基于网侧电流估算的LCL型光伏并网逆变器控制方法

收稿日期 ： 2015-03-27 。基金项目 ： 国家自然科学基金项目 （ 61374049 ）。作者简介 ： 尹 泉 （ 1968- ）， 男 ， 博士 ， 研究方向为电力电子应用以及伺服控制技术 。 E-mail ： guohu_email@163.com基 于 网 侧 电 流 估 算 的 LCL 型 光 伏 并 网逆 变 器 控 制 方 法尹 泉 1， 郭 虎 1， 王庆义 2， 罗 慧 1， 卢荣辉 1（ 1. 华中科技大学 自动化学院 多谱信息处理技术国家级重点实验室 ， 湖北 武汉 430074； 2.中国地质大学（ 武汉 ） 自动化学院 ， 湖北 武汉 430074）摘 要 ： 在 LCL 型并网逆变器中 ， 逆变器侧的电流传感器具有安装简易 、 开关模块保护动作灵敏等优点 。 通过比较 LCL 型并网逆变器采用网侧电流反馈和采用逆变器侧电流反馈的控制结构得出 ， 采用网侧电流反馈具有更好的谐波抑制能力 。 在此基础上 ， 文章提出了一种采用逆变器侧电流来估算网侧电流的方法 ， 并将估算结果代替网侧电流的检测值 ， 最后将网侧电流估算反馈控制与逆变器侧电流反馈控制的性能做对比 。 搭建了 LCL 型逆变器仿真模型和物理实验平台 ， 仿真结果和实验结果验证了该网侧电流估算方法的正确性 。关键词 ： 并网逆变器 ； LCL 型滤波器 ； 网侧电流估算中图分类号 ： TM46 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1671-5292 （ 2015） 09-1312-05可再生能源Renewable Energy Resources第 33 卷 第 9 期2015 年 9 月Vol.33 No.9Sept. 20150 引言目前基于 PWM 调制的电压型并网逆变器在分布式发电系统中得到了广泛应用 [1]。 为了抑制并网逆变器注入电网中的高频谐波电流 ， 国内外许多学者将 LCL 型滤波器代替传统的单电感滤波器应用到并网逆变器中 ， LCL 型滤波器利用较小的电感值就可以达到显著的滤波效果 [2]。LCL 型滤波器是一个三阶系统 ， 且存在一个固有谐振频率点 ， 容易引起系统发生谐振 [3]， 常用无源阻尼 [4]和有源阻尼 [5]， [6]的控制方法增强系统稳定性 。 有源阻尼控制通常需要额外引入反馈变量 ，构成多环控制结构 ， 这将使得系统的控制策略变得复杂 ， 而无源阻尼控制的控制策略较为简单 ， 但会增加系统的损耗 。LCL 型并网逆变器电流内环反馈可以选择网侧电流反馈 [7]或逆变器侧电流反馈 [8]。 逆变器侧电流反馈控制是间接控制 ， 网侧电流反馈是直接控制 ， 后者可以更好的抑制网侧电流谐波 。 在工程应用当中 ， 在逆变器侧安装电流传感器具有安装简易 、 开关模块保护动作灵敏等优点 。 本文采用无源阻尼控制 ， 提出了一种网侧电流的估算方法 ， 然后将估算出的网侧电流作为反馈来参与逆变器控制 ， 并与逆变器侧电流反馈控制做了比较 。 最后通过仿真和实验对本文所提出的网侧电流估算方法进行了验证 。1 系统工作原理滤波电容支路串联阻尼电阻的三相 LCL 型并网逆变器的拓扑结构如图 1 所示 。由图 1 可得 ， 逆变器侧输出电压 ui 与网侧电流 ig 之间的传递函数关系为igui= CRs+1LgCLs3+C（ L g+L） Rs2+（ L g+L） s （ 1）由式 （ 1） 可以得到 ， 阻尼电阻 R 从零开始逐渐增大时的系统波特图 。从图 2 中可以看出 ， 随着阻尼电阻的增大 ， 系统的谐振峰将减小 ， 这将有助于增加系统的稳定图 1 基于 LCL 滤波的三相逆变器拓扑结构Fig.1 Topologyof three-phase inverter with LCL filteru dc CdcT1 T3 T5T2 T4 T6ui iLLLC C CL gLgLg i g eaebec· 1312·DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.09.006性 。 在控制系统设计中既可以采用网侧电流反馈又可以采用逆变器侧电流反馈 ， 下面将分别分析这两种电流反馈模式下的系统控制结构和特性 。2 网侧电流反馈和逆变器侧电流反馈模型当以逆变器侧电流作为反馈时 ， 逆变器的电流环控制结构图如图 3 所示 。图中 K p 和 Ki 分别为电流环 PI 调节器的比例 和 积 分 系 数 ； i* 为 电 流 环 给 定 ； K pwm 为 桥 路PWM 等效增益 ； ui 为逆变器侧输出电压 ； ug 为电网电压 。当以逆变器侧电流作为反馈时 ， 网侧电流的闭环传递函数为i g（ s） = Q1（ s）D1（ s） i* （ s） - P1（ s）D1（ s） ug（ s） （ 2）式中 ：D1（ s） =LL gCs4+（ KpK pwmLg+LgR） Cs3+（ L+Lg+KiK pwmL gC+K pwmKpRC） s2+Kpwm（ K p+K iRC） s+KiK pwmQ1（ s） =Kpwm[KpRCs2+（ Kp+KiRC） s+Ki]P1（ s） =LCs3+C（ KpKpwm+R） s2+（ 1+KiK pwmC） s以电网侧电流作为反馈时 ， 逆变器的电流环控制结构图如图 4 所示 。由图 4 可得 ， 以网侧电流作为反馈时网侧电流的闭环传递函数为ig（ s） = Q2（ s）D2（ s） i* （ s） - P2（ s）D2（ s） ug（ s） （ 3）D2（ s） =LL gCs4+（ L+L g） Cs3+（ L+Lg+KpK pwmRC） s2+Kpwm（ Kp+K iRC） s+K iK pwmQ2（ s） =Kpwm[KpRCs2+（ Kp+KiRC） s+Ki]P2（ s） =LCs3+RCs2+s2由式 （ 2），（ 3） 可知 ， 在不考虑给定电流 i * （ s）影响的情况下 ， 网侧电流 ig（ s） 受到电网电压 ug（ s）中背景谐波的影响 。 为了比较两种电流反馈控制方式下电网电压中背景谐波对网侧电流影响的大小 ， 则有 ：P1（ s）D1（ s） -P2（ s）D2（ s） =P1（ s） D2（ s） - P2（ s） D1（ s）D1（ s） D2（ s） （ 4）令 D3（ s） =P1（ s） D2（ s） - P2（ s） D1（ s）， 且有D3（ s） =L 2C2Rs6+（ KpwmKp+R） LRC2s5+[LR+LK pwmKp+RCKpwm（ K pwmKp+Ki L） ]Cs4+[K2pwmK pC（ Kp+2KiRC） +K pwmKiLC]s3+K 2pwmK iC[2Kp+KiRC]由于 D3（ s） >0， 则有 ：P1（ s）D1（ s） -P2（ s）D2（ s） >0 （ 5）结合式 （ 4），（ 5） 可知 ， 在相同的电网电压背景谐波条件下 ， 网侧电流反馈控制受电网电压背景谐波的影响小于逆变器侧电流反馈控制 ， 因而网侧电流反馈控制具有较好的谐波抑制能力 。本文提出一种采样逆变器侧电流来估算网侧电流方法 ， 并用估算的网侧电流代替网侧电流检测值参与控制 ， 网侧电流的估算模型如图 5 所示 。图 5 的单相 LCL 滤波器结构中 ， 根据基尔霍图 4 网侧电流反馈闭环控制结构图Fig.4 Close-loop control schemewith grid side currentfeedback图 3 逆变器侧电流反馈闭环控制结构图Fig.3 Close-loop control schemewith inverter sidecurrent feedback图 5 单相 LCL 滤波器Fig.5 Single-phase LCL filteri * Kp+K 1S Kpwm uiuc i1LS1CS +R1L gSucug igi* Kp+K1S Kpwm uiuc i1LS1CS +R1LgSucug i gi L Lg igui ucCReg图 2 阻尼电阻变化时系统波特图Fig.2 Bodeplot with dampingresistancechanging频率 /Hz102 103 104R=0.5ΩR=2Ω 无阻尼150100500-50-100幅值/dB-90-135-180-225-270相位/°· 1313·尹 泉 ， 等 基于网侧电流估算的 LCL 型光伏并网逆变器控制方法夫电流定律可得 ：uc（ s） - eg（ s） =i g（ s） Lgs （ 6）uc（ s）R+1/Cs +ig（ s） =i（ s） （ 7）由式 （ 6），（ 7） 可得 ：i g（ s） = 1+RCsLgCs2+RCs+1 i（ s） -CsLgCs2+RCs+1 eg（ s）（ 8）由式 （ 8） 可知 ， 在已知 LCL 滤波器参数 、 阻尼电阻 、 逆变器侧电流和电网侧电压的情况下 ， 就能估算出网侧电流 ， 该网侧电流估算方法代替在网侧安装电流传感器 ， 并将其作为反馈电流参与控制 。基于网侧电流估算的控制框图如图 6 所示 。3 仿真和实验结果为了验证上述控制策略以及理论分析的正确性 ， 利用仿真软件建立了 LCL 并网逆变器仿真模型 ， 并按照仿真参数搭建了物理实验平台 ， 系统的主要参数 ： 网侧电感 L g 为 0.5 mH、 滤波电容为 20μ F、 逆变器侧电感为 1.6 mH、 阻尼电阻为 2 Ω 、 开关频率为 5 kHz、 母线电压为 660 V、 输出功率为22 kW。仿真中为了模拟实验室的电网畸变情况 ， 在网侧电压源中分别注入 3 次 ， 5 次 ， 7 次 ， 11 次 ， 13次谐波 ， 各次谐波所占基波的百分比依次为 3% ，2.2%， 1.1%， 0.2%， 0.3%.仿真中 ， 在 dq 旋转坐标系下基于检测的网侧电流有功分量 i gd 和基于估算的网侧电流有功分量 i gdf 如图 7 所示 。由图 7 可以看出 ， 网侧电流估算算法能够跟踪检测得到网侧电流 ， 因而可以用网侧电流估算算法代替网侧电流检测 。基于逆变器侧电流反馈控制下的三相网侧电流仿真波形如图 8 所示 ， 此时网侧电流 THD 为3.3%。 基于网侧电流估算反馈控制下的三相网侧电流仿真波形如图 9 所示 ， 此时网侧电流 THD 为2.7%。 仿真结果表明网侧电流估算反馈比逆变器侧电流反馈有更好的谐波抑制能力 。图 9 网侧电流估算反馈控制网侧三相电流仿真波形Fig.9 Grid-side current waveformof estimatedgrid-sidecurrent feedback control in simulation图 6 LCL 型逆变器网侧电流估算控制Fig.6 Grid current estimationcontrol schemeforinverter with a LCL filter图 7 网侧电流检测和网侧电流估算条件下的电流有功分量Fig.7 Active componentunder grid-side current sampling andestimation图 8 逆变器侧电流反馈控制网侧三相电流仿真波形Fig.8 Grid-side current waveformof inverter-side currentfeedbackcontrol in simulation三相电网LCL滤波器网侧电流估算eaebeciaibici dcUdcU*dcPIidrefi a， b， cea， b， c SVPWMi diqUαUβPIPIiqref=0α ， βd， qi gdigdf1.141.131.121.111.1.09电流有功分量/put/ms0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2050403020100-10-20-30-40-50电流/At/ms0 5 10 15 20 25 30 35 4050403020100-10-20-30-40-500 5 10 15 20 25 30 35 40t/ms电流/A· 1314·可再生能源 2015， 33（ 9）对实验室电网电压进行谐波分析 ， 其中 3 次 ，5 次 ， 7 次 ， 11 次 ， 13 次谐波所占基波百分比依次为 2.475%， 1.187%， 0.721%， 0.12%， 0.582%。 基于逆变器侧电流反馈控制下的三相网侧电流实验波形如图 10 所示 ， 此时网侧电流 THD 为 2.78%。 基于网侧电流估算反馈控制下的三相网侧电流实验波 形 如 图 11 所 示 ， 此 时 网 侧 电 流 THD 为2.118%。 实验结果也表明网侧电流估算反馈比逆变器侧电流反馈有更好的谐波抑制能力 。4 结论本文分析了 LCL 型逆变器网侧电流反馈和逆变器侧电流反馈的控制结构 ， 得出在电网背景谐波相同的条件下 ， LCL 型逆变器网侧电流反馈控制的谐波抑制能力优于逆变器侧电流反馈控制 。 提出了一种采用逆变器侧电流来估算网侧电流的方法 ， 并将该估算算法代替网侧电流检测 。 通过比较估算得到的网侧电流的有功分量和采样得到的网侧电流的有功分量 ， 验证了估算算法代替网侧电流检测的可行性 。 在仿真和实验中分别将估算得到的网侧电流作为反馈与直接采样逆变器侧电流作为反馈时的网侧电流 THD 做了对比 ， 最后证明该网侧电流估算算法有效 。参考文献 ：[1] Blaabjerg F， Teodorescu R， Liserre M.Overview ofcontrol and grid synchronization for distributed powergeneration systems [J].IEEE Trans. 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Pro-ceedings of the CSEE， 2012， 32： 1-7.图 10 逆变器侧电流反馈控制网侧三相电流实验波形Fig.10 Grid-side current waveformof inverter-side currentfeedback control in experiment图 11 网侧电流估算反馈控制网侧三相电流实验波形Fig.11 Grid-side current waveformof estimatedgrid-sidecurrent feedback control in experimentt/ms电流/A0 25 5040200-20-40t/ms电流/A0 25 5040200-20-40· 1315·尹 泉 ， 等 基于网侧电流估算的 LCL 型光伏并网逆变器控制方法LCL type photovoltaic inverter control based on grid-sidecurrent estimationYin Quan1， Guo Hu 1， Wang Qingyi 2， Luo Hui 1， Lu Ronghui1（ 1. Automation Institute HuazhongUniversity of Science and Technology （ National Key Laboratory of Science andTechnologyon Multispectral Information Processing）， Wuhan 430074， China； 2. Automation Institute China Universityof Geosciences（ Wuhan）， Wuhan 430074， China）Abstract ： Comparedto be installed in the grid-side ， it has some advantagesthat current sensorsareinstalled in the inverter-side ， such as simple installing ， sensitive protection for switch module andsoon in a project application. By comparing the control structure of using grid-side current feedback withinverter-side current feedback in the LCL type grid-connected inverter， the conclusion is that grid-side current feedback has better harmonics suppression.After investigating the circuit of LCL filter ， amethod is proposedto estimate the grid-side current. Then the estimated grid-side current is used infeedback control， which is comparedwith inverter-side current feedback. A simulation module of LCLinverter and a physical experiment platform were built. The simulation results and experimental resultsverify the correctnessof the estimation methods.Key words ： grid-connected inverter； LCL filter ； grid-side current estimation· 1316·可再生能源 2015， 33（ 9）