基于LC濾波的光伏逆變器電感電流反饋控制策略研究*

戴志威，舒 杰，吳昌宏，王 浩，宋香榮，張 偉

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 常州 213164；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

基于LC濾波的光伏逆變器電感電流反饋控制策略研究*

戴志威1,3，舒 杰1,2?，吳昌宏1，王 浩1，宋香榮1，張 偉1,3

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 常州 213164；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

針對光伏并網(wǎng)逆變器的特點(diǎn)，基于電感電流反饋控制的光伏并網(wǎng)逆變器，提出了參考電流相位超前的電流內(nèi)環(huán)控制策略。通過分析單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了LC濾波器上電壓電流矢量關(guān)系。加入電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值前饋解耦控制，研究了比例調(diào)節(jié)和準(zhǔn)比例諧振調(diào)節(jié)兩種策略下參考電流與輸出電流的關(guān)聯(lián)。基于一臺(tái)3 kW逆變器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該策略的逆變器并網(wǎng)電流時(shí)刻跟蹤電網(wǎng)電壓頻率和相位，功率因數(shù)為1，并網(wǎng)電流諧波失真度低于3%。

光伏并網(wǎng)逆變器；電感電流反饋；比例諧振控制；LC濾波器；解耦控制

0 引 言

太陽能作為可再生能源之一，近年來引起了世界各國政府和能源專家的高度重視，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為研究的焦點(diǎn)。并網(wǎng)逆變器作為光伏組件和電網(wǎng)的接口設(shè)備，并網(wǎng)控制技術(shù)是核心技術(shù)之一，控制目標(biāo)是使系統(tǒng)以要求功率因數(shù)運(yùn)行，并網(wǎng)電流諧波總畸變率（Total harmonic distortion, THD）低于5%。常用的并網(wǎng)電流控制技術(shù)主要包括電流滯環(huán)控制、比例積分微分控制、比例諧振控制、重復(fù)控制、電流模型預(yù)測控制[1]。滯環(huán)控制具有穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速、簡單易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是滯環(huán)寬度會(huì)影響開關(guān)頻率、開關(guān)損耗和控制精度，環(huán)寬越小，控制精度越高，開關(guān)頻率和損耗也會(huì)增大[2]。 經(jīng)典比例積分微分（ Proportionintegration-differentiation, PID）控制被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)過程控制領(lǐng)域，但是將PID控制應(yīng)用于正弦控制對象時(shí)，難以獲得良好的控制效果[3]。重復(fù)控制應(yīng)用于諧波電流控制可以取得不錯(cuò)的效果，但對保證穩(wěn)定性的濾波器設(shè)計(jì)要求高，需要大量的存儲(chǔ)空間，算法實(shí)現(xiàn)也非常復(fù)雜[4]。電流模型預(yù)測控制性能取決于電流模型精度，系統(tǒng)穩(wěn)定性與模型參數(shù)息息相關(guān)，模型誤差可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩和電流諧波含量升高[5]。比例諧振控制器在基頻處增益無窮大，而在非基頻處增益較小，對周期性電網(wǎng)具有零穩(wěn)態(tài)誤差的控制效果，逐漸被引入到逆變器電流諧波控制當(dāng)中。電網(wǎng)電壓畸變可能導(dǎo)致并網(wǎng)電流畸變，通過電網(wǎng)電壓的前饋控制，經(jīng)前饋環(huán)節(jié)的特定設(shè)置，使電網(wǎng)電壓對輸出電流的影響為零[6,7]。

本文分析了單相光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了濾波環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)；然后分析了控制目標(biāo)矢量圖和控制階段矢量圖，指出電流指令與電流控制方式和功率輸出大小的關(guān)系；最后，在3 kW光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是一個(gè)兩級結(jié)構(gòu)，母線電容C穩(wěn)壓，由前級Boost升壓電路（升壓電感L、二極管D、Boost開關(guān)T）獲得。后級逆變?nèi)珮颍═1、T2、T3、T4）經(jīng)AB節(jié)點(diǎn)輸出，通過濾波電感Lf和濾波電容Cf連接至電網(wǎng)。濾波電感主要濾除高頻開關(guān)引起的高次諧波電流，濾波電容是無功功率通路，保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。

圖1 并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)Fig. 1 Schematics diagram of the grid-connected inverter

當(dāng)控制器鎖相環(huán)節(jié)檢測到電網(wǎng)電壓正向過零點(diǎn)，啟動(dòng)控制器的并網(wǎng)控制程序。并網(wǎng)繼電器未吸合時(shí)，逆變器開關(guān)的邏輯控制信號(hào)為電網(wǎng)電壓前饋量，使逆變器輸出側(cè)產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同相同幅的電壓。隨后繼電器吸合，電流環(huán)和最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum power point tracking, MPPT）協(xié)調(diào)工作，開關(guān)信號(hào)等于電網(wǎng)電壓前饋量與電流環(huán)輸出之和，逆變器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。

2 LC濾波器設(shè)計(jì)

逆變器輸出中的高次諧波需要低通濾波器。濾波器設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：輸出電壓的諧波含量?。粸V波參數(shù)和體積??；濾波器的阻頻特性好；濾波系統(tǒng)消耗的功率小。常見的逆變器無源濾波器包括L/LC/LCL。L濾波器為一階系統(tǒng)，對高次諧波濾除不能達(dá)到很好的效果；LCL濾波器提高系統(tǒng)階次到三階，增加了控制難度，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性，其體積也較大[8]。所以，本文選用LC濾波器。

LC濾波器的傳遞函數(shù)為：

式中：s為復(fù)變量，ωL為 LC諧振角頻率，ωL＝(LfCf)-0.5；ξ為阻尼系數(shù)；U0(s)為濾波器輸出電壓；Ui(s)為濾波器輸入電壓[9]。

為了使濾波器輸出電壓接近正弦波，且不產(chǎn)生諧振，LC濾波器的截止頻率fc＝(4π2LfCf)-0.5要大于基波頻率，同時(shí)要小于脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation, PWM）電壓中所含的最低次諧波頻率。濾波器標(biāo)稱特性阻抗R表示為：

因此，由截止頻率和標(biāo)稱特征阻抗可得：

上式中，Lf和Cf的值取決于fc和R的選擇。通常，當(dāng)輸出電壓基頻為50 Hz時(shí)，fc取100～500 Hz，R取特征電阻R0的0.5～0.8倍。

3 并網(wǎng)矢量分析

逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓的壓差是電感電流產(chǎn)生的原因，該壓差等于并網(wǎng)基波電流在電抗器上產(chǎn)生的壓降，電流環(huán)的輸出要求補(bǔ)償這一壓降。

圖 2為控制目標(biāo)矢量關(guān)系圖，ug、upwm、uL分別為電網(wǎng)電壓、逆變?nèi)珮蜉敵鲭妷骸㈦姼袎航?；ig、iC、iL分別為并網(wǎng)電流、電容電流、電感電流，皆為基波分量，瞬時(shí)值。按并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)運(yùn)行的要求，ig與ug同相位，iC幅值為定值，但iC相位超前電網(wǎng)電壓90°，導(dǎo)致iL超前電網(wǎng)θ角；同時(shí)uL超前iL90°。因此：

其中，Ug為電網(wǎng)電壓有效值，Ig為并網(wǎng)電流有效值，IC為電容電流有效值，IL為電感電流有效值。

圖2 控制目標(biāo)矢量關(guān)系圖Fig. 2 Vector diagram of inverter control target

4 系統(tǒng)模型控制策略

4.1 系統(tǒng)模型與電網(wǎng)電壓解耦

根據(jù)圖1所示的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)原理圖，采用電感電流控制方式，LC濾波，建立系統(tǒng)模型，如圖 3所示。G1(s)是電流控制器，G2(s)是逆變環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，視為高增益的慣性環(huán)節(jié)，由于開關(guān)頻率（18 kHz）遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，忽略開關(guān)動(dòng)作對系統(tǒng)的影響，將G2(s)簡化為比例環(huán)節(jié)，K為比例增益，R為電感內(nèi)阻，I*為參考電流，If為反饋電流。

圖3 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)模型Fig. 3 Model of gird connected inverter system

Gn(s)為解耦環(huán)節(jié)，G2(s)＝K，單位負(fù)反饋系統(tǒng)Gf(s)＝1，并網(wǎng)逆變器輸出電流為：

輸出電流與參考電流和電網(wǎng)電壓有關(guān)，若合理配置解耦環(huán)節(jié)，Gn(s)＝1/K時(shí)，并網(wǎng)逆變器輸出電流為：

因此，電網(wǎng)電壓解耦環(huán)節(jié)能夠消除來自電網(wǎng)畸變對并網(wǎng)電流的干擾，有效提高逆變器的抗電網(wǎng)諧波干擾能力。

4.2 電流內(nèi)環(huán)控制

閉環(huán)控制策略有多種形式，按控制器結(jié)構(gòu)不同，可以分為電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)以及單電壓環(huán)控制；按控制器G1(s)的類型，可有比例、比例積分、諧振、比例諧振等控制。文獻(xiàn)[10]指出電感電流內(nèi)環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)控制效果相似，但是電容電流采樣不能反映并網(wǎng)電流的大小，對輸出電流保護(hù)能力差。比例諧振控制器在交流信號(hào)控制中有優(yōu)越性，系統(tǒng)采用電感電流內(nèi)環(huán)的比例諧振控制。在實(shí)際系統(tǒng)中，準(zhǔn)比例諧振控制器更易實(shí)現(xiàn)[11]，準(zhǔn)比例諧振控制器的設(shè)計(jì)步驟：根據(jù)控制器需要的帶寬選擇頻率ωc；根據(jù)控制器需要的增益選擇諧振增益kr；根據(jù)諧波阻抗，設(shè)計(jì)比例增益kp使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和抗擾性能最優(yōu)[12,13]。

圖4是電感電流控制實(shí)現(xiàn)的矢量圖。ufb、ui_lp、uord分別為電壓前饋量、電流環(huán)輸出控制量和開關(guān)指令值，皆為基波分量。iref是電感電流指令值，Δi是電感電流誤差信號(hào)。

如果電流控制器采用比例控制，ui_lp＝kpΔi，且ui_lp和Δi相位相同。ui_lp不能為0，Δi不可能為0，所以iref和iL的穩(wěn)態(tài)誤差表現(xiàn)為相位差和幅值差。并網(wǎng)電流滯后于電網(wǎng)電壓，功率因數(shù)小于 1。為了使系統(tǒng)按單位功率因數(shù)運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)時(shí)如圖 4，電流指令iref的相位應(yīng)該超前電網(wǎng)電壓，設(shè)超前角度為α。

如果電流控制器采用比例諧振控制。諧振器是一個(gè)廣義積分器，其輸出誤差信號(hào)隨時(shí)間遞增，相位與誤差信號(hào)相同。由于， 輸出功率一定時(shí)，穩(wěn)態(tài)的ui_lp為定值，如果等效增益越大，則穩(wěn)態(tài)誤差越小。諧振控制器在基波頻率處有無窮大增益，能實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的無靜差（無相位差，也無幅值差）跟蹤。如圖2所示，電流指令iref的相位應(yīng)超前電網(wǎng)電壓θ（arctan(IC/Ig)）角度，與目標(biāo)iL一致。

圖4 電感電流控制實(shí)現(xiàn)矢量圖Fig. 4 Vector diagram of inductor current control realizing

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率3 kW的光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，母線電壓穩(wěn)壓400 V，濾波器參數(shù)為Lf＝6 mH、Cf＝16 μF，功率開關(guān)器件采用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated gate bipolar transistor, IGBT），開關(guān)頻率18 kHz。為了減小輸出電壓紋波，提高系統(tǒng)帶寬，降低系統(tǒng)損耗，正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal PWM, SPWM）采用單級性調(diào)制方式。實(shí)驗(yàn)采用Chroma62100H-600S型可編程直流電源模擬光伏陣列輸出，設(shè)定環(huán)境參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值：輻照1 000 W/m2和電池溫度25℃，最大功率點(diǎn)電壓250 V。圖5為3 kW光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖6為2.5 kW輸出時(shí)的電壓電流波形，電流調(diào)節(jié)器采用PR控制器：電流諧波失真2.8%，功率因數(shù)為 1。提出的參考電流相角超前方法能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電流零穩(wěn)態(tài)誤差。

逆變器單位功率因數(shù)運(yùn)行。比例和比例諧振電流控制器的參考電流超前角與并網(wǎng)功率的關(guān)系如圖7所示。圖中曲線表明：相同的電流調(diào)節(jié)器時(shí)，并網(wǎng)功率越大，對應(yīng)的超前角越?。幌嗤β氏?，比例控制器較比例諧振控制器的參考電流超前角大。

圖6 電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流實(shí)驗(yàn)波形Fig. 6 Experimental waveform of gridvoltage and output current

圖7 超前角與功率的關(guān)系Fig. 7 Plots of advance angle versus power

圖8 超前角與功率因數(shù)的關(guān)系Fig. 8 Plots of advance angle versus power factor

采用比例和比例諧振電流控制器的參考電流超前角與功率因數(shù)的關(guān)系如圖 8。圖中曲線表明：采用相同的電流調(diào)節(jié)器時(shí)，并網(wǎng)功率越大，對應(yīng)的超前角增大；相同功率因數(shù)下，比例控制器較比例諧振控制器下的超前角大。根據(jù)以上分析，調(diào)節(jié)電流參考超前角可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)。

6 結(jié) 論

本文通過對基于 LC濾波的光伏并網(wǎng)逆變器電感電流控制方法的分析與研究，說明并網(wǎng)電流質(zhì)量與電流控制方式、電流內(nèi)環(huán)控制器、輸出功率大小等有關(guān)。推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)證明，電網(wǎng)電壓前饋解耦控制可以消減電網(wǎng)畸變對并網(wǎng)電流的干擾，超前電網(wǎng)的電流指令和準(zhǔn)比例諧振控制器大幅提高并網(wǎng)電流質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

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Study on Inductor Current Feedback Control Strategy of Photovoltaic Grid-connected Inverter Based on LC Filter

DAI Zhi-wei1,3, SHU Jie1,2, WU Chang-hong1, WANG Hao1, SONG Xiang-rong1, ZHANG Wei1,3
(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Photovoltaic Science and Engineering, Jiangsu Changzhou 213164, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

According to the features of grid-connected photovoltaic (PV) inverter, an advancing reference current loop control strategy based on the inverter with inductor current feedback was proposed. By analyzing the structure of single-phase grid connected inverter, the vector relationship between voltage and current on LC filter was presented. Proportional regulation and proportional-resonant regulation with the gird voltage feed-forward decoupling controlling was adopted to study the relevance between reference current and output current. Theoretical analysis and experimental results based on a 3 kW inverter experimental platform show that the output current of the inverter can track the frequency and the phase of the grid voltage well, the power factor is unity, and the total harmonic distortion of output current is below 3%.

photovoltaic grid-connected inverter; inductor current feedback control; proportional-resonant control; LC filter; decoupling control method

TK51；TM4；TM6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.06.007

2095-560X（2014）06-0449-05

戴志威（1991-），男，碩士研究生，從事新能源發(fā)電中的電力電子與控制技術(shù)研究。

舒 杰（1969-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，從事可再生能源分布式微網(wǎng)技術(shù)研究。

吳昌宏（1982-），男，碩士，助理研究員，從事太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用研究與開發(fā)。

王 浩（1976-），男，博士后，助理研究員，從事微電網(wǎng)技術(shù)研究。

宋香榮（1983-），女，碩士，助理研究員，從事光伏發(fā)電技術(shù)研究。

張 偉（1987-），男，碩士研究生，從事多電平逆變器技術(shù)研究。

2014-08-08

2014-11-05

國家自然科學(xué)基金（51206170）；廣東省自然科學(xué)基金（S201204007277）；廣州市重大科技專項(xiàng)（2010U1-D00231）；院市合作項(xiàng)目（2012HY1006551）

? 通信作者：舒 杰，E-mail：shujie@ms.giec.ac.cn