基于LCL滤波的光伏逆变器网侧电流单环控制

摘要：在光伏并网逆变器系统中，LCL滤波器相比单L滤波器具有更优的滤波性能，但其引入了谐振点，降低了系统稳定性。在不增加额外无源阻尼和传感器的基础上，提出采用网侧电流单环控制策略，利用数字控制过程中的延迟环节实现了系统的稳定控制。给出延迟环节的设计方法，实现了系统良好的并网谐波特性和动态特性，最后通过实验验证了控制策略的有效性。
关键词：逆变器；光伏并网；滤波器；单环控制

1 引言
光伏发电技术近年来发展十分迅速，其中并网逆变器是光伏发电系统的重要组成部分，逆变器通过L或LCL滤波器与电网连接。LCL滤波器由于具有更佳的滤波性能，逐步代替单L滤波器在工业中得到了广泛应用。然而LCL滤波器由于存在谐振峰，给系统带来不稳定因素。目前有许多方法来解决此问题，可分为无源阻尼、有源阻尼和无阻尼方案三大类。
无源阻尼方案通过在LCL滤波器上加入无源电阻，实现对谐振峰的阻尼作用。然而无源阻尼带来了额外损耗；有源阻尼方案通过控制实现阻尼作用，避免了引入额外损耗。然而有源阻尼方案通常需使用多个系统状态变量来实现，需要额外的传感器，即使采用观测估算的方法来间接获得其他状态变量，也对系统参数敏感性较强。文献考虑数字控制本身存在延迟，用网侧电流单环控制实现了系统的稳定，是一种无阻尼方案。该方案无需额外的无源器件和传感器，控制简单，然而该文献没有分析延迟环节如何实现系统稳定，也没有给出延迟环节的设计方法。这里详细分析了延迟环节对系统稳定性的影响，确定保证系统稳定的延迟时间的范围。并分析延迟环节对系统稳态和动态特性的影响，给出一种设计方法，实现了系统良好的动稳态特性。

2 系统描述
图1示出单相光伏并网逆变器系统结构图，系统参数：LCL滤波器中，Linv=0．6 mH，Cf=5μF，Lg=0．6 mH；电网电压有效值Ug=220 V，f0=50 Hz；直流电压Udc=400 V；控制频率fc=16 kHz；控制参数Kp=10．56，Ki=18700。LCL滤波器谐振频率4 110 Hz，前后级等效串联电阻约为0．1 Ω．采用双极性SPWM，控制和开关频率均为16 kHz。控制器采用传统PI控制，参数设计方法采用对称最佳法进行设计。数字控制中的延迟环节用z-k来表示k拍的延迟，主要是由A／D转换时间，控制延迟和PWM波生成过程的延时构成。其中控制延迟可进行灵活的设计来实现对延迟时间的调节。

3 延迟环节的影响分析和设计
3．1 稳定性分析
LCL滤波器由于存在谐振峰会带来系统不稳定的问题。图2a中实线表示不考虑延迟影响时系统的开环波特图。可见，在谐振峰处，系统增益远大于零，且相角正好穿越-180°。则在该频率点系统存在一个正反馈效应，谐振点处信号会被无限放大而导致系统失稳。虚线表示延迟时间为1拍的系统波特图，可见延迟环节不会对幅值增益带来任何影响，故不会对谐振峰起到阻尼作用，然而会对相角特性产生影响。由图2a可见，延迟1拍可改变原开环系统-180°的穿越点，使该点前移到幅值增益为负的区域，从而破坏原系统的正反馈效应，保证系统稳定运行。对于任意的LCL并网逆变系统而言，要保证系统稳定，需设计延迟环节，使系统-180°穿越点发生在图2a所示的ωcut和ω1之间，且在ω2点系统相角大于-540°。定义3个相角裕度PMcut，PM1和PM2：
[p]
PMcut为截止频率相角裕度，取PM1和PM2中的较小者为谐振频率相角裕度PMres，其中θcut，θ1和θ2为系统在频率点ωcut，ω1和ω2的相角。要使系统稳定即要使公式定义的两个相角裕度都大于零，即公式给出了系统稳定区间的数学表达。图2b给出系统中两个相角裕度与延迟时间的关系，可见系统在0．65拍到1．5拍延迟时间内都稳定。

3．2 动稳态特性分析
延迟时间还会影响系统的动态和稳态特性。图3示出不同延迟时间下系统的阶跃响应和闭环增益。由图3a可见，随着延迟拍数增加，系统超调量明显增加而调节时间缩短，且延迟0．75拍以后调节时间的变化已经很小。其中延迟0．65拍由于处于临界稳定的状态，调节时间远大于延迟0．75拍和延迟1拍的系统。由图3b可见，闭环幅值曲线上存在谐振峰，谐振峰大小反应了系统对该段频率谐波的抑制能力，谐振峰越大谐波抑制能力越弱。随着延迟时间增加，谐振峰频率逐渐减小，且谐振峰先减小后增大。延迟0．75拍时系统的谐波抑制能力要优于延迟0．65拍和延迟1拍。根据上述分析，延迟0．75拍时，系统可稳定运行，且获得更优的动态和稳态性能。

4 实验
设计一台基于LCL滤波器的单相光伏并网逆变器，系统参数如第2节所述。图4示出系统在不同滞后拍数控制下，负载从峰值5 A突增到15 A时输出电流波形和稳态输出15 A时电流波形。

结果证明系统在延迟0．65拍控制下，负载突增时调节时间较长，超过10 ms，延迟0．75拍和延迟1拍控制下调节时间只有约5 ms。同时可见延迟1拍控制下负载突变时振荡较剧烈，超调量较大。从稳态效果来看延迟0．75拍控制具有最小的稳态THD=2．14％，延迟0．65拍和1拍控制下稳态谐波增加，THD分别为3．9％和3．17％。实验结果从稳定性、动态和稳态性能3个方面，验证了理论分析的正确性以及控制方案的有效性。

5 结论
基于网侧电流单环控制的LCL滤波并网逆变器，分析了延迟时间对系统稳定性的影响，给出了保证系统稳定的延迟时间的范围。进一步分析了延迟时间对系统动态和稳态特性的影响，提供了一种设计延迟时间的方法，使系统获得良好的动稳态性能。最后搭建了一台实验样机进行实验，结果证明该控制策略有效。