电气工程学报, 2015, 10(8): 40-44 doi:

理论研究

基于改进的PR调节的单相LCL双闭环电流控制并网逆变器的研究

秦为坤, 胡存刚

安徽大学电气工程与自动化学院 合肥 230601

Research on Single-Phase LCL Dual-Loop Grid Current Control Based on the Modified PR Regulator

Qin Weikun, Hu Cungang

Anhui University Hefei 230601 China

责任编辑: 杨晓花

收稿日期: 2015-03-24   网络出版日期: 2015-08-25

Received: 2015-03-24   Online: 2015-08-25

作者简介 About authors

秦为坤 男 1991年生,硕士,安徽大学电气工程与自动化学院,研究方向为光伏并网逆变器。

胡存刚 男 1978年生,副教授,安徽大学电气工程与自动化学院,研究方向为电力电子技术,光伏发电技术,电机控制技术。

摘要

LCL滤波器具有滤波特性能好、体积小的优势,被越来越广泛地应用于单相并网逆变器中,但由于其电容支路极易产生谐振,对控制电路设计不利。目前可采用多种控制策略来解决上述问题。其中,单环并网电流控制策略是严重欠阻尼系统,谐振尖峰的存在会引起电流波形畸变,PI调节器并不能使闭环系统稳定,PR调节器通过增加特定频率的电流回路增益来抑制谐波误差,但频率漂移影响和控制系统的带宽。本文采用双环电流控制策略,提出一种频率跟随的PR控制器。试验结果表明,该策略能有效解决逆变器在电网频率波动情况下进网电流谐振和进网电流的功率因数问题。

关键词： 并网逆变器 ; PI控制器 ; PR控制器 ; 频率反馈 ; 电流双闭环

Abstract

With the advantages of good filter property and small size, LCL filter is widely applied in single-phase grid inverter. However, its capacitance branch is extremely vulnerable to resonances, which are harmful to the design of control circuit, so many strategies are proposed to solve the problem. Monocyclic grid current control strategy is a severe under damped system and the existence of resonant peaks can cause the distortion of current waveform. PI regulator is unable to stabilize the closed-loop system. In terms of PR regulator, by increasing the current loop gain of specific frequency, the error of harmonic can be restricted, but the frequency variations influences and controls the band width of the system. A kind of frequency variations influences is proposed and the double loop current control strategy is adopted in the paper. The experimental result indicates that this kind of strategy can effectively solve the problem of the inverter, in the case of the grid frequency fluctuation, giving rise to the grid current resonance and the power factor of the grid current.

Keywords： Grid-connected inverter ; PI controller ; PR controller ; frequency feedback ; dual-loop current controller

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本文引用格式

秦为坤, 胡存刚. 基于改进的PR调节的单相LCL双闭环电流控制并网逆变器的研究. 电气工程学报[J], 2015, 10(8): 40-44 doi:

Qin Weikun. Research on Single-Phase LCL Dual-Loop Grid Current Control Based on the Modified PR Regulator. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(8): 40-44 doi:

1 引言

随着新能源发电技术,如光伏发电和燃料电池发电,越来越受到人们的重视,并网逆变技术的发展也成为趋势。逆变器在并网运行时,采用电流控制方式,注入电网的电流谐波是一项重要的指标。LCL滤波器虽然体积更小,进网电流质量更高,但由于是三阶系统,增加了二阶谐振零极点,容易引起振荡。目前抑制系统振荡的方法主要有有源阻尼和无源阻尼。无源阻尼通过串并联电阻抑制振荡,增加了损耗,同时使LCL牺牲了高频抑制能力。有源阻尼通过内环反馈增加系统阻尼,属于无损方式。故本文采用电容电流为内环、电感电流为外环的双环控制策略,PI调节控制时输出电压存在一定的相位差和幅值差,故外环采用PR调节实现无静差跟踪。由于实际电网频率存在波动,导致PR控制器可能无法在特定频率处获得无穷大的开环增益,故采用锁频环对电网频率的微小变化进行跟随,从而对PR控制器的基频实现微调,使开环增益尽量大。

本文采用TI公司的DSP2808为软件平台,以单向全桥逆变器为研究对象,研究了一种带频率反馈的PR控制器的双闭环电流控制器,在10kHz的开关频率下实现了并网电流高精度跟随电网电压。

2 系统结构

图1所示为带LCL滤波环节的单相全桥逆变系统在带FLL的PR调节的双闭环电流控制结构图。

图1

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图1   系统控制结构图

Fig.1   System control structure


由图1可知,并网电流作为外环,电容电流作为内环,实现了电容上并联电阻的阻尼作用,从而达到抑制系统谐振的目的。鉴于PI控制中存在稳定误差,为了提高系统的无静差稳态跟踪能力和响应速度,采用PR控制作为外环的控制方法。

PR控制通过比例谐振环节增加了特定频率的电流回路增益来抑制基波误差或谐波分量,但受到频率漂移的影响和控制系统带宽的限制。因此本文引入FLL来跟随电网频率,随时调节PR调节器里谐振点的频率,使PR调节始终处于谐振,从而增加电流回路增益。

引入频率反馈后,PR控制器的谐振频率随着电网频率变动而变动,而不是固定的50Hz,使得PR控制下的并网电流能一直跟随电网电压而基本不受频率波动的影响。引入频率反馈的PR调节传递函数为

式中,wf为通过FLL锁频环反馈回的电网角频率,其初值为电网基本角频率314rad/s。

由式 (1) 可得,电网频率没有波动时,GPRf (s) =

GPR(s),即控制器为PR调节。当电网频率发生波动,掉频或者过频时,wf能及时跟踪电网波动频率,使传递函数GPRf (s)对应的谐振频率随电网频率波动而波动,从而使其始终能满足谐振的特点。图2所示为电网频率波动为-1Hz、-0.5Hz、0.5Hz、1Hz、-5Hz、5Hz时的Bode图。

图2

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图2   频率偏移时二阶系统Bode图

Fig.2   Bode of the second-order system when the frequency offset


由图2可知,电网频率发生偏移时,wf也随之变动,系统在wf处具有无穷大的开环增益,电网频率波动对系统的影响基本可以消除。其增益为

由式（2）可知,对于任意频率的电网,A都趋向于无穷大。

闭环系统的结构框图如图3所示。

图3

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图3   闭环系统的结构框图

Fig.3   Block diagram of the closed-loop system


由图3所示控制框图可知,系统的开环传递函数为

图4所示为系统的开环Bode图。由图4可知,控制系统是稳定的。

图4

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图4   开环系统Bode 图

Fig.4   Diagram of open system


3 系统仿真及实验分析

为了验证频率反馈PR调节的有效性,对电网电压频率掉频、电网电流切换时跟随电压的能力及并网电压的THD进行了研究。根据以上分析,设计出一台1kW的试验样机。单向逆变输出电压为220/50Hz,滤波器参数为L = 3.5MH,C = 16μF,功率器件采用IGBT,开关频率为10kHz,经实验验证,选取KP = 4,KR = 100。仿真和实验条件相同,因考虑电流内环,电网掉频时频率为49Hz。

图5~图8所示为基于FLL的PR调节的电流双闭环仿真波形。其中,图5所示波形为电网未波动时正常的并网波形,进网电流THD为0.35%。图6所示为逆变器工作从满载到满载以及满载到未满载的动态仿真波形。图7所示为基于FLL的PR调节的电流双闭环仿真波形在电网过频时的电流动态跟踪波形,给定电流为8A。电流刚开始幅值和相位没有跟踪到给定电流,经过几个周期后可以完全跟随给定电流。图8所示为传统的电流双闭环掉频电流波形,给定为8A,由图8可知,由于电流幅值未跟踪给定电流,相位有一点延迟。从总体上看,系统在并网电流突变的情况下仍能够稳定运行,并能较好地跟踪电网。

图5

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图5   基于FLL 的PR控制电流双闭环仿真波形

Fig.5   Simulation waveform with PR control dual loop strategy based on FLL


图6

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图6   逆变器工作电流突变波形

Fig.6   Simulation waveform with the current mutation of inverter


图7

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图7   基于FLL的PR控制时电网掉频时的电流波形（f = 49Hz）

Fig.7   Simulation waveform with PR control power grid frequency fall based on FLL（f = 49Hz）


图8

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图8   电网掉频时传统的电流波形

Fig.8   Simulation waveform with power grid frequency fall by traditional methods


图9~图12所示为基于FLL的PR控制电流双闭环逆变器实验波形。其中,图9所示为电网正常情况下的进网电流波形,THD = 0.44%,PF = 0.995;图10、图11所示为并网电流从2.4A突变到4.8A和从3.2A突变到2.4A的动态实验波形,此时电流的THD分别为7.5%和6.8%,PF分别为0.978和0.988;图12所示为电网频率由50Hz突变到49.5Hz时电流的动态实验波形。从实验结果可以看出,基于FLL的PR控制器的电流双闭环控制器抑制了LCL的低频振荡,具有优良的动态性能,而且对电网频率波动具有较快的动态反应。

图9

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图9   基于FLL的PR控制电流双闭环波形

Fig.9   Experimental waveform with PR control dual loop strategy based on FLL


图10

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图10   并网电流从2.4A突变到4.8A时的波形

Fig.10   Grid current dynamic response（2.4A→4.8A）


图11

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图11   并网电流从3.2A突变到2.4A时的波形

Fig.11   Grid current dynamic response（3.2A→2.4A）


图12

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图12   电网频率掉落变化波形（f = 49Hz）

Fig.12   Experimental waveform with power grid frequency fall（f = 49Hz）


4 结论

采用并网电流和电容电流双闭环控制的LCL滤波逆变器可以抑制谐振尖峰,具有良好的动态性能,引入PR调节可以在基频时增加电流回路增益来抑制谐波误差,使系统动态性能更好,但却存在频率漂移的问题。本文通过仿真和试验验证,引入频率反馈的PR调节可以对电网频率漂移引起的谐波具有抑制作用。

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针对LCL滤波的并网逆变器电流控制时存在的系统稳定性和稳态误差与谐波失真等问题，提出了一种新的电流反馈控制技术。新的控制策略将LCL滤波器的电容按特定比例分成并联的前后两部分，通过测量中间电流并作为反馈信号控制逆变器输出，从而使受控系统的特性从三阶系统转换为一阶系统，控制性能得以改善，便于实现稳定误差和电流谐波失真的减小。本文给出了该控制策略的理论依据和实现方法，分析比较了新方法与传统控制方法的特性差异。通过对5kVA燃料电池逆变并网发电电源的试验验证了该控制策略。

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针对并网逆变器LCL输出滤波器三阶系统的不稳定性和电流谐波所带来的损耗问题，推导电感比、阻尼电阻值与谐振频率、电流谐波衰减比以及阻尼损耗之间的关系表达式，以此为依据，提出一种在保证滤波性能的前提下阻尼损耗最小的滤波器参数优化设计方案。优化方案在保证滤波效果的同时，可以减小电感取值，降低阻尼损耗，尤其适用于大中功率场合。仿真和实验结果验证了理论的正确性和优化方案的有效性。

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