尹正兵，　張　偉，　張魯華

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一種不需要電容電流傳感器的LCL濾波電路有源阻尼控制方法

尹正兵1，張偉2，張魯華1

1.上海電氣集團股份有限公司 輸配電分公司技術(shù)中心上海200042

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針對LCL濾波電路中電力電子變流器的諧振問題，提出了一種反饋虛擬電容電流的有源阻尼控制方法。根據(jù)LCL濾波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)狀態(tài)方程，再結(jié)合網(wǎng)側(cè)電壓推導(dǎo)出電容基波電流的幅值和相位，將產(chǎn)生的虛擬電容電流反饋到控制環(huán)，從而實現(xiàn)電力電子變流器LCL濾波拓?fù)涞挠性醋枘峥刂?，抑制系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。通過500kW光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗驗證了這一控制方法的有效性。

虛擬電容電流反饋； 濾波電路； 有源阻尼； 變流器

當(dāng)前在對諧波要求較高的電力電子變流器的應(yīng)用場合，單純的單電感L型式的濾波電路已經(jīng)很難滿足系統(tǒng)要求。特別是在大功率應(yīng)用背景下，較多采用的是LCL或者LC型式的濾波電路。由于LCL為三階系統(tǒng)，LC為兩階系統(tǒng)，容易引起系統(tǒng)諧振，因此有大量圍繞著抑制LCL或者LC諧振的研究文獻[1-6]?？傮w上抑制諧振的方法分為兩種： 無源阻尼控制和有源阻尼控制。無源阻尼控制通常采用在電感側(cè)或電容側(cè)串聯(lián)電阻的方法，缺點是功率損耗大，影響系統(tǒng)效率；電阻發(fā)熱量大，使變流器柜體內(nèi)的散熱設(shè)計增加了難度；串聯(lián)電阻會降低低頻段諧波的衰減幅值，影響濾波效果。在有源阻尼控制中，大量文獻和實驗發(fā)現(xiàn)反饋變流器側(cè)電感電流系統(tǒng)較易穩(wěn)定，但是在要求功率因數(shù)靈活可調(diào)控制的場合，很難通過直接給定電網(wǎng)電流指令的方法達(dá)到目標(biāo)要求[7-14]?；谏鲜鲈?，采用反饋網(wǎng)側(cè)電抗器電流的方法，首先要解決的問題就是抑制諧振。當(dāng)前的文獻提出了多種控制方法，主要為反饋電容電流或電壓至控制回路，這就需要加裝電流或電壓傳感器，會增加系統(tǒng)成本。

建立系統(tǒng)狀態(tài)方程，推導(dǎo)出電容電流與網(wǎng)側(cè)電壓幅值和相位的關(guān)系，將產(chǎn)生的虛擬電容電流反饋至控制環(huán)，無需增加額外的電流傳感器。這一方法基于基本電路原理，理論簡潔明了，實現(xiàn)方法簡單，特別適用于對諧波要求較高或有大功率電力電子變流器應(yīng)用的場合。

另外，這一方法是根據(jù)簡單的傳遞函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)而來的，因此只針對采用LCL濾波電路的變流器展開研究，對于采用LC濾波電路的變流器，可以采用類似的方法實現(xiàn)有源阻尼控制。

1　傳統(tǒng)的LCL諧振抑制方法

1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用LCL濾波電路的變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中S1～S6為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，Udc為直流母線電壓，C為電容，Grid為電網(wǎng)，L1、L2分別為變流器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電抗器，i1、i2分別為變流器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電流，ic為濾波電容電流，uc為濾波電容電壓。圖中忽略線路的電阻。

圖1　采用LCL濾波電路的變流器拓?fù)?/p>

1.2傳遞函數(shù)

LCL濾波電路的等效單線圖如圖2所示，圖中ug為電網(wǎng)電壓，R1、R2為電抗器等效電阻。

圖2　LCL濾波電路的等效圖

濾波參數(shù)設(shè)置后，網(wǎng)側(cè)電流i2主要受uin和ug影響。通常情況下，電網(wǎng)可以視作一個容量無窮大的穩(wěn)定電壓源，此時uin為系統(tǒng)的輸入，電網(wǎng)電壓ug可以視作系統(tǒng)的擾動量，由此可得到網(wǎng)側(cè)電流i2與變流器輸出電壓uin的傳遞函數(shù)：

i2(s)/uin(s)=[s3L1L2C+s2(L1CR2+L2CR1)

+s(L1+L2+R1R2C)+R1+R2]-1

(1)

1.3傳統(tǒng)的反饋電容電流控制方法

對于一般接入電網(wǎng)的變流器，可以通過外環(huán)(電壓環(huán)，一般為直流母線電壓)、內(nèi)環(huán)(電流環(huán))的方法進行控制。對于采用LCL濾波器的變流器，在沒有無源阻尼的情況下，單純使用電流內(nèi)環(huán)PI控制無法使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。由系統(tǒng)的控制性能分析可以得出，在外環(huán)的基礎(chǔ)上增加電容電流內(nèi)環(huán)的反饋量可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定[15]。電壓外環(huán)不作改變，電流內(nèi)環(huán)的控制框圖如圖3所示。

圖3　基于電容電流反饋的內(nèi)環(huán)控制圖

圖中s為拉普拉斯算子，uin、uc、ug分別為系統(tǒng)輸入電壓、電容電壓和電網(wǎng)電壓，圖中上標(biāo)帶有*的量表示目標(biāo)給定值。電抗器的等效電阻忽略不計，電容電流ic作為內(nèi)環(huán)控制變量，可以抑制諧振，增加系統(tǒng)阻尼，以達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)的目的。因為網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)要求對并網(wǎng)電流進行精確的跟蹤控制，所以一般選擇PI控制器，由此電容電流反饋環(huán)節(jié)可以使用簡單的比例控制器Kc，只需達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)的目的，而不需考慮控制精度，誤差值也不會影響網(wǎng)側(cè)電流的跟蹤精度。

2　控制器設(shè)計

2.1濾波電容電流

由圖2及圖3可知，在電流反饋環(huán)節(jié)，網(wǎng)側(cè)電流是控制目標(biāo)，需要使用傳感器采集的量。由圖2可知，濾波電容電流ic與網(wǎng)側(cè)電流i2可以通過電路拓?fù)渫茖?dǎo)得到，因此在圖3所述控制策略中，反饋的電容電流沒有必要再使用單獨電流傳感器采集。

由圖2可得：

ic=s2CL2i2+sC(R2i2+ug)

(2)

式中i2和ug都是已知量，由此時域情況下電容電流的幅值、相位為：

ic=jωC(R2i2+ug)-ω2CL2i2

(3)

式(3)進一步說明，電容電流的幅值、相位由網(wǎng)側(cè)電抗器的參數(shù)、電網(wǎng)電壓及網(wǎng)側(cè)電流決定，通常電抗器的等效電阻數(shù)值較小，可以忽略不計。此外，式(3)中等號右側(cè)第二項中濾波電容C與網(wǎng)側(cè)電感L2的乘積非常小，亦可忽略不計，因此式(3)可以改寫為：

ic≈jωCug

(4)

這樣可得，電容電流相位超前于電網(wǎng)電壓90°，幅值與電網(wǎng)電壓成正比。

2.2虛擬電容電流反饋控制

基于式(4)，通過測得的電網(wǎng)電壓，可以生成濾波電容電流，然后代替?zhèn)鹘y(tǒng)電容電流反饋中所需要使用的電流傳感器采集的電流數(shù)據(jù)，直接反饋到控制回路中?；谔摂M電容電流反饋的內(nèi)環(huán)控制框圖如圖4所示，圖中jw為算子，其它符號定義與圖3相同。

圖4　基于虛擬電容電流反饋的內(nèi)環(huán)控制圖

3　實驗驗證

3.1實驗設(shè)備

上述基于虛擬電容電流反饋的有源阻尼控制方法在500kW光伏變流器產(chǎn)品(Solar-500-315)中進行實驗驗證。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖1類似，直流電源由模擬太陽能陣列的可調(diào)大功率直流輸出電源替代，設(shè)備的額定功率為500kW，交流輸出端電壓為315V。圖5為產(chǎn)品的調(diào)試界面。

圖5　500kW光伏變流器調(diào)試界面

3.2實驗過程及結(jié)果

為了驗證所提出的有源阻尼控制方法的有效性，進行不同功率等級下的實驗，如圖6所示。圖中第1(黃色)、3(藍(lán)色)通道為網(wǎng)側(cè)電流，第2(綠色)通道為濾波電容電流，第4(粉色)通道為電網(wǎng)電壓。

圖6中a、b、c、d、e所發(fā)出的網(wǎng)側(cè)電流有效值分別為98.5A、399.4A、602.7A、701A和836A。

比較圖6中不同功率等級下的電容電流可以發(fā)現(xiàn)，其有效值基本固定在52A左右，不隨系統(tǒng)功率的變化而變化，僅與濾波電容的容值和電網(wǎng)電壓有關(guān)，由此驗證了式(4)的正確性。式(4)正是虛擬電容電流反饋控制的基礎(chǔ)。從圖6還可以看出，網(wǎng)側(cè)電流無論在何種功率等級下均沒有出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，說明本文所述方法的有效性。

4　結(jié)論

通過推導(dǎo)LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)方程，建立起濾波電容與電網(wǎng)電壓的簡單數(shù)學(xué)關(guān)系，進而在不加裝額外電流傳感器的情況下，通過電網(wǎng)電壓得到虛擬電容電流，并將之反饋到系統(tǒng)控制環(huán)，實現(xiàn)有源阻尼控制，抑制系統(tǒng)振蕩。這一方法過程簡單，理論基礎(chǔ)可靠，可以在降低變流器產(chǎn)品成本的同時獲得較高的控制性能。經(jīng)過500kW光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗，驗證了這一方法的正確性。

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圖6　反饋虛擬電容電流的有源阻尼算法功率實驗

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In view of the resonance of power electronic converters with LCL filter circuit, proposed an active damping control method for virtual feedback capacitance current. The system state equation was created depending on the topology of LCL filter circuit, and then, amplitude value and phase of fundamental current of the capacitor were derived in combination with the voltage at the side of the network, thus the created virtual capacitor current would feed back to the control loop, thereby LCL filter topology of the power electronic converter could achieve active damping control, suppression of system disturbance, and improvement of system stability. By the experiment in 500kW PV generating system it demonstrated the validity of this control method.

Feedback of Virtual Capacitance Current; Filter Circuit； Active Damping； Convertor

2015年12月

尹正兵(1979—)，男，碩士，工程師，主要從事大功率電力電子技術(shù)及其在新能源變流器系統(tǒng)中應(yīng)用的工作，

Email: yinzhengbing@126.com

TM46;TP273

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1674-540X(2016)02-052-04