第l5卷第5期 电 机 与 控 制 学 报 ELECTRIC MACHINES AND CONTR0I V0l_15 No.5 Mav 201 1 2011年5月 LCL滤波并网逆变电源的控制策略研究 邓翔 , 胡雪峰 , 龚春英 (1.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016; 2.安徽工业:赶学电力电子与运动控制省重点实验室,安徽马鞍山243002) 摘要:针对LCL滤波的并网逆变电源采用直接并网电流单闭环控制时,存在系统稳定性和控制 精确度等问题,提出一种控制策略。控制方案采用电网侧直接入网电流有效值作为外环反馈值,桥 臂侧电感电流的瞬时值作为内环反馈值的双闭环控制策略,对该方案进行系统建模并结合劳思一 赫尔维茨稳定判据验证控制系统的稳定性,给出该控制策略的理论依据和实现方法。在一台以 DSP为核心控制器件的1k 光伏电池并网逆变电源装置上进行实验验证。实验结果表明,该控 制策略既保证了系统的稳定性,又提高了入网电流的直接控制精确度,能同时实现并网逆变电源的 高精确度并网电流稳态输出波形和快速动态响应性能。 关键词:并网逆变器;LCL滤波器;控制策略;系统建模;稳定性 中图分类号:TM464 文献标志码:A 文章编号:1007—449X(2011)05—0037—05 Study on control scheme for grid-connected inverter with LCL filter DENG Xiang ,HU Xue—feng ,GONG Chun—ying (1.College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China; 2.Key Laboratory of Power Electronics and Motion Control of Anhui,Anhui University of Technology,Ma’anshan 243002,China) Abstract:Only single grid current closed loop is not suficientf for the stability of the grid—inverter with LCL filter.This paper proposed a dual—loop control strategy with grid current root—mean—square(RMS) and leg output current,where grid current RMS is out feedback loop,and leg output current is inner feedback loop.It verified the stability of system by using Routh—Hurwitz criterion,and system modeling and stability analysis were also presented.The proposed control seheme was verified by simulation results and experiments on a 1 kVA grid—connected photovoltaic inverter based on DSP.The results show that the proposed scheme can ensure the stability of the system and the grid current performances,and achieve fast transient responses. Key words:grid-inverter;LCL filter;control scheme;system modeling;stability 0 引 言 可再生能源并网发电系统中,由于LCL型滤波 于并网逆变器在较低开关频率下获得高质量的馈网 电流,因此LCL型滤波器在并网逆变电源中得到了 广泛应用 卜 。但是,LCL型滤波器是一个三阶系 统,容易造成系统振荡,对系统的控制策略提出了更 器对高频谐波电流可起到很大的衰减作用,更有利 收稿日期:2010—09—01 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB210303) 作者简介:邓 翔(1973一),男,高级工程师,研究方向为功率电子变换技术; 胡雪峰(1973一),男,博士研究生,副教授,研究方向为新能源发电技术、电力电子与电力传动 龚春英(1965一),女,教授,博士生导师,研究方向为电力电子与电力传动、新能源发电技术。 38 电机与控制学报 第15卷 高要求。文献[4—5]己经从系统稳定性进行分析 得出基于并网电流单环控制方法无法使系统稳定运 行,采用桥臂电流控制方法,来间接实现对并网电 流的控制时,不仅满足并网电流的功率因数要求,而 且闭环系统是稳定性的,但这种方法没有涉及到直 接馈网电流变量,所以很难做到馈网电流的精确控 制,本文在此基础上提出一种双闭环控制策略,采用 则并网逆变器的开关函数模型可表示为 Ua  ̄ -SaV dc,U SS = 。)J b= 一 }I1 '。)J VdcSS (5) ㈩ 那么,并网逆变器系统功率电路的开关函数模 型可以描述为 直接馈网电流的幅值有效值控制作为外环,把外环 输出与锁相后的单位电网电压相乘后的积作为内环 给定,把桥臂输出电流的瞬时值作为内环的反馈量 并对系统进行建模和稳定性分析,期望实现对馈网 电流的直接控制,又保证馈网电流具有较低的谐波 含量和很高的功率因数。 1系统模型分析 采用LCL型滤波器的单相并网逆变电源系统 的原理如图1所示。如果忽略直流母线电压的波动 且把开关元件视为理想器件,当开关频率远远大于 50Hz时,可以把图1巾的非线性逆变桥系统视为线 性系统 ]。 值计算模块;3--PI控制器1;4--PI控制器2;5一l二 角载波信号发生器;6一集成SPWM产生电路。 图1单相并网逆变电源系统 Fig.1 System of single phase grid—connected inverter 假设当逆变桥臂上开关开通,桥臂下开关管关 断时,有 sS ㈩ = 1 。J sS ,= 。J0 当桥臂上开关关断,桥臂下开关管开通时,有 S :0,1 s =0。j (3) S 1,1 s =1。j (4) 0 0 一士 ,J, 0 0 1一 L 1 0 一一C2 C, 1—一70 L, 0 一 1 (7) ,J 0 O 根据叠加原理,分别考虑U ( )与U ( )对桥 臂输出电流, (S)和输入电网电流,:(S)的传递函 数为 (5)一 1 2 。+(L】+,J2)s’ (8) 一 ± … ab(s)一L1L2Cs。+( 】+L2) ’ 前 一f s1 L≮ -Ⅲ,Cs +1 ,(10) ! 一 ! , 1、 U b(s)一LlL2Cs +(,Jl+L2)s。 南上述并网逆变电源的数学模型可知,直接人 网电流12(S)与桥臂输出电压U ( )的传函为三阶 函数,如果选择直接控制12(s),则系统是一个不稳 定系统¨ J。为了改善系统的稳定性,本文首先采 集电网侧电感的电流,通过整流滤波后求出其有效 值,然后采用直接入网电流的有效值作为控制器的 外环,即外环给定为人网电流的有效值,把外环的误 差经过PI运算后,再与锁相环所得到的电网电压相 位基准相乘后作为桥臂侧输出滤波电感电流瞬时值 的给定值,从而形成一个并网电流的双闭环控制策 略,以增加系统阻尼,增强系统的稳定性。并且给出 了该控制策略下系统的控制框图。 2控制策略的原理分析 并网逆变电源控制的终极目的就是控制直接馈 网电流的幅值和相位,使馈入电网的电流符合一定 第5期 邓翔等:LCL滤波并网逆变电源的控制策略研究 39 的标准。本文选择实际馈网电流的有效值作为外 环,把桥臂输出电流作为内环,构成双闭环控制系 统,如图2所示,既直接控制了馈网电流的幅值,又 能使并网电流的相位满足要求,这样即保证了并网 个条件稳定系统,即该系统控制器的控制参数设计 必须在某一区间才能确保系统是稳定的。 ——一—, 一一 / 电流的稳态波形质量,又具有较高的控制精确度。 2.1稳定性分析 系统内环采用比例控制G =K,外环采用PI 控制,G ,:K +K /s。为方便分析系统的稳定性, 利用控制原理中控制框图等效变换的原则,对图2 进行等效变换后得到如图3所示的控制框图。 l (s) [二 ! z£ £ 』匦]! l I 瑟翟困—— — 』L ———————呕=).—匦墨 —————— I 图3基于f2和i。的双闭环控制等效结构框图 从控制框图3可以看出,馈网电流不但受逆变 器侧电压控制,而且与不可控制量U 有关,如果不 考虑 的影响,又因为系统的反馈系数看作常数时 不影响系统的稳定性,所以这里为了研究系统稳定 性,假设反馈系数为l,则图3的开环传递函数为 G。 (s)= — : j — :: ; 。 (12) 其闭环系统的特征方程为 D( ):LiL2Cs4+L2KKPWMCs +( 1+ 2) 2+ KKpwM(1+KP)s+KIKKPwM。 (13) 根据胡尔维茨稳定判据,系统的稳定条件为 ( l+ 2)(1+ )一L2KIKKPwM>O, 1 (L1+ 2)(1+KP)一CL2KIKKPwM一 lL2CK2K2pwM(1+KP) >o。J (14) 为了便于分析和设计,画出K :0,K 变化时系 统的根轨迹如图4所示。明显可以看出此系统是一 增大 —————~—~ \ 实轴 图4双闭环控制系统的根轨迹 Fig.4 Root locus of dual-loop control system 2.2内环参数设计 由上述分析可得内环的开环传递函数为 G )= 。 (15) 显然式(15)所标示的系统为一个稳定系统,被 控系统是一个三阶系统,其中T型滤波器的谐振频 率为 = 1√ 。 (16) 为了便于设计,本文内环使用比例控制,即 G (s)=K,理论上 值的大小并不影响内环系统 的稳定性,只影响系统的动态性能,由式(14)可知K 对整个系统的稳定性有影响,又因为开环特征方程 的阻尼系数 一2 PwM/(Ll+L2)L1’L2C (17) 工程上常取0.6< <0.8,如果取最佳阻尼比, 即 =0.707,在主电路参数确定的情况下,即可计 算出K值,这里在仿真试验的基础上取K=100。 2.3外环参数的设计与分析 在进行有效值外环设计时,可以把内环看作一 个被控对象,此时其控制框图可等效为图5。在实 验时由于实际系统的参数存在离散性,所以系统控 制器的设计必须保留一定的相角和幅值裕度,通常 工程上取相角裕度 为45。~60。,幅值裕度h为 5~10dB。 根据式(14)的稳定条件,要选择一组合适的 、 参数,工程上有多种整定方法,本文采用振荡 法结合系统的开环Bode图,并且综合考虑系统的带 宽和稳态特性来设计外环控制器的参数,选择K = 0.5,K =100作为系统的控制器参数较为理想,此 时的 =68。 第5期 邓翔等:LCL滤波并网逆变电源的控制策略研究 41 5 结 语 为提高并网逆变器馈网电流的波形质量和并网 功率因数,本文针对LCL滤波的并网逆变器单独采 用并网电流单闭环直接控制时系统存在谐振尖峰, 易造成系统不稳的特点,提出采用馈网电流有效值 作为外环,桥臂电流瞬时值作为内环的双闭环控制 策略;建立了系统的控制模型,证明了该系统是一个 条件稳定系统,且根据Routh.Hurwitz稳定判据推出 了系统稳定条件。通过仿真和实验验证了上述控制 策略的有效性。 参考文献: [1] KIM Hyosung,Yu Taesik,CHOI Sewan.Indirect current control algorithm for utility interactive inverters in distirbuted generation systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23 (3):1342—1347. 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