魏 超，施火泉，張 敢

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

耦合量前饋的并網(wǎng)逆變器解耦控制

魏 超，施火泉，張 敢

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

傳統(tǒng)的基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的LCL型并網(wǎng)逆變器電流雙閉環(huán)控制策略，在建立逆變器模型時，直接忽略了d軸和q軸之間的耦合關(guān)系。這樣會造成系統(tǒng)模型的不準(zhǔn)確，影響控制效果，為此提出了一種基于耦合量前饋的解耦策略。在各軸加入其他軸的耦合分量，耦合分量的大小和本軸被控對象實際產(chǎn)生的耦合量大小相等、方向相反。通過這種耦合量前饋補(bǔ)償?shù)牟呗宰罱K消除了d、q軸之間的耦合關(guān)系，提高了系統(tǒng)控制模型和控制性能的精確性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制性能，提出了一種基于頻率特性的新型控制器參數(shù)設(shè)計方法。該方法可以準(zhǔn)確計算出內(nèi)外環(huán)控制器的參數(shù)，解決了傳統(tǒng)控制器參數(shù)設(shè)計過程中需要反復(fù)試湊的問題。MATLAB仿真結(jié)果表明，所提出的控制策略取得了良好的解耦效果，并網(wǎng)電流的總諧波失真較小，實現(xiàn)了高功率因素并網(wǎng)。

LCL型逆變系統(tǒng)； 控制器； 耦合量； 前饋解耦； 電流雙閉環(huán)； 數(shù)學(xué)模型； 頻率特性

0 引言

利用太陽能、風(fēng)能等新能源進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電時，通常需利用并網(wǎng)逆變器將這些新能源得到的直流電轉(zhuǎn)化為交流電[1-3]，并采用LCL型濾波器濾除逆變器輸出交流電中含有的高頻諧波分量。為了滿足并網(wǎng)需要，對LCL型三相逆變系統(tǒng)進(jìn)行控制?；赿q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的LCL型三相逆變系統(tǒng)控制模型只需采用PI控制器，便可實現(xiàn)并網(wǎng)電流的無凈差控制，且PI控制器的參數(shù)設(shè)計簡單[4]。但在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，控制模型的d、q軸之間存在耦合關(guān)系。傳統(tǒng)的控制模型直接忽略這些耦合項，這樣會造成系統(tǒng)模型的不準(zhǔn)確，影響控制效果。

本文首先提出了一種前饋解耦策略，通過相應(yīng)耦合量的前饋補(bǔ)償，消除d、q軸之間的耦合關(guān)系。然后提出了一種并網(wǎng)電流和電容電流反饋的電流雙閉環(huán)控制策略。通過電容電流內(nèi)環(huán)增加系統(tǒng)阻尼，抑制系統(tǒng)諧振，再利用并網(wǎng)電流外環(huán)實現(xiàn)并網(wǎng)電流高功率因素并網(wǎng)。最后提出一種基于頻率特性的新型控制器參數(shù)設(shè)計方法。該方法解決了傳統(tǒng)設(shè)計方法中需要反復(fù)試湊的問題。仿真結(jié)果表明，在該控制策略下，d、q軸之間實現(xiàn)了完全解耦，系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)良，滿足了系統(tǒng)高功率因數(shù)并網(wǎng)的要求。

1 LCL型三相逆變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

LCL型三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中：Udc、Idc分別為直流側(cè)電壓和電流；L1、L2分別為逆變器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電感；Cf為濾波電容；Ua、Ub、Uc為三相逆變橋的輸出電壓；Ea、Eb、Ec為a、b、c相的電網(wǎng)電壓；i1a、i1b、i1c分別為a、b、c相逆變器側(cè)電流；i2a、i2b、i2c分別為a、b、c相的網(wǎng)側(cè)電流；iCa、iCb、iCc分別為a、b、c相濾波電容電流[5-6]。

根據(jù)圖1可以得到LCL型三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

將式(1)～式(9)經(jīng)Clark、park和拉氏變換后，可得：

(10)

(11)

(12)

(13)

根據(jù)式(10)～式(13)可得LCL型三相逆變系統(tǒng)在dq坐標(biāo)系下的系統(tǒng)模型，其框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模型框圖

從圖2可知，在dq坐標(biāo)系下LCL型三相逆變系統(tǒng)中逆變器側(cè)電感L1和網(wǎng)側(cè)電感L2的電流以及濾波電容C的電壓之間存在耦合關(guān)系。

2 LCL型三相逆變系統(tǒng)解耦分析

為了獲得精確的系統(tǒng)模型，需要對這些耦合項進(jìn)行解耦設(shè)計。d軸解耦過程如圖3所示。

圖3 d軸解耦過程圖

解耦設(shè)計的基本思想是在各軸加入其他軸的解耦分量，解耦分量的大小和本軸被控對象實際產(chǎn)生的耦合量大小相等、方向相反[7-8]。以d軸為例，則電感L1、電容C、電感L2的解耦系數(shù)分別為：

KdL1=ωL1i1q

(14)

Kdc=sL1ωCUcq

(15)

KdL2=s2CL1ωL2i2q-Ucd

(16)

3 控制策略的提出和控制器參數(shù)設(shè)計

為了實現(xiàn)對逆變系統(tǒng)的控制，采用電流雙閉環(huán)控制策略[9-10]。圖4為該電流雙閉環(huán)控制中d軸的控制框圖。

圖4 d軸控制框圖

在該雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，外環(huán)采用并網(wǎng)電流i2d反饋，A1為并網(wǎng)電流反饋系數(shù)。內(nèi)環(huán)采用電容電流i1d反饋，A2為電容電流反饋系數(shù)。kPWM為逆變橋等效比例環(huán)節(jié)；Gpi為并網(wǎng)電流控制器，本文選用 PI 調(diào)節(jié)器，Gpi=kp+ki/s。Gp為電容電流控制器，文中采用比例控制器，Gp=k。由于d軸與q軸具有對稱性，下面以d軸為例設(shè)計控制器參數(shù)。根據(jù)圖4，可以求出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(17)

系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(18)

式中：a4=L1L2C；a3=A2kkPWML2C；a2=L1+L2；a1=A1kkpkPWM；a0=A1kkikPWM；b1=kkpkPWM；b0=kkikPWM。

由勞斯判據(jù)可知，使系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為：

(19)

在設(shè)計控制器參數(shù)時，只要滿足式(19)就能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化成典型環(huán)節(jié)的形式：

(20)

其中：

(21)

基于期望對數(shù)頻率特性的控制器設(shè)計方法為：低頻段應(yīng)具有較高的分貝數(shù)以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，故校正后系統(tǒng)對數(shù)頻率特性在低頻段的斜率為-40 dB/dec。中頻段特性曲線的斜率應(yīng)為-20 dB/dec以使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和平穩(wěn)性符合要求，中頻段寬度h也需合理選取。為了滿足系統(tǒng)響應(yīng)快速性的要求，特性曲線的截止頻率ωc應(yīng)盡可能高。

系統(tǒng)期望與頻率特性曲線如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)期望與頻率特性曲線圖

4 仿真分析

為了驗證所提出的基于耦合量前饋解耦的電流雙閉環(huán)控制策略的性能，在MATLAB中搭建了相應(yīng)的仿真模型。

直流側(cè)的母線電壓為400 V，逆變器側(cè)電感L1=1.5 mH、網(wǎng)側(cè)電感L2=1 mH，電容C=20 μF。內(nèi)外環(huán)控制器的參數(shù)為：kp=0.194、ki=0.283、k=257.73，內(nèi)外環(huán)反饋系數(shù)A1=A2=1。圖6為A相的并網(wǎng)電壓和電流波形。從圖6可知，并網(wǎng)電壓和電流相位幾乎同相，實現(xiàn)了高功率因數(shù)并網(wǎng)。

圖6 A相并網(wǎng)電壓和電流波形圖

當(dāng)t=0.04 s時，系統(tǒng)從半載變化到滿載和從滿載變化到半載時，并網(wǎng)電壓和電流的變化情況如圖7所示。在兩種情況下，并網(wǎng)電壓大小保持不變，并網(wǎng)電流在半個周期內(nèi)即可恢復(fù)，且并網(wǎng)電壓和電流的相位始終保持一致。在該控制策略下，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

圖7 負(fù)載突變時并網(wǎng)電壓和電流波形圖

系統(tǒng)由半載到滿載和由滿載到半載變化時，d、q軸電流的變化情況如圖8所示。d軸電流隨負(fù)載變動發(fā)生相應(yīng)改變，而q軸電流始終為0。可見在該解耦控制策略下，系統(tǒng)實現(xiàn)了有功功率和無功功率的完全解耦，即d、q兩軸之間的解耦。

圖8 負(fù)載突變時d、q軸的電流變化圖

5 結(jié)束語

針對LCL型三相逆變系統(tǒng)在dq坐標(biāo)系下的耦合問題，提出了一種耦合量前饋解耦的策略，建立了精確的系統(tǒng)模型。分析了解耦后的系統(tǒng)模型，結(jié)合并網(wǎng)要求提出了電流雙閉環(huán)的控制策略。仿真試驗表明，該解耦控制策略實現(xiàn)了高功率因數(shù)并網(wǎng)，系統(tǒng)動態(tài)性能良好，滿足并網(wǎng)的各項指標(biāo)要求。

[1] 阮新波,王學(xué)華.LCL型并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2015.

[2] 許津銘,謝少軍,張斌鋒.分布式發(fā)電系統(tǒng)中LCL濾波并網(wǎng)逆變器電流控制研究綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2015,35(16):4153-4166.

[3] 謝少軍,許津銘.LCL濾波并網(wǎng)逆變器的電流控制技術(shù)研究綜述[J].電源學(xué)報,2012,16(4):1-6.

[4] 毛艷芳,熊旋,陳旭,等.單相逆變器雙環(huán)控制改進(jìn)策略研究[J].電測與儀表,2014,51(8):69-74.

[5] 胡雪峰,韋徵,陳軼涵,等.LCL濾波并網(wǎng)逆變器的控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2012,32(27):142-148.

[6] 朱海洋.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計與仿真[J].自動化儀表,2014,35(4):23-25.

[7] 包獻(xiàn)文,卓放,譚佩喧.三相LCL型并網(wǎng)逆變器的模型分析及解耦控制[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2014,48(2):44-49.

[8] 屈克慶,李文旗,葉天凱,等.基于狀態(tài)反饋的LCL型逆變器解耦控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報,2016,31(20):130-138.

[9] 易桂平,黃慧春,胡仁杰.基于LCL輸出濾波器的雙環(huán)控制并網(wǎng)逆變器研究[J].太陽能學(xué)報,2016,37(1):40-46.

[10]劉文軍,周龍,陳劍,等.LCL并網(wǎng)逆變器的電流雙閉環(huán)控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2016,44(17):52-57.

[11]王百永,張俊偉,鄭華榮,等.LCL型并網(wǎng)濾波器參數(shù)設(shè)計方法[J].電源學(xué)報,2012,12(6):116-122.

DecouplingControlBasedonCouplingFeedforwardforGridConnectedInverter

WEI Chao,SHI Huoquan,ZHANG Gan

(College of Internet of Things,JiangNan University,Wuxi 214122,China)

For LCL grid connected inverter,in traditional current double closed loop control strategy based on synchronous rotating coordinate system,the coupling betweendaxis andqaxis is ignored when the inverter model is established.This will cause the system model being inaccurate,and influence the control effects.Thus,a decoupling control strategy based on feedforward coupling is proposed.The coupling components are added in other axes,the amount of coupling component is equal to the actual coupling component of the controlled object,while the direction is reverse.By this coupling feedforward compensation strategy,the coupling relation betweendandqaxis is eliminated,so the precision and performance of the system control model are improved.In order to further improve the control performance of the system,a new design method for parameters of controller based on frequency characteristics is put forward.The method can accurately calculate the parameters of the inner and outer loop controllers,and avoid the trouble of repeated process of test and try in traditional design method for controller.The simulation results in MATLAB show that the proposed control strategy reaches good decoupling effect,and the total harmonic distortion (THD) of grid connected current is smaller,and the grid connected with high power factor can be implemented.

LCL type inverter system; Controller; Coupling quantity; Feedforward decoupling; Current double closed loop; Mathematical model; Frequency characteristic

TH86;TP214+.5

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709005

修改稿收到日期:2017-04-14

魏超(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究。E-mail:601930172@qq.com。 施火泉(通信作者)，男，學(xué)士，高級工程師，主要從事電力電子與電力傳動、用電信息采集方向的研究。 E-mail:1185114075@qq.com。