LCL型并網(wǎng)逆變器電流控制穩(wěn)定性分析報(bào)告

1、LCL型并網(wǎng)逆變器電流控制穩(wěn)定性分析-電氣論文LCL型并網(wǎng)逆變器電流控制穩(wěn)定性分析成林俞1，劉紅2，文丹丹1（1.溫州大學(xué)電氣數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州325035 ； 2.浙江埃菲生能源科技有限公司，浙江溫州 325032）摘要：在LCL型光伏并網(wǎng)逆變器中，電流控制器的比例控制系數(shù)設(shè)計(jì)不合理易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至損壞逆變器。對(duì)采用逆變側(cè)電感電流反饋的LCL型三相光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，運(yùn)用Routh?Hurwitz 穩(wěn)定性判據(jù)基于系統(tǒng)離散化模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可求得比例控制系數(shù)的精確范圍。 分析逆變側(cè)電 感、濾波電容以及網(wǎng)側(cè)電感的取值與比例控制系數(shù)的關(guān)系，探討濾波電感和電容

2、的取值對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。通過 Matlab仿真及在50 kW光伏逆變器實(shí)驗(yàn)平 臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了所進(jìn)行的穩(wěn)定性分析的正確性。關(guān)鍵詞 ：逆變器；電流控制器；穩(wěn)定性判據(jù)；比例控制中圖分類號(hào)：TN710?34 ； TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004?373X （2015 ） 16?0141?04收稿日期：2015?03?24基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51207112）0引言人類社會(huì)的快速發(fā)展使能源消耗量劇增，石油等不可再生能源的日益枯竭引起全球各界的擔(dān)憂。石油、煤等化石能源燃燒排放出大量的二氧化碳、二氧 化硫等氣體引起溫室效應(yīng)、酸雨等環(huán)境問題，對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重的威

3、脅。發(fā)展新能源已經(jīng)成為全球能源變革的大趨勢(shì)。太陽能是人類可利用的最豐富 的清潔能源而得到世界各個(gè)國(guó)家的重視，我國(guó)先后實(shí)施“金太陽示范工程”和頒 布一系列政策支持分布式光伏發(fā)電，大力推動(dòng)了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。逆變器作為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心，其控制技術(shù)是整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的重點(diǎn)。電流諧波含量是逆變器并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在并網(wǎng)逆變器中一般采用適當(dāng)?shù)妮敵鰹V波器抑制并網(wǎng)電流諧波含量。L濾波器的體積大且濾波效果不理 想，LCL濾波器減小了體積且對(duì)高頻電流諧波分量有更強(qiáng)的抑制能力而得到廣 泛的應(yīng)用1?4。由于LCL濾波器是三階系統(tǒng)，二階諧振零極點(diǎn)多，若控制器設(shè) 計(jì)不當(dāng)容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定5?8。在工程應(yīng)用領(lǐng)域

4、，并網(wǎng)逆變器常用的控制方法有比例積分控制（PI ）、比例諧振控制（PR）等9?10。比例控制對(duì)逆變器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定起主導(dǎo)作用， 積分控制和諧振控制是為消除靜差而引入。為此，本文運(yùn)用一種適合工程應(yīng)用的離散化方法，對(duì)采用逆變側(cè)電流反饋的LCL型三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化分析，根據(jù)Routh?Hurwitz 穩(wěn)定性判據(jù)可以得到比例控制系數(shù)的精確范 圍。在此基礎(chǔ)上，探討電感和電容的取值變化與比例控制系數(shù)的關(guān)系，由此探討電感和電容對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。1系統(tǒng)建模及離散化1.1光伏逆變器模型圖1為三相LCL型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)原理圖。直流電壓 Ude由太陽能電池 板產(chǎn)生，經(jīng)全橋逆變電路后將直流電轉(zhuǎn)換成交流

5、電，通過控制逆變側(cè)電感電流的頻率和相位來跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位，使輸出電流保持為與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦信號(hào)，從而達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行的目的。圖中L1為逆變側(cè)電感，C為濾波電容，L2為網(wǎng)側(cè)電感1.2系統(tǒng)建模及離散化三相逆變器的調(diào)制電壓 uM設(shè)計(jì)為電網(wǎng)電壓前饋ug加上電流給定i與電流反饋i的誤差乘以比例控制系數(shù)kp的組合，即：+ Jtp-jT *1)( 1 i其中，電網(wǎng)電壓前饋ug抵消電網(wǎng)電壓的變化，因此比例控制的控制方程式為:為便于分析，假設(shè)三相電網(wǎng)平衡，電感、電容及開關(guān)管均為理想器件，則三相逆變器的每一相的工作狀態(tài)一樣。建立單相LCL濾波器的模型，可分析三相LCL濾波器。單相控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖

6、2所示。A92控啊徉城橫這里取逆變側(cè)電感電流i1 ，電容電流iC，及電容兩端的電壓uC為狀態(tài)變量，得到下列方程：由于實(shí)際工程控制中一般是離散數(shù)字控制系統(tǒng)，因此需將上式離散化,即已知當(dāng)前狀態(tài)取值的條件下，求解出下一時(shí)刻狀態(tài)的取值。這里利用Laplace變換求解，狀態(tài)方程的離散化形式為:pi(» +1)4 1 11,( ft)ir(«1+ Ji j * u ( H )ujn + 1)ME采用比例控制，反饋電流從L1處采樣，由式（2）可知:可知加入比例控制后的離散狀態(tài)方程為:+ l)U")*虬 * f(n)4血)其中轉(zhuǎn)移矩陣為:-it riEigr#仏-曲 i'

7、冷£ EEa|<£l. / I!.山帥f)Minis 門r j2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 2.1系統(tǒng)的特征方程及穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)的特征方程:/=W朋|=TLl.A-It*,.* .0卡.A -3丄1口(8 r )屛/” 1 - ron(o?l.T ) if 叩口(gF|-八-”自(倒八1X f于是可得系統(tǒng)的特征方程為:11£ *心 辱右：系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是特征根的模 M 1。為利用勞斯判據(jù)，將特征方程作雙線性變換，即令：入=x + 1x - 1 。整理后的特征方程為：4 s jL: m 4,魚呎 aIi于是，|A| 1等價(jià)于x的實(shí)部小于零。根據(jù)Routh?Hurwit

8、z穩(wěn)定性判據(jù)條件，求得比例控制系數(shù)的范圍為：2（ L + JL|u< 札 <+ （）<cu r< ttt + A ' EAtlzL, 22.2仿真驗(yàn)證仿真參數(shù)：逆變側(cè)電感 L1=160 mH，濾波電容C=450 折，網(wǎng)側(cè)電感 L2=40 MH，采樣周期T=100 g。根據(jù)上述理論推導(dǎo)可知，求得比例控制系數(shù) 的范圍為：0kP3.16。圖3圖5分別為kP取不同值時(shí)的逆變器輸出電流波形， 比較圖3圖5可知：當(dāng)0kP3.16時(shí)，逆變器的電流輸出波形穩(wěn)定，不存在諧 振現(xiàn)象；當(dāng)kP=3.16時(shí)，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，一開始系統(tǒng)諧振，波形短期內(nèi)恢 復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)kP3.16取值

9、kP=3.2時(shí)，逆變器系統(tǒng)諧振，電流波形發(fā)散， 不能穩(wěn)定控制。由此可知，該離散化方法能夠精確計(jì)算出比例控制系統(tǒng)的穩(wěn)定控 制范圍。ri j&ni id： n bi ”前am 4ifw i 幣 * IKM h盟3 y甘雄置弄廉出電at嵐卷2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為進(jìn)一步驗(yàn)證所進(jìn)行的穩(wěn)定性分析的正確性和有效性，在50 kW光伏逆變器平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)該平臺(tái)的參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的比例控制系數(shù)。圖6所示為kP取不同值時(shí)，逆變器的 A相電流輸出波形。由圖可知，當(dāng) kP=3.1時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定；當(dāng)kP=2.05時(shí)，系統(tǒng)接近諧振，輸出波形較差；當(dāng) kP=2.1時(shí)，系統(tǒng)諧振”l!> Il BI* I U- I&q

10、uot; *"啊 H 嚴(yán) 5* “州II時(shí)佝曲，虻九怖畔謹(jǐn)變EJ*出電連就吊ffi 5 22 HMtB*由電邊建審tWvWAW3比例控制系數(shù)kP的影響因素3.1電容C的取值對(duì)kP的影響呂聞®“可f + Lam 卄知電容的取譏龜I乩£> 一 =31.7-6 n 丄*屮厲立騎噲粗為：丄屮加-hi II. 4fr-6 I H +MltXk-A)電容f曲91蝮椎囿為f32#-6)-仃43】F時(shí).函敎/(C)的曲蛻如JS 7所示in 11 li I UJ frh 41 71>用 B*U4 Ukltli C t'l 11 .t Ti<. i t; i

11、rj ii, -ij也匚也F卷定:21A +丄涉桁以_|仿真結(jié)瑕可珞*片電吝C的取阻女于-£ 值的対懺*此時(shí)仙罕字.電容C對(duì)H的取值無老f'i() rT+ £八 斗_3與£ "斗”孚1 w. I,2他血 '3,2 電處打的取恤對(duì)矗的娜響忙方九的驚敕為:4 450. 6 I F.-' 41-6 I H Pr_:l(Mh -fi1 s：設(shè)曲費(fèi) M2 _丁”*< rT +- t4li一蓋lit 0<. LiJ I < 7T U 知:足變啊電.；芒U,匕 i. 11 .ri r 1 ：電感L1的取值范圍為(2.4e-6

12、)(1e-3 ) H時(shí)，函數(shù)f (L1)的曲線如圖8所示。分析可知，電感L1與kP幾乎為正比例關(guān)系，kP隨著L1的增大而增大3.3電感L2的取值對(duì)kP的影響本仿真的參數(shù)為：C=( 450e-6)F，L1=( 160e-6)H，T=( 100e-6)s。設(shè)甫張/（!,? 1丁 其中由丄 2<«可知PHS電感心的服值范圍為:尸+人L. > 5-二 2_29ft - dirrCL, r電惑乙的戟値殖段為C2J46）Jle-3 H時(shí)*兩數(shù) 門4）的曲皺如圖專所示匸u <J 1»j »4 i>«11* 0? 'lift15 S &#

13、163; *（豈恿人日丄4鬼啊£供的專喑-4片 j H i I i 4 I虬 "輒 i|H弘G論紐d三一屯L-m*-Ja.二三kl_亙u f ; 1. 4 士 ! 比氓址釈F 2 $ w分析可知，電感L2對(duì)kP幾乎無影響。綜上所述，當(dāng)采用逆變側(cè)電感電流反饋時(shí)，逆變側(cè)電感L1的取值對(duì)比例控制系統(tǒng)的影響最大，也就是對(duì)逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響最大。4結(jié)語詳細(xì)介紹一種離散化的比例控制系數(shù)整定方法，可精確地計(jì)算使系統(tǒng)穩(wěn)定的比例控制系數(shù)范圍?？偨Y(jié)電感和電容的取值對(duì)比例控制參數(shù)的影響， 能夠有 效地指導(dǎo)逆變器電流控制器的設(shè)計(jì)。降低并網(wǎng)逆變器的調(diào)試難度和風(fēng)險(xiǎn)，具有較 高工程應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1

14、 胡雪峰，韋徵，陳軼涵，等丄CL濾波并網(wǎng)逆變器的控制策略J中國(guó) 電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（ 27）: 142?148.2 祝龍記，張旭立.光伏并網(wǎng)逆變器LCL陷波校正濾波器J.電工技術(shù) 學(xué)報(bào)，2012，27（ 9）: 237?241.3 郭小強(qiáng)，鄔偉揚(yáng)，顧和榮，等并網(wǎng)逆變器LCL接口直接輸出電流控 制建模及穩(wěn)定性分析J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（ 3）： 102?109.4 鄭昕昕，肖嵐，王長(zhǎng)寶，等三相變流器LCL濾波器參數(shù)優(yōu)化新方法 J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013，33（ 12）： 55?63.5 陳東，張軍明，錢照明.帶LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器單電流反饋控制 策略J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（9）： 10?16.6 殷進(jìn)軍，劉邦銀，段善旭 丄CL濾波并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制參數(shù)設(shè)計(jì)與 優(yōu)化J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（9）: 123?128.7 白志紅，阮新波，徐林.基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器的控制策略J. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（ 1）： 118?124.8 李澤斌，羅安，田園，等 丄CL型光伏并網(wǎng)逆變器電流內(nèi)環(huán)控制方法 J.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（ 10）: 2772?27