[科普中国]-LCL型并网逆变器

简介

新能源发电系统的核心模块是并网逆变器，LCL型并网逆变器因具有优越的高频谐波抑制能力而受到广泛重视。但由于LCL型滤波器是三阶系统，存在着高频谐振和稳定控制困难等问题。

目前，国内外对并网逆变器控制主要分三类：电流控制、直接功率控制和模拟同步电机控制。电流控制是对并网电流进行直接或间接控制，实现分布式电源单位功率并网。直接功率控制，实现对分布式电源瞬时有功和无功功率的直接控制，具有高功率因数、低电流总畸变率和算法简单等优点。模拟同步电机控制是模拟同步发电机特性，通过控制算法使并网逆变器模拟同步发电机运行方式运行，具备自平衡能力、下垂特性和大转动惯量等特性1。

LCL型并网逆变器数学模型三相LCL并网逆变器的拓扑结构如图1所示，其中idc为直流侧电流，Cds两端为直流侧母线电压，L1，L2，Cf，组成三阶LCL滤波器，r1为电感L1等效阻抗，r2为电感L2等效阻抗，us为电网电压。

假定电网为星形连接并且三相电压稳定对称，考虑到最严峻的状态，忽略LCL滤波器电感等效电阻。由基尔霍夫电压、电流定律得到系统功率回路方程。

式中：uc、i1、i2分别为滤波器电容电压、逆变器侧电流和网侧电流。

三相LCL型逆变器经过Clark变换进行功率解耦之后，可以等效成两个单相LCL型逆变器进行研究。根据式(1)将电网电压us当成扰动输入，可以得到并网输出电流is和并网逆变器输出电压Vo之间的传递函数为：

LCL滤波器是三阶系统，在谐振频率处会产生一个很大的过冲，为了避免谐振附近的谐波幅值放大，增大并网电流高次谐波的含量，必须采用控制抑制1。

LCL型并网逆变器控制方法电流控制策略LCL型并网逆变器的电流控制策略可分逆变器侧电感电流控制的间接电流控制策略、直接电流控制策略和两者混合控制的策略。而针对并网逆变器LCL滤波器的高频谐振问题，常采用无源阻尼控制和有源阻尼控制两种方法抑制。

无源阻尼控制有滤波器电感或电容支路串联或并联电阻四种，它实现简单，不需要额外的控制环节，但是会额外增加系统的功率损耗。有源阻尼控制主要包括虚拟电阻法、在前向通道中添加陷波滤波器、分裂电容法、零极点配置法以及电容电流补偿法等。有源阻尼法的优点是在不增加系统损耗、不影响滤波器对高频谐波的抑制能力下，通过控制算法有效抑制谐振尖峰。

（1）间接电流控制

逆变器侧电感电流反馈，通过控制电流i1间接控制并网电流i2，其控制原理如图2所示2。

图2中，ZL1、Zcf和ZL2分别为sL1、1/Cf和sL2；Ginv(s)为逆变桥传递函数。该控制系统中，输出量I2(s)与参考量I1*(s)的传递函数为：

对输出量控制特征方程进行劳斯判据分析，可以判定系统是稳定的。为了抑制电网扰动对电流控制的影响，可增加电网电压前馈控制，或者采用电网电压与电网电流双前馈的间接电流控制，以提高并网电流功率因数。

（2）直接电流控制

上述间接电流控制策略，能够实现系统稳定，但没有对并网电流进行反馈控制，使得网侧电感和滤波电容之间可能发生谐振，导致并网电流发生畸变，谐波抑制能力较差。直接电流控制，以并网电流作为控制量，典型的有源阻尼直接电流控制有逆变器侧电感电流反馈和滤波电容电流反馈，以后者最为常用。典型的电容电流和并网电流双闭环控制模型如图3所示。

图3中，Hi1(s)和Hi2(s)为电流反馈系数和并网电流反馈系数，Gi1(s)和Gi2(s)分别为电流内环和并网电流外环调节器的传递函数。图4框图进行调整，可以得出关于如的传递函数为：

从上式可以看出，只有在T无穷大时，才能完全消除ug的影响，实现iL2跟踪参考电流iref。实际上，为了保证系统稳定性，T不可能取无穷大。为此，引入电网电压前馈策略，消除ug对iL2的影响。若ug满足条件，则可以实现完全消除ug对并网电流的影响。为了实现前馈控制，进行调整简化等效处理，可以得到图4的控制框图。可以看出，内环反馈网侧电感电压微分量sCfHi1uL2，前馈分量对应ug的二次微分量。

直接功率控制策略直接功率控制具有优良的动态性能以及系统结构简单等优点，受到国内外学者的重视。传统直接功率控制采用不定频开关矢量表查询方法，开关矢量表是核心，对控制效果的影响最为明显、动态性能良好，然而存在开关频率不恒定、功率耦合和波动大的问题。针对LCL并网逆变器的直接功率控制方法，使用有源功率阻尼控制方法并结合虚拟磁链技术，省去了电压互感器，其直接功率控制结构如图5所示。

LCL型并网逆变器直接功率控制主要包括三个环节：

(1)虚拟磁链计算；

(2)有源功率阻尼控制；

(3)谐波注入环节。

基于LCL滤波器的虚拟磁链DPC在增加有源阻尼控制和谐波注入控制后，系统在稳态性和动态性方面都有提高，甚至在电网电压不平衡的条件下也可以保证良好的性能。

模拟同步电机控制策略模拟同步发电机控制方法，采用模拟同步发电机模型的控制策略使得分布式电源对电网体现同步发电机的特性，且逆变器具有调频调压调功能力。有功功率和无功功率由虚拟同步发电机分配，两者并联运行，采用频率和电压下垂机械特性，模拟同步发电机运行。基于模拟同步发电机控制的LCL型并网逆变器控制结构如图8所示3。

为使得逆变系统类似大电网同步机的优良特性，可以采用下垂特性的功率控制，提高有功和无功的响应速度，以增大系统惯量。

(1)频率下垂和有功功率的调整

对于同步发电机，原动机约束转子旋转速度，阻尼系数Dp与机械摩擦等因素密切相关。频率下垂控制环是使同步发电机均匀分担负载的一种重要方法。根据电网频率改变输出的功率分配，阻尼系数Dp表现为频率下垂系数，定义为转矩差值与角速度差值之比。

图8上半部分所示为有功功率的控制环。稳态时，角速度差为零，系统运行在功率设定值，频率发生改变时，则频率下垂机制使得系统可以自动调频，分担负载有功。

(2)电压下垂和无功功率的调整

对无功功率的调整，把无功功率的变化量与电压变化量的比值定义为电压下垂系数，与同步发电机的无功调节特性相似，即：

图8下半部分所示的无功/电压控制环，稳态时电压差值为零，系统跟踪无功功率设定值运行，当电压发生变化时，电压下垂机制使得系统可以自动调整无功以跟踪母线电压1。