一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法

一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法

第39卷 第8期 电力系统保护与控制 Vol.39 No.8 2011年4月16日 Power System Protection and Control Apr.16, 2011

一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法

张东江，仇志凌，陈天锦，张建兴

（许继电源有限公司，河南 许昌 461000）

摘要：并网变流器是一类重要的电力电子变流装置，LCL滤波器由于可以兼顾低频段增益和高频段的衰减，是其输出滤波器的较好选择。但LCL滤波器是三阶控制对象，增加了控制难度。为了保证控制环的动、静态性能，提出了一种基于相位滞后的双环电流控制方法。在该控制方案中，内环通过增加开环相位滞后、提高幅值裕度，进行LCL滤波器的稳定控制，保证了动态性能。由于内环对交流信号控制精度不足，因此将重复控制作为外环，以进一步提高稳态性能。理论分析和实验结果表明，该双环控制方法在有源电力滤波器中能够得到满意的谐波补偿效果，补偿后的电网电流正弦度较好，动态响应也较快。并且，该控制方法在无功补偿装置中能够较好地抑制死区的影响，保证输出电流波形质量。总之，所提出的双环控制方案在基波和谐波应用中都具有良好的动、静态性能。

关键词：并网变流器；电流波形控制；LCL滤波器稳定控制；相位滞后；重复控制

A double loop current control approach based on phase lag for grid connected converter

ZHANG Dong-jiang，QIU Zhi-ling，CHEN Tian-jin，ZHANG Jian-xing

（XJ Power Co.，Ltd.，Xuchang 461000，China）

Abstract：Grid Connected Converter（GCC） is an important type of power electronic converter．LCL-filter, because of which considers both gain of low-frequency band and decay of high-frequency band, is suitable to be used as output filter in GCC．However，LCL-filter，as a three-order control object，is difficult to stabilize．To achieve good dynamic and steady-state performance，a double-loop current control approach based on phase lag is proposed．In the control scheme, the inner loop uses additional phase lag and improves amplitude margin，to stably control LCL filter, and thus fast dynamic response of LCL-filter can be obtained．As control accuracy of inner loop for AC signal is not satisfied，repetitive controller，as outer control loop，is used to improve high steady-state performance．Theoretical analysis and experimental results indicate that this control approach used in active power filter can provide good compensate performance, the sine wave of compensated grid current is better and dynamic response is fast. In static var compensator，the double-loop control can suppress dead-band effect of IGBT very well and the quality of output current waveform is ensured．In a word，the double-loop control proposed in this paper can be successfully used in fundamental and harmonic wave with good dynamic and steady-state performance.

Key words：grid connected converter（GCC）；current waveform control；LCL-filter stability control；phase lag；repetitive control 中图分类号： TM714 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2011)08-0128-07

0 引言

并网变流器包括基波应用的逆变[1-4]、整流器和静止同步无功补偿器[5]以及谐波应用的并联有源电力滤波器（APF）[6]，是一类重要的电力电子装置。

对于并网变流器而言，输出电流控制环的动、静态性能是非常重要的。在稳态精度方面，IEEE1547标准要求可再生能源并网逆变器输出电流总谐波畸变率（THD）在5 %以下。由于受逆变

器死区、电网电压畸变等非理想因素的影响，并网逆变器输出电流THD要达到标准要求具有一定难度。对于APF，则需要精确跟踪50次以下的谐波电流指令，对控制环的稳态性能要求较高。

三阶的LCL滤波器以较小的通带阻抗可以得到较好的高频滤波性能，适合应用于并网变流器的输出滤波，是现阶段的研究热点[7-13]。针对LCL滤波器难以稳定控制的问题，文献[14]提出了一种基于一拍控制延时内环结合重复控制外环的双环控制方法，解决了LCL滤波器的镇定问题，并且拥有较

一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法

张东江，等 一种基于相位滞后的并网变流器电流双环控制方法 - 129 -

好的动、静态性能。该控制方法在APF中得到了成功应用。

本文在文献[14]的基础上进一步分析了内环的动、静态性能，论证了重复控制外环对于提高稳态指令跟踪精度和电网电压扰动抑制能力的重大作用。并将该双环控制方法推广到基波应用的有源逆变/整流、无功补偿装置中。实验结果证明了本文分析的正确性。

１ 控制模型分析

带有LCL滤波器的并网变流器主电路如图1所示。这里，us是电网相电压，L1是变流器侧滤波电感，L2 是网侧滤波电感，C是滤波电容，Rd是电容内电阻，Cdc是逆变器直流母线电容。

cOs

频率特性如图3中的曲线1所示。波特图显示，G(s)具有三个0 dB穿越点，前两个穿越点的相角都在-180°以内，谐振频率点以后相角从-90°急剧滞后到-270°。对于具有三个0 dB穿越点的控制对象需要通过奈奎斯特稳定性判据判断闭环稳定性。由于相角曲线在7.79 kHz频率点的-180°穿越点对应的幅值增益为32.8 dB，因此G(s)的奈奎斯特曲线包围了临界点（-1，0j），根据奈氏判据，控制对象闭环不稳定，必须进行校正。

图3 内环开环频率特性

Fig.3 Open-loop bode plots of inner loop

图1 并网变流器主电路结构 Fig.1 Main circuit of GCC

在三相对称电路中，可以只分析单相模型，如图2所示。这里，ui 是逆变器输出电压，i2是网侧电流。

LCL滤波器可以由方程（1）~（3）描述。

di

L11=ui uc Rdic （1） dtdu

Cc=i1 i2 （2） dt

2 基于相位滞后的瞬时值反馈内环

瞬时值反馈内环的控制结构框图如图4所示。C(s)为控制器。电网电压us被前馈入控制环，对电网电压的变化进行快速响应，防止电网故障时电压的突变引起输出电流过流。电网电压前馈还能在一定程度上解耦电网阻抗对控制环的影响。因为电网阻抗的影响是通过其上的电压变化体现出来的，通过电网电压前馈可以在很大程度上抵消其电压的变化。这就能够在控制对象建模中不用过多考虑电网阻抗，简化了控制环的分析与设计。

图2 LCL滤波器等效电路

图4 内环控制框图

Fig.4 Inner control-loop block diagram

Fig.2 LCL-filter equivalent circuit

di2

=uc+Rdic us

（3） dt

从输入ui到输出i2的传递函数可以由式（1）~（3）推导得

L2

G(

s)=

RdCs+1i2

（4） =32

uiL1L2Cs+L1+L2RdCs+L1+L2s

LCL滤波器的参数为：L1=0.15 mH，L2=0.08 mH，C=8 μF，Rd=0.005 Ω，LCL滤波器G(s)的

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