统中多个变量的反馈控制均可实现有源阻尼。已见诸文献的有源阻尼方案比较多，可按照选择的反馈分类，包括基于电容电流、电容电压、网侧电感电压、逆变器侧电感电压的单变量反馈，以及采用多状态变量组合反馈的控制方案等。图 6 给出了其基本控制框图，其中 x 表示 LCL滤波器中某一个或几个电压电流状态变量。相较于前述其它类型的控制方案，采用反馈控制抑制谐振峰的方法较为灵活，性能好，而且具有较强的鲁棒性。但是，该类基于反馈控制实现谐振抑制的方法均需要额外的高精度电流或电压传感器来获取需要的反馈信息，增加了系统成本。有文献给出了滤波电容电流 [18,19]及其电压 [22]的估测方法以降低系统成本和提高可靠性，但是该类估测方法一方面依赖于精确的系统模型，实际应用中的鲁棒性仍有待于进一步研究；另一方面，估测方法可能对系统动态响应产生不利影响 [18]。基于反馈控制的各种有源阻尼方法的参数优化设计也是一个值得重点关注的问题。文献 [21]研究了滤波电容电流及其电压反馈方案的参数设计。电容电流比例反馈可以有效地抑制谐振峰，电容电压微分反馈（实际应用中微分反馈往往采用数字离散化 [21]或者高通滤波器 [22]的方法替代实现）也可实现谐振抑制。文献 [21]的研究表明，不同的谐振频率与开关频率比值的情况下，阻尼性能存在很大差异，甚至有可能失去阻尼效果，为此需要牺牲动态响应性能，降低开环增益以保证稳定。此外，有学者针对电容电流与进网电流的双闭环方案的参数设计进行了详细的探讨，针对少自由度的参数设计采用了一种基于零极点对消的设计方法 [16]，同样是在系统性能以及谐振抑制之间的一种折衷处理。上述文献研究均表明电流闭环控制的二个重要方面，即有源阻尼、电流调节器同滤波器参数之间存在相互影响以及制约。为此，文献 [25,26]中以成本的增加为代价通过多变量状态反馈法的引入实现了较为方便的参数设计，该方法实现了系统特征方程中全部极点自由配置，参数优化设计的空间较大。2 电流的精确跟踪控制电网电压是产生基波误差以及低频谐波电流的主要因素之一，因而电网电压比例前馈可以实现较好的稳态响应；但是，与单 L 滤波不同的是 LCL滤波并网逆变器采用比例前馈无法完全补偿电网畸变的影响。为了实现电网中低频谐波抑制，文献[28,29]中讨论了电网电压全前馈方案。另外，可以实现基波频率以及特定频率处极高开环增益的比例谐振（ PR）控制 [6,10,30,31]、对周期性扰动具有较好抑制作用的重复控制 [26,31]也可实现较好的跟踪性能。为实现多次谐波的抑制，文献 [32] 提出并讨论了一种新型的重复控制器，采用简单的控制结构同时实现了基波以及多次谐波的谐振控制。无差拍预测控制也可近似实现无静差跟踪 [33,34]，文献 [33]中对比分析了比例积分（ PI ）、 PR 以及无差拍控制方法，分析结果表明三者均可实现令人满意的电流跟踪控制效果。3 控制方法的电网适应性电网阻抗的存在影响电流控制的有效性。文献[35]的研究表明，较大的电网侧感抗会导致较低频率的谐波电流，严重影响电流质量。文献 [5]分析了大范围变化的电网感抗对系统的作用，随着感抗的增大，滤波器的自然谐振频率大幅减小，同时系统带宽变小。该文分析还表明在系统带宽较低的时候谐波谐振控制器会导致系统产生大量谐波甚至发4生不稳定。文献 [36]在考虑电网感抗的前提下对系统闭环控制进行了鲁棒性的设计，可适应一定范围感抗变化的电网。文献 [34] 在无差拍控制的基础上提出了一种不确定因素抑制控制器来抑制包括电网感抗在内的参数扰动的影响，其控制较为复杂且涉及到观测器及其收敛设计。另外一种实现对抗电网感抗影响的方法是检测出感抗大小进而调整控制器参数以适应不同的电网情况，需要精确的参数在线检测方法且可能对电流质量产生影响，如注入特定次谐波电流检测公共耦合点电压的方法 [37]、激起滤波器谐振的方法 [38]等。其次，当电网出现不同程度的单相或者三相故障时，尤其是在风力发电场合，风力发电机不能立刻与电网脱离，需保持运行状态甚至要能够支撑电网直至故障排除。现有的针对 LCL 滤波并网逆变器的故障穿越的研究工作较少。文献 [33] 中讨论了现有电流控制方案的电网低电压穿越能力，其研究表明，相较于 PI 以及 PR 控制，无差拍控制具有更加优良的性能。4 结语本文对 LCL 滤波并网逆变器的电流控制技术研究状况进行了分析。现有的众多电流控制方案已可克服滤波器谐振现象导致的不利影响，但是进网电流单闭环、附加滤波器的方案以及基于降阶思想的方案同系统参数密切相关，存在性能、鲁棒性欠佳的缺点；基于有源阻尼反馈的控制方案虽然普遍具有较好的鲁棒性，但需要额外的传感器。目前仍缺少以高带宽、有效的谐振抑制、简单、通用等为目的的参数优化设计方面的研究，实际应用时的电流控制方案选择及设计仍面临困难。对电流精确跟踪控制来说，现有的控制器均可实现较为满意的效果。此外，由于并网变流器实际运行中电网状况的未知因素较多，电流控制的适应性尤其是对电网阻抗及故障等的适应能力的研究也日益得到重视。总之，低成本、高性能、强鲁棒性的谐振峰抑制方案及其参数优化设计、电流控制方案的电网适应性仍然是 LCL 滤波并网变流器需要研究的重要问题，是 LCL 滤波并网变流器获得广泛、可靠应用的重要基础。参考文献 [1] F Blaabjerg, R Teodorescu, M Liserre,et al. 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However, current is easily resonated becauseof the resonancephenomenon associatedwith the high-order filter. Consequently, the design of the control is difficult and hasbeen concerned all overthe world. In this paper, an overview of the current control for grid-connected LCL-filtered inverters is presentedand evaluated. Itconsistsof resonancephenomenon and its rejection strategy, precise tracking control and grid applicability control. Furthermore, theprospect researchfocusesfor grid-tied LCL-filtered inverters aregiven.Key words LCL filters; grid-tied inverters; current control; overviewResearch on Digital Power Amplifier Used In Relay ProtectionWU Hao, YAN Kai-qin, CHEN Qian-hongJiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion,Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, ChinaAbstract In relay protection testingapparatus,the schemeof “ Digital Reference Source and Analog SPWM ” iswidely used, inwhich the Digital Reference Source provides high-precision sine signalto satisfythe demand of low THD. The reference source wasdesignedbasedon MC56F8013 which varies from 10Hz to 1kHz. To use the digital technology more, the Digital-SPWM poweramplifier was designed. In the end, the experiment result of Digital Reference Source was given, showing that the THD is below0.25. Besides,the Digital and Analog SPWM was compared by experiment with analysingthe reasonof the high THD of Digital-SPWM power amplifier.Key words power amplifier; digi