基于濾波電容電流補償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器控制

1、第卷第期年月電力電子技術(shù)，基于濾波電容電流補償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器控制梁超輝，劉邦銀，段善旭（華中科技大學(xué)，湖北武漢）摘要：在并網(wǎng)逆變器中，濾波器因容易控制和具有良好的高頻衰減特性而應(yīng)用廣泛。分析了輸出濾波電容對采用相位和低次諧波的影響，提出一種采用濾波電容電流補償和電網(wǎng)電壓前饋的數(shù)濾波的并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流幅值、給出了離散時間域下控制器參數(shù)的設(shè)計方法，并從電網(wǎng)諧波阻抗角度分析了控制器抑制電網(wǎng)電壓擾字控制策略，提高并網(wǎng)逆變器輸出電能質(zhì)量。動的能力。理論分析和實驗證明，該方案能有效降低并網(wǎng)電流的諧波畸變率（）關(guān)鍵詞：逆變器；濾波；補償并網(wǎng)；數(shù)字控制器中圖分類號：文獻標(biāo)識碼：文章編號：（），（，）：，：；：

2、（）引言帶電容電流補償?shù)牟⒕W(wǎng)控制方案濾波電容對并網(wǎng)電流的影響近年來，隨著能源與環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，基于太陽能、燃料電池和風(fēng)能等可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注。并網(wǎng)逆變器是分布式發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，針對其設(shè)計方法和并網(wǎng)控制策略展開了大量的研究。并網(wǎng)逆變器的輸出濾波器一般包括，和三種類型，其中單電感型濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，并網(wǎng)電流控制容易，但其高頻濾波特性差，不適合開關(guān)頻率較低的應(yīng)用場合；濾波器的高頻衰減特性好，但濾波元件參數(shù)設(shè)計及并網(wǎng)電流控制策略較為復(fù)雜；濾波器的控制簡單，與單電感型濾波器相比，電路中的電容能有效地衰減并網(wǎng)電流的高頻成分，而且適合于實現(xiàn)并網(wǎng)與獨立兩種運行模式的切換。以基于

3、濾波的單相并網(wǎng)逆變器作為研究對象，采用帶電網(wǎng)電壓前饋解耦的數(shù)字控制器控制并網(wǎng)電流，同時引入電容電流補償，以減少濾波電容對并網(wǎng)電流波形質(zhì)量及相位的影響，并運用基于極點配置的方法對離散域下數(shù)字控制參數(shù)進行了設(shè)計?；痦椖浚号_達環(huán)境與教育基金（）定稿日期：作者簡介：梁超輝（），男，廣東佛山人，碩士研究生。研究方向為光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制。圖示出并網(wǎng)逆變器主電路拓撲。并網(wǎng)逆變器一通常采用電流控制模式，濾波器若使用結(jié)構(gòu)，般采用大電感、小電容的參數(shù)設(shè)計原則，以獲得較好的電流控制特性。因此，在要求不高的場合往往忽略了濾波電容的影響，而直接按照單電感濾波的情況即控制圖中的電感電流，而不是控進行控制。制實際的并網(wǎng)

4、電流。圖給出考慮濾波電容時的實際控制框圖。為并網(wǎng)逆變器直流母線電壓；為電網(wǎng)電壓；，為濾波電感及其串聯(lián)等效電阻；為本地負載圖并網(wǎng)逆變器拓撲圖考慮濾波電容時的實際控制框圖在這種情況下，由于濾波電容電流的存在，與實際的不相等。在圖所示的參考方向下，且假定控制器能使準(zhǔn)確跟蹤給定，此時與同頻第卷第期年月電力電子技術(shù)，同相。圖示出個電流的相量圖。圖并網(wǎng)電流相量圖由圖可知，此時的必然滯后于，且的低次諧波在上產(chǎn)生的諧波電流也會使的諧波含量增大。越大，分布式電源輸出的功率越越高，低，上述兩個問題就越明顯?？紤]并網(wǎng)獨立雙模式切換的需要，以及為了在獨立模式運行時能獲得較好的電壓控制特性，此時必須考慮不能取得太小，對

5、的影響。并網(wǎng)電流控制方案為了減少對在幅值、相位以及低次諧波方面的影響，這里在常規(guī)的電感電流環(huán)控制中加入了該方案的控制框圖如圖。補償環(huán)節(jié)，影響，電流環(huán)控制對象（考慮零階保持）的脈沖傳遞函數(shù)為：（）離散控制器脈沖傳遞函數(shù)為：）（）（）由式（和式（可得電流給定到實際電感電流）輸出的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：（）（!（）式中：（；（）。閉環(huán)特征方程為：（）設(shè)添根據(jù)極點配置的方法確定電流環(huán)參數(shù)。加控制器后的期望系統(tǒng)阻尼比為"，自然振蕩頻則期望系統(tǒng)的特征方程為：率為#，（）式中："#，#!。對比式（和式（可得電流環(huán)離散參數(shù)為：）（），（）（）圖帶電容電流補償?shù)牟⒕W(wǎng)電流控制框圖電網(wǎng)電壓前饋解耦

6、系數(shù)采用一階低通慣性環(huán)節(jié)可濾除高頻噪聲。電容電流補償?shù)目刂扑枷胧牵阂曟i相環(huán)（以及分布）式電源的實際功率輸出情況，確定并網(wǎng)電流給定值，再加上濾波電容電流值，作為電感電流的然后通過對的閉環(huán)控制，間接實現(xiàn)對給定值，實際并網(wǎng)電流的控制。補償環(huán)節(jié)（提供補償）量的給定值，鑒于與其電網(wǎng)的相位超前關(guān)系，通過對采樣得到的值在內(nèi)部作數(shù)字微分運算獲得補償量?？紤]到純微分環(huán)節(jié)容易引入控制器控制帶寬以外的高頻干擾噪聲，因此在微分環(huán)節(jié)后串聯(lián)了一個補償環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：（）（）（）式中：為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)。如圖所示，對控制的擾動以兩種形式存在，一個作用在濾波電感前，直接以形式出現(xiàn)；另一個作用在濾波電感后，以形式出現(xiàn)。前饋

7、是針對前一種擾動形式的補償。忽略控制延遲和零階保持，控制器和并網(wǎng)電感的傳遞函數(shù)分別記為和（，則可以推導(dǎo)出由前一種擾動形式所（）造成的輸出誤差為：）（）（）（）（）若令，則可取。電網(wǎng)電壓擾動分析這使并網(wǎng)運行模式和獨立運行模式可以共享，和的模擬采樣值，而且省去了直接檢測需要的電流傳感器。如果微分運算足夠準(zhǔn)確，且電流則可完全消除控制器能夠使準(zhǔn)確跟蹤給定值，對的負面影響。由于除了基波成分外，還含有與相關(guān)的各種低次諧波，因此要求圖中電流控制器在低次諧波頻段內(nèi)均有較好的補償效果。這里采用結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的控制器。另外，為了獲得更好的動態(tài)特性，增強逆變器抗電網(wǎng)擾動的能力，控制方案中還加入了前饋解耦環(huán)節(jié)?？?/p>

8、制器參數(shù)離散域設(shè)計方法電流環(huán)參數(shù)如圖所示，忽略作為擾動的和控制延遲的直接以電網(wǎng)電壓形式存在的擾動可通過前饋解耦控制來消除。由電網(wǎng)電壓在上產(chǎn)生的電流擾動作用在電感電流環(huán)以外，圖所示控制方案對該擾動的抑制效果差。定義電網(wǎng)諧波阻抗為電網(wǎng)電壓與其作為擾動引起的輸出并網(wǎng)電流誤差之比。若電網(wǎng)電壓前饋控制能實現(xiàn)對前一種擾動的完全補償，則；不添加補償情況下的電網(wǎng)諧波阻抗（）而添加圖所示補償控制后，則為：（）兩種情況下的電網(wǎng)諧波阻抗對比如圖所示。由圖可知，在基頻到次諧波之間的頻段內(nèi)（，由于添加了補償環(huán)節(jié)，）得到了顯著提高，增強了系統(tǒng)對基頻及低次諧波擾動的抑制能力。圖為圖在慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率附近的局部放大圖，可以觀

9、察到由于一階慣性環(huán)節(jié)的加入，在其基于濾波電容電流補償?shù)牟⒕W(wǎng)逆變器控制轉(zhuǎn)折頻率附近，相比于未加補償時略為減小，控制器對中相應(yīng)頻段的諧波抑制能力略有降低。然而，由于在次以內(nèi)的頻段，的諧波污染更為嚴(yán)重，因此圖的控制方案能夠改善因存在而造成實際在幅值和相位上出現(xiàn)的誤差，以及與相關(guān)的低次諧波電流問題，并且能通過優(yōu)化控制器的參數(shù)滿足相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對高次并網(wǎng)電流諧波的要求，改善并網(wǎng)逆變器的輸出電能質(zhì)量。實驗現(xiàn)場電網(wǎng)電壓諧波畸變率，其中諧波成分以，次最為嚴(yán)重，分別為，。對比圖，在不帶補償環(huán)節(jié)時，并網(wǎng)電流可見，在次以下的諧波成分比較嚴(yán)重，并網(wǎng)電流而添加補償環(huán)節(jié)后，在該頻段內(nèi)的諧波得到了有效抑制，由圖可見，。由于慣

10、性環(huán)節(jié)的影響，次附近的諧波成分比補償前略有增加，但在全頻段范圍內(nèi)，各次諧波成分均滿足關(guān)于并網(wǎng)電流諧波含量的要求。結(jié)論圖電網(wǎng)諧波阻抗對比圖實驗驗證為了驗證提出的控制策略的有效性，設(shè)計了一臺基于的單相全橋逆變器的實驗樣機，其參數(shù)為：直流母線電壓，濾波電感，濾波電容!，本地負載，電流給定峰值，開關(guān)頻率，采樣周期!。采取補償前后的，及其頻譜實驗結(jié)果如圖所示。分析和設(shè)計了一種基于濾波器，采用帶電網(wǎng)電壓前饋的數(shù)字控制，并結(jié)合電容電流補償?shù)碾娏餍筒⒕W(wǎng)控制方案。理論分析及實驗證明，該方案結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，并能有效地改善與輸出濾波電容有關(guān)的并網(wǎng)電流相位滯后和諧波含量增大的問題，提高了并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量

11、。參考文獻，：，：，：王章權(quán)，蔣燕君，等無差拍控制在光伏并網(wǎng)發(fā)電張超，系統(tǒng)中的應(yīng)用電力電子技術(shù)，：（）范小波，張代潤光伏并網(wǎng)逆變器數(shù)字滯環(huán)控制的研究：電力電子技術(shù)，（）圖實驗波形"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""（上接第頁）路的直流輸入電流出現(xiàn)兩倍于逆變器工作頻率的脈動分量時，用主電路由開關(guān)管構(gòu)成的有源濾波器將其濾除，是切實可行的。此外，該濾波器還能實時補償大小和頻率均變化的諧波和無功，而傳統(tǒng)的其阻