基于滤波电容电流补偿的并网逆变器控制

1、第卷第期年月电力电子技术，基于滤波电容电流补偿的并网逆变器控制梁超辉，刘邦银，段善旭（华中科技大学，湖北武汉）摘要：在并网逆变器中，滤波器因容易控制和具有良好的高频衰减特性而应用广泛。分析了输出滤波电容对采用相位和低次谐波的影响，提出一种采用滤波电容电流补偿和电网电压前馈的数滤波的并网逆变器并网电流幅值、给出了离散时间域下控制器参数的设计方法，并从电网谐波阻抗角度分析了控制器抑制电网电压扰字控制策略，提高并网逆变器输出电能质量。动的能力。理论分析和实验证明，该方案能有效降低并网电流的谐波畸变率（）关键词：逆变器；滤波；补偿并网；数字控制器中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；：

2、（）引言带电容电流补偿的并网控制方案滤波电容对并网电流的影响近年来，随着能源与环境问题的日益严峻，基于太阳能、燃料电池和风能等可再生能源的分布式发电系统受到广泛关注。并网逆变器是分布式发电系统的重要组成部分，针对其设计方法和并网控制策略展开了大量的研究。并网逆变器的输出滤波器一般包括，和三种类型，其中单电感型滤波器的结构简单，并网电流控制容易，但其高频滤波特性差，不适合开关频率较低的应用场合；滤波器的高频衰减特性好，但滤波元件参数设计及并网电流控制策略较为复杂；滤波器的控制简单，与单电感型滤波器相比，电路中的电容能有效地衰减并网电流的高频成分，而且适合于实现并网与独立两种运行模式的切换。以基于

3、滤波的单相并网逆变器作为研究对象，采用带电网电压前馈解耦的数字控制器控制并网电流，同时引入电容电流补偿，以减少滤波电容对并网电流波形质量及相位的影响，并运用基于极点配置的方法对离散域下数字控制参数进行了设计。基金项目：台达环境与教育基金（）定稿日期：作者简介：梁超辉（），男，广东佛山人，硕士研究生。研究方向为光伏发电系统并网控制。图示出并网逆变器主电路拓扑。并网逆变器一通常采用电流控制模式，滤波器若使用结构，般采用大电感、小电容的参数设计原则，以获得较好的电流控制特性。因此，在要求不高的场合往往忽略了滤波电容的影响，而直接按照单电感滤波的情况即控制图中的电感电流，而不是控进行控制。制实际的并网

4、电流。图给出考虑滤波电容时的实际控制框图。为并网逆变器直流母线电压；为电网电压；，为滤波电感及其串联等效电阻；为本地负载图并网逆变器拓扑图考虑滤波电容时的实际控制框图在这种情况下，由于滤波电容电流的存在，与实际的不相等。在图所示的参考方向下，且假定控制器能使准确跟踪给定，此时与同频第卷第期年月电力电子技术，同相。图示出个电流的相量图。图并网电流相量图由图可知，此时的必然滞后于，且的低次谐波在上产生的谐波电流也会使的谐波含量增大。越大，分布式电源输出的功率越越高，低，上述两个问题就越明显。考虑并网独立双模式切换的需要，以及为了在独立模式运行时能获得较好的电压控制特性，此时必须考虑不能取得太小，对

5、的影响。并网电流控制方案为了减少对在幅值、相位以及低次谐波方面的影响，这里在常规的电感电流环控制中加入了该方案的控制框图如图。补偿环节，影响，电流环控制对象（考虑零阶保持）的脉冲传递函数为：（）离散控制器脉冲传递函数为：）（）（）由式（和式（可得电流给定到实际电感电流）输出的闭环脉冲传递函数为：（）（!（）式中：（；（）。闭环特征方程为：（）设添根据极点配置的方法确定电流环参数。加控制器后的期望系统阻尼比为"，自然振荡频则期望系统的特征方程为：率为#，（）式中："#，#!。对比式（和式（可得电流环离散参数为：）（），（）（）图带电容电流补偿的并网电流控制框图电网电压前馈解耦

6、系数采用一阶低通惯性环节可滤除高频噪声。电容电流补偿的控制思想是：视锁相环（以及分布）式电源的实际功率输出情况，确定并网电流给定值，再加上滤波电容电流值，作为电感电流的然后通过对的闭环控制，间接实现对给定值，实际并网电流的控制。补偿环节（提供补偿）量的给定值，鉴于与其电网的相位超前关系，通过对采样得到的值在内部作数字微分运算获得补偿量。考虑到纯微分环节容易引入控制器控制带宽以外的高频干扰噪声，因此在微分环节后串联了一个补偿环节，其传递函数为：（）（）（）式中：为惯性环节时间常数。如图所示，对控制的扰动以两种形式存在，一个作用在滤波电感前，直接以形式出现；另一个作用在滤波电感后，以形式出现。前馈

7、是针对前一种扰动形式的补偿。忽略控制延迟和零阶保持，控制器和并网电感的传递函数分别记为和（，则可以推导出由前一种扰动形式所（）造成的输出误差为：）（）（）（）（）若令，则可取。电网电压扰动分析这使并网运行模式和独立运行模式可以共享，和的模拟采样值，而且省去了直接检测需要的电流传感器。如果微分运算足够准确，且电流则可完全消除控制器能够使准确跟踪给定值，对的负面影响。由于除了基波成分外，还含有与相关的各种低次谐波，因此要求图中电流控制器在低次谐波频段内均有较好的补偿效果。这里采用结构简单、性能良好的控制器。另外，为了获得更好的动态特性，增强逆变器抗电网扰动的能力，控制方案中还加入了前馈解耦环节。控

8、制器参数离散域设计方法电流环参数如图所示，忽略作为扰动的和控制延迟的直接以电网电压形式存在的扰动可通过前馈解耦控制来消除。由电网电压在上产生的电流扰动作用在电感电流环以外，图所示控制方案对该扰动的抑制效果差。定义电网谐波阻抗为电网电压与其作为扰动引起的输出并网电流误差之比。若电网电压前馈控制能实现对前一种扰动的完全补偿，则；不添加补偿情况下的电网谐波阻抗（）而添加图所示补偿控制后，则为：（）两种情况下的电网谐波阻抗对比如图所示。由图可知，在基频到次谐波之间的频段内（，由于添加了补偿环节，）得到了显著提高，增强了系统对基频及低次谐波扰动的抑制能力。图为图在惯性环节转折频率附近的局部放大图，可以观

9、察到由于一阶惯性环节的加入，在其基于滤波电容电流补偿的并网逆变器控制转折频率附近，相比于未加补偿时略为减小，控制器对中相应频段的谐波抑制能力略有降低。然而，由于在次以内的频段，的谐波污染更为严重，因此图的控制方案能够改善因存在而造成实际在幅值和相位上出现的误差，以及与相关的低次谐波电流问题，并且能通过优化控制器的参数满足相关并网标准对高次并网电流谐波的要求，改善并网逆变器的输出电能质量。实验现场电网电压谐波畸变率，其中谐波成分以，次最为严重，分别为，。对比图，在不带补偿环节时，并网电流可见，在次以下的谐波成分比较严重，并网电流而添加补偿环节后，在该频段内的谐波得到了有效抑制，由图可见，。由于惯

10、性环节的影响，次附近的谐波成分比补偿前略有增加，但在全频段范围内，各次谐波成分均满足关于并网电流谐波含量的要求。结论图电网谐波阻抗对比图实验验证为了验证提出的控制策略的有效性，设计了一台基于的单相全桥逆变器的实验样机，其参数为：直流母线电压，滤波电感，滤波电容!，本地负载，电流给定峰值，开关频率，采样周期!。采取补偿前后的，及其频谱实验结果如图所示。分析和设计了一种基于滤波器，采用带电网电压前馈的数字控制，并结合电容电流补偿的电流型并网控制方案。理论分析及实验证明，该方案结构简单，容易实现，并能有效地改善与输出滤波电容有关的并网电流相位滞后和谐波含量增大的问题，提高了并网逆变系统的输出电能质量

11、。参考文献，：，：，：王章权，蒋燕君，等无差拍控制在光伏并网发电张超，系统中的应用电力电子技术，：（）范小波，张代润光伏并网逆变器数字滞环控制的研究：电力电子技术，（）图实验波形"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""（上接第页）路的直流输入电流出现两倍于逆变器工作频率的脉动分量时，用主电路由开关管构成的有源滤波器将其滤除，是切实可行的。此外，该滤波器还能实时补偿大小和频率均变化的谐波和无功，而传统的其阻