LCL并网逆变器二自由度PID单流有源阻尼方法.docVIP

LCL并网逆变器二自由度PID单电流有源阻尼方法 　　摘要：提出了一种LCL并网逆变器二自由度比例积分微分（two degrees-of_fteedomPID control，2DOF-PID）单电流反馈有源阻尼控制策略，其由比例积分（PI）环节和不完全微分环节两部分构成。比例积分环节控制并网电流高质量接入电网；不完全微分环节增强LCL逆变器的阻尼系数，有效抑制系统与电网形成的谐振尖峰，提高系统可靠性与稳定性，并改善系统的动态响应速度。该方法不用增加电压和电流传感器，系统成本低。建立了2DOF-PID控制系统的传递函数，分析了系统的稳定裕度与动态特性，选取了合适的控制参数，构建了系统仿真模型和实验平台。仿真与实验结果表明：2DOF-PID控制的LCL并网逆变器的满载并网电流畸变率仅为2.2%，远低于国家标准（GB/T30427-2013）的要求；当系统从半载跳变到满载时，系统超调量低于9%，响应速度比其他方法更快。 中国论文网 /4/viewhtm　　关键词：并网逆变器；LCL滤波器；二自由度PID控制；谐振；有源阻尼 　　中图分类号：TM464 文献标识码：A 　　当前及未来几十年，人类面临化石能源逐渐枯竭及环境恶化的重大挑战，开发太阳能、风能、生物质能等新能源并实现并网发电是解决当前全球能源危机的必然趋势和选择。近年来以并网逆变器为接口的光伏并网发电系统取得了飞速发展，光伏屋顶、风光互补等分布式发电受到日益关注，并网逆变器是光伏发电系统的核心，为了减少无功损耗以及电流谐波的危害，要求逆变器输出功率因数高、输出电流谐波含量低。由于逆变器采用高频脉宽调制方式，会产生高次谐波危及系统安全与稳定运行，需要进行抑制或滤除。LCL滤波器因其高频谐波抑制能力强、总电感量及体积小，受到国内外广泛关注。同时，LCL滤波器中的网侧电感与变压器或电网阻抗相串联，还可有效降低电网阻抗变化对系统控制的影响。但由于LCL滤波器是一个低阻尼三阶系统，易产生谐振造成系统不稳定，因此对系统提出了必要的阻尼控制功能。 　　现有LCL并网逆变器的谐振抑制包括无源阻尼和有源阻尼两种方式。无源阻尼法通过在LCL滤波电容支路中串联或并联阻尼电阻，从而增加系统阻尼，抑制LCL滤波器的谐振尖峰，其易于实现。但无源阻尼串并联电阻上存在有功损耗，同时还将会削弱LCL滤波器对高频谐波的抑制效果。因此，无源阻尼方法通常被有源阻尼方法所取代。有源阻尼通过增加额外的反馈控制，如分裂电容法、零极点配置补偿法，以及电容电流补偿法等获得与无源阻尼同样的谐振抑制效果，实现方式灵活方便，且不会增加额外功耗。文献提出采样滤波器电容电流并进行反馈控制，其能够增加系统阻尼程度，实现简单灵活，但由于滤波器高频电容电流幅值较小，增加了采样精确处理控制变量数据的难度。文献提出采用滤波器网侧电感电压微分量反馈实现谐振尖峰的抑制，文献提出通过反馈滤波器的电容电压微分量实现增加系统阻尼，然而微分环节在实际工程中引入了噪音干扰信号，增加了设计难度。上述方法除了对并网电流闭环控制所需的并网电流传感器之外，均还需额外的电压/电流传感器，这不仅增加了系统硬件成本，还降低了系统可靠性。文献提出一种采用并网电流两次微分的反馈方法，实现谐振阻尼控制，无需增加额外传感器，但并网电流导函数将会带人噪声放大，造成系统振荡。 　　对此，本文提出了一种LCL并网逆变器的2DOF-PID单电流有源阻尼方法，该方法包括比例积分环节和不完全微分环节两部分，其中，比例积分环节实现并网电流高电能质量接人电网；不完全微分环节不仅增大了LCL滤波器的阻尼系数，有效抑制逆变器输出电流的谐振尖峰，而且还大幅提高了并网逆变器的动态响应速度、降低了系统超调量。在此基础上，文中合理设计了2DOF-PID控制器参数，并通过仿真与实验验证了该方法的有效性。 　　1 LCL光伏并网逆变器数学模型 　　图1为单相LCL光伏并网逆变器电路结构图。主要包括光伏阵列、Boost升压电路、全桥逆变电路、LCL滤波器。其中，Boost升压电路将光伏阵列侧能量传送到全桥逆变器的输入直流侧，同时，完成最大功率跟踪控制功能，逆变器经LCL滤波器进行滤波后，将直流侧能量以高功率因数、低谐波含量的交流电馈送至电网。图1中，upv和ipv分别为光伏阵列的输出电压和输出电流；ug和ig分别为电网电压和并网电流；iinv，iL分别为逆变器输出电压和电流；uc为滤波电容电压；电感L，电容C以及电感Lg构成LCL滤波器；R1，R2分别为电感L，Lg的寄生电阻，SW为并网开关。 　　根据基尔霍夫KVL，KCL定律，选取逆变器侧电感电流iL，并网输出电流ig及滤波电容电压uC为变量，可得LCL逆变器的状态空间方程为： 　　由式（1）可以得到LCL型逆变器系统的模型框图，如图2