LCL型并网逆变器电网电压前馈控制策略研究.pdf

第42 卷第1期2024年1月DO1:10.20096/j.xhxb.1008-9233.2024.01.014西安航空学院学报Journal of Xian Aeronautical InstituteVol.42 No.1Jan.2024LCL型并网逆变器电网电压前馈控制策略研究薛荣辉（西安航空学院电子工程学院，西安7 10 0 7 7）摘要：为抑制LCL型并网逆变器系统固有谐振频率，消除非线性负载带来的电网电压畸变并网电流谐波，通过电容电流反馈有源阻尼控制减小LCL固有谐振。为抑制电网电压对并网电流产生的影响，采用电网电压前馈控制策略实现，对比各种前馈控制效果，从而得到高质量的并网电流。通过MATLAB/Simulink仿真验证所提前馈控制策略有效。关键词：电网电压前馈；电容电流反馈；SOGI-PLL中图分类号：TM464；T P2 7 3Research on Grid Voltage Feedforward Control Strategy of文献标识码：ALCL Grid-Connected Inverter文章编号：10 0 8-9 2 33（2 0 2 4)0 1-0 0 7 9-0 7XUE Ronghui(School of Electronic Ergineering,Xian Aeronautical Institute,Xian 710077,China)Abstract:In order to suppress the natural resonant frequency of the LCL grid-connected invertersystem and eliminate the grid-connected current harmonics caused by the grid voltage distortioncaused by nonlinear loads,the natural resonance of the LCL is reduced by capacitive current feed-back active damping control,and in order to suppress the influence of the grid voltage on the grid-connected current,the grid voltage feedforward control strategy is used to compare various feed-forward control effects,so as to obtain high-quality grid-connected current.MATLAB/Simulinksimulations are used to verify the effectiveness of the feed-forward control strategy.Keywords:grid voltage feedforward;capacitor current feedback;SOGI-PLL近年来，虽然风能和太阳能发电占比逐渐提高3-41，但是风能和太阳能发电具有间歇性的特点，0引言我国将在2 0 30 年实现碳达峰，2 0 6 0 年实现碳中和，从电力领域来看，新能源发电逐步替代常规能源发电是实现“双碳 目标的重要途径之一1-2 。产生的电力不能直接满足负载的要求，需通过电力电子装置进行控制变换。此外，随着科技的发展，对电力电子装置的要求也越来越高。为减少并网电流谐波污染电网，达到并网要求，一般并网逆变器收稿日期：2 0 2 3-0 6-12基金项目：西安航空学院校级项目（2 0 2 0 KY1225）作者简介：薛荣辉（19 7 8 一），女，陕西韩城人，副教授，主要从事新能源发电，电力电子与电力传动研究。80采用滤波器进行滤波。尽管LCL型滤波器性能优于L型滤波器，但在频率响应时会出现谐振尖峰导致谐振频率也跟着发生跳变，若不加有效阻尼就会导致并网逆变器的输出产生振荡使系统不稳定5。为减轻电网电压产生的谐波对并网电流的影响，通常采用LCL型滤波器。一般情况下，该型滤波器对电网产生的谐波抑制能力还有待提高。文献6 研究表明，采用电容电流反馈有源阻尼可以有效抑制滤波器的谐振尖峰。随着并网功率的提高，单台逆变器不能满足要求，需多台逆变器并联运行，导致电网呈现弱电网特性，电网阻抗对系统产生影响7 。文献8 提出改进型电网电压前馈控制，采用微分近似控制器代替全前馈的微分项，解决部分前馈误差。文献9 在电压前馈通道中串联相角补偿函数来解决相位偏移问题，采用基于虚拟电感的电网电压前馈控制来提高系统对弱电网的适应能力。本文借鉴前述工作，引人电容电流有源阻尼，采用电容电流反馈有源阻尼控制，利用电网电压前馈控制策略，分析电压前馈和电容有源阻尼系数对并网电流的影响，建立仿真模型进行分析。1单相并网逆变器模型图1所示为LCL型单相并网逆变器主电路拓扑结构，图中：Vim为直流侧输人电压；Vim为逆变器输出电压；i为逆变器输出电流；i为电容支路电流；iz为并网电流；Hi为电容电流反馈系数；Hiz2为电网电流反馈系数；H，为电网电压反馈系数；L表示逆变器侧电感；C为滤波电容；L2为并网侧的电感。通过PLL锁相环产生跟踪电网电压V.相位，得到相位,构成并网电流的有效指令。在控制电路中,G,(s)为电流调节器，采用PI调节器。LL2Vinv正弦脉宽调制M控制系统图1单相LCL型并网逆变器拓扑结构西安航空学院学报电容电流反馈的有源阻尼数学模型控制框图如图2 所示，根据参考文献6 对图2 数学模型进行变换得到图3所示。)cs)HHi2图2 采用电容电流反馈有源阻尼数学模型框图图3为数学模型等效变化过程。通过比较点和交叉点移动等效变换得到图3（c），由此可得传递函数(式(1)和(2)。i2(s)+8-&-KPWMG:(s)H.KPWMKPWMH;2(a)数学模型等效变换V(s)(s)+G(s)+心2H2(b)图(a)的等效变换V)i(s)+.i(s)C2()H2(c)图(b)的等效变换图3数学模型等效变化过程Gri(s)=KpwMG;(s)Zc(s)ZLi(s)+Zc(s)+H,KpwMZLi(s)Zc(s)H1(s)=7ZLi(s)+Zc(s)+H,KpwMG2(s)=ZtI+Zc(s)+H,KpwMZL(s)Zt2(s)+(Z(s)+Zt2(s)Zc(s)+H,HpwmZL2(s)HiH2G:(s)第42 卷ic（(s)&ZLI(sHZLi(s)=sLi,Zc(s)=PT.T.环路增益的表达式为：cOSOXZc(s),ZL2(s)=sL2sC，TA(s)=Gri(s)Gz2(s)Hi2H;z2 KpwMG,(s)$L,L,C+$*L,CH,KpwM+s(Li+L,)并网电流iz（s）的表达式为：i2()(1)（2)(3)(4)(5)第1期1TA(s)i2(s)=H1+Ti2*(s)=i21(s)+i22(s)式(1)(6)中KpwM为逆变器传递函数;Hi为电容电流反馈系数；Hiz为电网电流反馈系数；H为电网电压反馈系数；G（s)为电流调节器；ZLI（s）、ZL2（s）、Zs)分别表示电感L1、L2、电容C的阻抗；i21（s)为并网电流指令跟踪分量；i22（s）为电网电压引起的并网电流扰动分量。由式(6)可知，并网电流i2由稳态分量和电网电压引起的扰动分量构成。当电网电压存在背景谐波时，并网电流i2畸变现象是因为随着扰动分量所占比例的增加而改变的，所以可通过电网电压前馈控制降低扰动分量，提高并网电流质量。2电网电压前馈控制由图3可知，在并网逆变器的输出端口处并联了一个大小相同的Gz2（s)/(1十Ta（s)导纳，可以完全的抑制V。（s)对并网电流iz（s)产生的干扰。等效于在电网电压的扰动V。处与并网电流i之间引人一条正向通道传递函数为Gz2（s）的支路，如图4所示。G(s)图4电网电压全前馈框图将图4进一步等效变化，得到图5，再将扰动分量V。的前馈相加点从Gx2（s)的输出端向前移动到G（s)的输出端处,并在此处添加一个反馈点,依据自控前馈点前移的原理改变其前馈函数，等效变换如图6(a)所示，等效变换后的结构如图6(b)所示。2(s)+Gx(s)图5电网电压全前馈等效变化框图(s)12(s)G2(s)H(a)等效变换薛荣辉：LCL型并网逆变器电网电压前馈控制策略研究G2(s)1+TA:(s)(6)i2()G2)G2(s)i2G2(s)H281KPwM(s)CHiSKPWM+H.H(b)等效变换后结构图图6 全前馈等效变换框图由图5和6 得到电网电压前馈传递函数Gr（s)101Gfr(s):KpWM+CHi1s+KPWMS式中：1/KpwM为比例项；CHis为一次微分项；(L,C/KpwM）s 2 为二次微分项6 。3非理想条件下电网电压前馈3.1比例前馈函数项将s=j2元f代人式（4），可得1Gm(j2元f)=KpWM+j2元fCH;+(j2元f)2Grp(j2f)+Grtd（j 2 f)+G r t d d(j2元f)(8)i2(s)由式(8)得其中全前馈的比例项为GLp(j2元f)=KPWM当选取全前馈函数Gfr(j2元f）的幅值为基准时，得到的误差Ei（j2 元f)的幅值标么值用Ei(P,)表示，其表达式为E,(j2元f)/Ei(P.n)(f)=IGr(j2元f)1VL(2元f)L,CJ+(2元fCH,KpwM)VL1-(2元)L,CJ+(2元fCH,KpwM）2(10)i2(s)当Ei(P.n)（f)0.1时，根据式(6)可以求出pl18 1H z。电网电压前馈函数当只有比例项时可以抑制3次谐波以下，此时的谐波抑制能力与全前馈抑制能力相当。3.2比例十一次微分前馈函数项只采用比例前馈加一次微分时，产生误差用E2（j2 元f）表示，产生误差E2（j2 元）的幅值标么值E2(P.u)的表达式为i2(s)Z.2()LiC(7)KPWM1(9)Scopc382E2(P.u(f)=当E2(P.)（f)0.1时，根据式(7)可以求出fp26 41H z。当含有13次以下谐波时，采用比例加一次微分前馈项可以达到谐波抑制，且与全前馈的抑制能力相似。但当存在的谐波数量超过13次时，无法抑制谐波。采用全前馈可以使幅值标么值为0，因此，采用全前馈函数可以完全有效消除电网电压包含50 次以下谐波对并网电流的影响11。4仿真验证为了验证前馈控制策略的可行性，在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型，仿真条件如表1所示。T.2B西安航空学院学报E2(j2元f)|表1电网电压前馈仿真参数Gr(j2元f)T变量2元fCH,KpwMVinVL1-(2元f)L,CJ+(2元fCH,KpwM）)2LI(11)CL2VHi1Hi2HvKpK4.1电网电压比例前馈强电网忽略电网阻抗（L。=0），建立图7 所示的单相LCL型并网逆变器MATLAB/Simulink仿真模型图。Discrete电网电压全前馈策略1e-06s.powergui+5000L.1第42 卷取值360V600H10F500 H220V,50Hz0.0650.15010.4170010 kHzTHD0.02326VglConnlConn3Weak gridTCPI(s)图7 单相LCL并网逆变器全前馈仿真模型采用电容电流有源阻尼反馈，电网电流反馈，电网电压经PLL锁相环得到电网电流给定电流，电网电压前馈环节包括比例前馈、一次微分前馈、全前馈三部分，对不同的方法进行多次的仿真与比较分析。通过0.0 2 s在电网电压注入10%的3次谐波，验证比例前馈作用。图8 所示为计算所得电网电压加人3次谐波各前馈环节并网电流。OlOut2SOCIPLL300200V/IA/A1000-100-200-3000IVgl0.020.04t/s(a)尤前馈0.060.080.1第1期薛荣辉：LCL型并网逆变器电网电压前馈控制策略研究83300200ViIAA1000-100-200-30000.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1300200V/IAA1000-100-200-30000.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.090.1300200*1000-100-200-30000.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1图8 电网电压加入3次谐波各前馈环节并网电流由图8(a)（d)四张波形对比,并网电流波形相似，通过THD分析，无前馈时ig畸变率是5.37%，比例前馈、比例十一次前馈、全前馈时ig畸变率是2.30%左右，满足并网要求。所以当电网含有3次谐波时，通过引入比例前馈可以实现消除电网电压带来的谐波。4.2电网电压比例十一次微分前馈通过0.0 2 s在电网电压注入10%的3、5、7、9次谐波，5%的11、13次谐波，验证比例十一次微分前馈作用。图9 所示为计算所得电网电压加入13次谐波各前馈环节并网电流。3002001000-100-200-30000.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.090.1t/s(b)比例前馈t/s(c)比例+一次微分t/s(d)全前馈MMMMWWWWt/s(a)无前馈MM200V1A0-2000200V/0-20002001A/0-2000图9 电网电压加入13次以下谐波各前馈环节并网电流由图9(a)(d)四张波形对比,从图(a)可以看出无前馈时并网电流畸变严重，THD为2 5%，加人比例前馈i畸变率是6.53%，加入比例十一次前馈0.020.020.04(b)比例前馈0.05t/s(c)比例+一次微分0.040.06t/s(d)全前馈0.060.080.080.1州0.10.184ig畸变率是2.7 7%、全前馈时ig畸变率是2.42%，所以当电网含有13次以下谐波时，通过引入比例十一次微分前馈可以实现消除电网电压带来的谐波。4.3电网电压全前馈通过0.0 2 s在电网电压注人10%的3、5、7 和9次谐波，5%的11、13、15、17 和19 次谐波，3%的21、2 3、2 5、2 7、2 9、31和33次谐波验证全前馈作用。图10 所示为计算所得电网电压加入33次谐波各前馈环节并网电流。300MMMM2001000-100-200-3000200ViiAra-2000300200100-100-200-3000西安航空学院学报20002000图10 电网电压加入33次以下谐波并网电流由图10（a)（d)四张波形对比，从图（a)可以看出无前馈时并网电流畸变严重，THD为37.52%，加人比例前馈i畸变率是2 1.35%，加人比例+一次前馈i畸变率是10.7 3%、全前馈时ig畸变率是2.59%，所以当电网含有33次以下谐波W时，通过引人全前馈可以实现消除电网电压带来的0.020.04t/s(a)无前馈0.05t/s(b)比例前馈MMMM门0.020.04(c)比例+次微分第42 卷0.050.1t/s(d)全前馈0.060.080.060.080.10.10.1谐波问题。5结论本文研究了并网逆变器电网电压前馈控制。首先，建立LCL并网逆变器数学模型。其次，依据电网电压对并网电流产生干扰的现象对有源阻尼数学模型图进行框图等效变化。最后，提出电网电压全前馈方法是为了验证理论分析并且可以完全有效地达到抑制电网电压对并网电流产生影响的效果。通过MATLAB的Simulink对此次实验进行仿真运行，所得结论如下：(1)若谐波次数为3次时，比例前馈可以有效地抑制对并网电流产生的干扰现象；(2)若谐波次数为13次以内时，比例加一次微分前馈可以抑制对并网电流的影响；(3)若谐波次数存在13次以上时，要想达到有效抑制干扰现象的效果只能采用电网电压全前馈；(4)谐波次数不同时都能不同程度地抑制电网电压，但起到的作用各不相同。第1期1KE H S,HE H W,ZHOU Y,et al.Analysis of renewable energy and development path of new power sys-tem under Chinas dual-carbon situationCJ/2022IEEE Sustainable Power and Energy Conference(iSPEC),Perth,Australia:IEEE,2022:1-4.2王炜玮，孙慧，杨雷.大力推动燃气与多种能源融合发展：双碳目标下燃气行业发展战略探讨J.城市燃气，2022,7:1-5.3李敏.南澳州绿色能源发电再创佳绩太阳能与风电占比高达9 9.6%J.新能源科技，2 0 2 1（2）：37.4胡汉舟.能源供需稳定恢复清洁能源占比提高N.中国信息报，2 0 2 1-0 7-19（0 0 2).5胡雪峰，韦徽，陈轶涵，等.LCL滤波并网逆变器的控制策略J.中国电机工程学报，2 0 12，32（2 7）：142-148,194.6阮新波，王学华，潘东升，等.LCL型并网逆变器的控薛荣辉：LCL型并网逆变器电网电压前馈控制策略研究参考文献2017,32(10):222-230,240.8查晓宇，徐军忠，王勇.弱电网下并网逆变器的改进电压全前馈策略J.电力电子技术，2 0 2 0，54（4）：8 4-8 7.9杨兴武，王涛，徐依明，等.基于虚拟电感的LCL型并网逆变器电网电压前馈控制策略.太阳能学报，2020,41(11):56-63.10李巍巍三相LCL型并网逆变器中电网电压引起的谐波和不平衡电流抑制研究D.武汉：华中科技大学，2 0 14.11柴秀慧，张纯江，赵晓君，等.基于电网电压全前馈的电网背景谐波抑制研究JI.电力电子技术，2 0 2 0，54（8）：5-7,18.责任编辑：孟广慧85制技术MI.北京：科学出版社，2 0 15：9 4-12 9.7杨树德，同向前，尹军，等.增强并网逆变器对电网阻抗鲁棒稳定性的改进前馈控制方法电工技术学报，