基于LCL濾波的光伏逆變器網(wǎng)側電流單環(huán)控制

摘要：在光伏并網(wǎng)逆變器系統中，LCL濾波器相比單L濾波器具有更優(yōu)的濾波性能，但其引入了諧振點(diǎn)，降低了系統穩定性。在不增加額外無(wú)源阻尼和傳感器的基礎上，提出采用網(wǎng)側電流單環(huán)控制策略，利用數字控制過(guò)程中的延遲環(huán)節實(shí)現了系統的穩定控制。給出延遲環(huán)節的設計方法，實(shí)現了系統良好的并網(wǎng)諧波特性和動(dòng)態(tài)特性，最后通過(guò)實(shí)驗驗證了控制策略的有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；光伏并網(wǎng)；濾波器；單環(huán)控制

1 引言
光伏發(fā)電技術(shù)近年來(lái)發(fā)展十分迅速，其中并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統的重要組成部分，逆變器通過(guò)L或LCL濾波器與電網(wǎng)連接。LCL濾波器由于具有更佳的濾波性能，逐步代替單L濾波器在工業(yè)中得到了廣泛應用。然而LCL濾波器由于存在諧振峰，給系統帶來(lái)不穩定因素。目前有許多方法來(lái)解決此問(wèn)題，可分為無(wú)源阻尼、有源阻尼和無(wú)阻尼方案三大類(lèi)。
無(wú)源阻尼方案通過(guò)在LCL濾波器上加入無(wú)源電阻，實(shí)現對諧振峰的阻尼作用。然而無(wú)源阻尼帶來(lái)了額外損耗；有源阻尼方案通過(guò)控制實(shí)現阻尼作用，避免了引入額外損耗。然而有源阻尼方案通常需使用多個(gè)系統狀態(tài)變量來(lái)實(shí)現，需要額外的傳感器，即使采用觀(guān)測估算的方法來(lái)間接獲得其他狀態(tài)變量，也對系統參數敏感性較強。文獻考慮數字控制本身存在延遲，用網(wǎng)側電流單環(huán)控制實(shí)現了系統的穩定，是一種無(wú)阻尼方案。該方案無(wú)需額外的無(wú)源器件和傳感器，控制簡(jiǎn)單，然而該文獻沒(méi)有分析延遲環(huán)節如何實(shí)現系統穩定，也沒(méi)有給出延遲環(huán)節的設計方法。這里詳細分析了延遲環(huán)節對系統穩定性的影響，確定保證系統穩定的延遲時(shí)間的范圍。并分析延遲環(huán)節對系統穩態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的影響，給出一種設計方法，實(shí)現了系統良好的動(dòng)穩態(tài)特性。

2 系統描述
圖1示出單相光伏并網(wǎng)逆變器系統結構圖，系統參數：LCL濾波器中，Linv=0．6 mH，Cf=5μF，Lg=0．6 mH；電網(wǎng)電壓有效值Ug=220 V，f0=50 Hz；直流電壓Udc=400 V；控制頻率fc=16 kHz；控制參數Kp=10．56，Ki=18700。LCL濾波器諧振頻率4 110 Hz，前后級等效串聯(lián)電阻約為0．1 Ω．采用雙極性SPWM，控制和開(kāi)關(guān)頻率均為16 kHz?？刂破鞑捎脗鹘yPI控制，參數設計方法采用對稱(chēng)最佳法進(jìn)行設計。數字控制中的延遲環(huán)節用z-k來(lái)表示k拍的延遲，主要是由A／D轉換時(shí)間，控制延遲和PWM波生成過(guò)程的延時(shí)構成。其中控制延遲可進(jìn)行靈活的設計來(lái)實(shí)現對延遲時(shí)間的調節。

3 延遲環(huán)節的影響分析和設計
3．1 穩定性分析
LCL濾波器由于存在諧振峰會(huì )帶來(lái)系統不穩定的問(wèn)題。圖2a中實(shí)線(xiàn)表示不考慮延遲影響時(shí)系統的開(kāi)環(huán)波特圖?？梢?jiàn)，在諧振峰處，系統增益遠大于零，且相角正好穿越-180°。則在該頻率點(diǎn)系統存在一個(gè)正反饋效應，諧振點(diǎn)處信號會(huì )被無(wú)限放大而導致系統失穩。虛線(xiàn)表示延遲時(shí)間為1拍的系統波特圖，可見(jiàn)延遲環(huán)節不會(huì )對幅值增益帶來(lái)任何影響，故不會(huì )對諧振峰起到阻尼作用，然而會(huì )對相角特性產(chǎn)生影響。由圖2a可見(jiàn)，延遲1拍可改變原開(kāi)環(huán)系統-180°的穿越點(diǎn)，使該點(diǎn)前移到幅值增益為負的區域，從而破壞原系統的正反饋效應，保證系統穩定運行。對于任意的LCL并網(wǎng)逆變系統而言，要保證系統穩定，需設計延遲環(huán)節，使系統-180°穿越點(diǎn)發(fā)生在圖2a所示的ωcut和ω1之間，且在ω2點(diǎn)系統相角大于-540°。定義3個(gè)相角裕度PMcut，PM1和PM2：