发表在专业电力电子
收到了2011年12月28日
修订2012年8月12日
接受了2012年10月29日
doi:10.1049 / iet-pel.2012.0192
在弱电网情况下，对用于电网连接LCL逆变器电流控制的评价
Jinming Xu, Shaojun Xie, Ting Tang
自动化工程学院、南京航空航天大学,Yudao街29号,
江苏南京210016,中华人民共和国
电子邮件:xjinming01@163.com
摘要:通过LCL型滤波器可以有效地减弱发电逆变器开关谐波。为了抑制共振和保证良好的性能,有许多策略(如主动阻尼(AD),谐波谐振控制,重复控制和网格前馈)。然而,在实际的应用中广泛变化的电网阻抗影响着系统的稳定性。因此上述方法需要进一步的研究评估，本文以弱电网的整体控制情况下，使用一个稳定性判据研究评估每个部分的适用性。基于反馈广告控制可以在广泛的电网条件下工作得很好已经被证明了。然而,共振和重复控制方法虽然满足约束条件，但网格前馈方法带来了额外的正反馈路径以及会导致高次谐波甚至不稳定。最后,对系统设计提出了建议，并进行模拟和实验验证分析。
1介绍
随着基于可再生能源分布式发电的发展，逆变器得到了越来越多的关注。用于电网连接的逆变器所出现的困难已经在[1]进行分析,它由直流电压控制,锁相环(PLL),滤波器和低频电流控制器组成。其中,为抑制开关频率谐波引起的脉冲宽度，调制(PWM),L型或LCL型滤波器是必需的(2、3)。与L型滤波器相比,LCL型滤波器是一个有着minus;60 dB/decade高阶低通滤波器，其衰减的频率高于共振频率,从而保证更好的高频谐波。因此,LCL型过滤器有效地削弱谐波。然而,由三阶共振引起的谐波对滤波器整体控制提出了更高的要求。
首先,系统响应被严重影响。虽然在低频范围内LCL型滤波器与L型滤波器也有类似的性能,许多研究人员直接将L型放入LCL型滤波器控制的系统(第4 - 9)。当共振频率高时单电网电流控制工作稳定，减少共振频率,性能恶化或出现不稳定，这在[4]分析指明。在[5,9],带宽单回路控制很低,以避免共振也被证明。除此之外,一些研究人员试图通过逆变器的电流反馈来实现闭环控制并发现比电网电流控制来得更加稳定(6 - 8)。然而,这实际上是一种间接控制方法，对于电网电流不能提供良好的可控性。总之,与单回路控制方法相比系统不能同时保证带宽和抑制共振。因此,在他们之间必须有个权衡。
为了解决这个问题,一个在滤波电容器用被动的电阻器的想法在[2]中被报道。它操作简单,能良好地抑制共振;然而,功率损耗和削弱高频谐波是无法兼容的。另外,基于额外的反馈控制的主动阻尼(AD)被提出以取代被动的方法。典型的应用可以分为基于电容电流的AD反馈(8、10 - 13),电容器电压反馈(13、14)和多变量反馈[15]。这些常用的方法已经被证明是能良好地抑制共振。
其次,准确的跟踪性能也是一个重要的问题,尤其是当网格畸变非常糟糕时。由于网格畸变的主要原因,网格前馈能保证良好的性能[16]。此外,一个达到极高循环的谐波谐振控制器,对基本组件和谐波(6、7、9)获得完美的跟踪。然而,为了消除重调和,重调和谐波控制器是必需的。因此,相比前馈谐振控制方法这更加复杂。在为了改善这种情况,Loh[17]提出了一种新颖的重复控制器只需用一个简单的结构可以实现重调和的抑制。这部控制器已被验证用L型逆变器来实现。
上述研究证明现有的LCL型逆变器在一个僵硬的网格情况下可以实现令人满意的性能。AD控制,可以高度衰减共振,重复控制或网格前馈,谐波电流引起的网格畸变。然而,在实际应用中,由于大量的分布式发电,远距离输电电线和变压器、电网从公共连接点(PCC)的意义实际上有大量感应阻抗[6]。在这种情况下,弱电网情况可能挑战系统稳定性和控制设计。
在[18]中由SUN提出的研究表明,栅极电流会很大当低频谐波干扰大的电感器。在[6]中,过滤自然共振频率和系统带宽减少随着电网阻抗的增加,谐波谐振控制器会导致低频谐波甚至不稳定已经被Liserre等人证明了。为了改善这些,采用了阻尼的方法。通过安置一个额外的pole-zeros使共振频率响应得到改善;然而,在广泛的阻抗变化情况下,频率变化很大程度上和效果很难保证。在[19],一个控制器对系统的不确定性提出了消除网格参数变化的影响。然而,它的设计需要观察方法及其收敛性研究。设计过程是很困难的。在加布等[20]在一个弱电网情况使用稳健设计方法来解决这个问题;然而,它只适合一个小电网阻抗。除此之外,另一种方法是检测电网阻抗和调整控制参数来实现不同的电网条件。然而,它需要一个精确的在线参数估计方法,并可能减少当前的质量的方法,例如,添加一个网格中的定期特定谐波电流和采用PCC电压措施[21]。
总之,寻找控制简单和良好的电网适应性的策略仍然是一个艰巨的任务。前提是明确熟悉网格对系统控制的影响。然而,现有的知识仍然缺乏。[6]的研究只表明所提供的不稳定现象和实验验证;然而,原因显然没有被研究。解决的可能性LCL滤波器重复控制逆变器也需要调查。除此之外,AD在弱电网情况下没有分析,随着网格前馈方法当电网阻抗变化大。本文旨在填补上述空白,提供设计建议,促进研究弱电网的情况。
本文组织如下。第二节提出了一种频域稳定性判据并描述了逆变器拓扑。AD的研究,共振,重复控制和网格前馈僵硬和弱电网例子中在章节3和4中分别分析。然后在第五节,将上面的分析结果验证。最后,第六节总结本文并提供了一些建议。
2稳定性判据和系统描述
2.1稳定性判据
最基本的标准是Ruth的标准。然而,对于一个高阶ＬＣＬ系统,很难用这一标准。因此,采用频域稳定性判据。对于一个系统,如果它的开环对数振幅和相位频率响应曲线绘制,指示为L(omega;)和w(omega;),分别将稳定闭环如果(1)中所示的标准被满足[22]。
图1单相发电LCL滤波逆变器
（１）
P代表积极的开环极点实部;N Nminus;,分别表示倍w(omega;)穿过(2 m 1)pi;-line向下和向上的方向当L(omega;)gt; 0时,m = 0,plusmn;1,plusmn;2,hellip;这指出,在逆变器与L或LCL、P等于零。因此,可以简化稳定性判据。
（２）
2.2系统描述
通过坐标系变换[1],一个三相系统可以相当于两个单相系统。一般来说,对单相发电LCL-filtered逆变器的电流控制进行了探讨。如图1所示,整个系统由inverter-side电感L1、滤波电容C1,grid-side电感L2,直流环节电压udc,逆变器输出电压uinv,PCC电压ug(采样前馈和锁相环组成的电网阻抗Lg和实际电网),逆变器当前电流,电容电流iC1当前电网电流。uinv和电网电流关系(3)所示。电网电流很容易产生共鸣共振频率。此外,随着电网阻抗的增加,频率降低。
（３）
（４）
3在僵硬的电网情况下控制
Ｗessels et al。[10],Xu et al。[11],Liu et al。[12],Dannehl等。[13]表明,比例电容电流反馈能有效地抑制共振。此外,基于电容电流和电压和AD方法有一些相关性[13]。因此,AD基于电容电流通常是选择进行分析。在一个僵硬的网格情况下,电网阻抗很小,我们可以忽视和ug =us。总体控制图2所示,其中iref是参考电流,um调制波和kpwm代表了脉宽调制增益(为简化,等于1)。
图2在僵硬的电网情况下电流控制结构
3.1AD反馈
为了执行AD设计,一个简单的比例积分(PI)控制器被选为外环调节器Gc(s)。根据Dannehl et al .[4],最优PI参数表示为
（5）
fs是开关频率。开环传递函数是(下标“_o”表示开环)
(6)
波德图是图3所示。AD过滤参数分析L1 = 0.6 mH,L2 = 0.36 mH,C1 = 7mu;F和fs = 15 kHz。显然,当kc很小(例如等于1),相位曲线穿过minus;pi;-lineomega;res只有一次;然而,振幅曲线高于0数据库行。根据稳定性判据,N = 1,Nminus;= 0,和不稳定。随kc的增加(例如大于5,和N = 0),阻尼系数提高,峰值高度衰减;然而,相位利润减少,可能会导致一个糟糕的瞬态响应。因此,为了维持足够的稳定的利润率,kc是选为16时增益和相位利润10.4 dB和57.8°。
图3开环特性与PI控制和AD
3.2谐波谐振控制器
谐波谐振控制器可以表示为
(7)
kp代表比例的部分,n是谐波,omega;0是基本角频率(在这里,100pi;rad / s),alpha;表示的阻尼谐振控制器和ki和alpha;确定谐波频率响应的放大。滤波器参数谐振控制和重复控制研究:L1 = 0.755 mH,L2 = 0.125 mH和C1 = 22mu;F。自谐振控制部分有轻微影响滤波器的共振频率周围的性能,设计方法在前一节中可以应用于广告和比例部分设计,也就是说,kc = 19和kp = 6.6。除此之外,要指出,电网频率将有一个小的变异和不可能实现对此和极高的gain-featured谐振控制。为了保证电网频率带宽内的谐振控制[9],alpha;为6。然后,开环传递函数的产品(3)和(7)
(8)
表1显示了截止和交叉频率不同的控制器集中在不同的频率。当omega;lt;omega;C1和omega;C2 lt;omega;lt;omega;C3,条件L(omega;)gt; 0满意;跨界车阶段发生在omega;X1,omega;X2omega;X3下行,向上和向下的方向,分别。只有部分比例(表1中第一种情况),截止频率大约是1.3 kHz和交叉发生约3.3 kHz。阶段w(omega;)穿过minus;pi;的频率,在L(omega;)lt; 0和N Nminus;都是零。系统是稳定的和适当的利润。此外,插件13谐振控制器不会引起不稳定,因为没有发生交叉omega;0的13倍左右。然而,随着n的增加,相曲线穿过minus;pi;在nomega;0向下的方向(L(omega;)gt; 0,n = 1)。显然,当第37或第43谐振控制器,向上交叉频率大于omega;C3。附加相位变化导致不稳定时,向上交叉变化范围,在L(omega;)lt; 0,或者即使没有向上交叉发生如果集中频率太大,例如在LCL谐振频,注意一件事,虽然与第31稳定谐振控制器距离太近，omega;C2omega;X1或omega;C3omega;X2意味着稳定的利润会相对较小。建议设计插件谐振控制器集中在频率低于P-controlled系统的截止频率(omega;C1第一行的表1)。
表1截止,交叉频率和稳定与系统控制的标准
3.3重复控制器
重复控制器在[17]提出的框架(9)所示。控制器的延迟部分可以很容易地通过模拟或数字控制实现。Td表达了延迟时间。以防Td 1/6基本周期,该控制器实现了谐振控制(6 kplusmn;1)倍基频,k是一个无限的整数。因此,这种重复控制器可以相当于谐振控制器,如(10)所示。
（9）
（10）
正如3.2节中所讨论的,为了稳定和良好的性能,为中心频率是有限的。然而,k可以大到足以使中心频率超过截止频率。因此,重复控制器会导致LCL-filtered系统的不稳定。
3.4网格前馈方法
从图2,网格前馈补偿,栅极电压的传递函数表示为栅极电流
（11）
只要前馈功能不发生在分母,它不影响系统稳定的僵硬的网格。为了全面补偿电网的影响,前馈功能
（12）
这个结果在[16]中被统一。比例的部分是主要负责低频畸变，一阶和二阶微分补偿器主要实现中频和高频电网谐波抑制。
4控制弱电网的情况
在弱电网情况下,电网阻抗变化大,例如,Lg将接近或高于发电逆变器的总电感。与此同时,系统采样和控制参数保持不变,需要调查和鲁棒性。相当于总体控制图4所示。只要表达的PCC电压前馈功能(13)采样,前馈实际上引入了额外的栅极电流反馈回路。以下的参数
（13）
同上述相应的分析部分。
图4在弱电网情况下等效电流控制结构
图5开环反应和弱电网情况下AD
4.1 AD反馈
为了分析AD适用性,额外的反馈回路由电网引入前馈一直被忽视这部分。开环传递函数可以表示为(,下标“_Lg”代表了弱电网)(见(14))
表示Lg =beta;·(L1 L2),开环特性对不同网格条件下如图5所示。使用的标准,即使电网阻抗变化很大程度上稳定仍是保证(N N =minus;= 0)。此外,在电网阻抗等于总电感,交叉频率降低近30%的僵硬的网格情况下,增益裕度增加,这表明滤波器共振抑制性能变得更好。同样,只要PI调节器的零保持不变和截止频率降低主要阶段是略有下降,这表明低频拒绝可能会成为可怜的;然而,阶段的利润仍约45°,低频拒绝实际上几乎没有变化。此外,当Lg变得更大、交叉和截止频率降低缓慢,和稳定的利润仍然几乎不变。总之,AD能保证有效的共振拒绝与广泛的电网阻抗变化;和低频谐波电流几乎
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