原標題：光伏逆變器（并網）電流內環的控制方式

烏克蘭版轉款逆變器

光伏逆變器前言：

隨著能源危機和環境污染問題的凸顯，可再生能源如風能、太陽能、燃料電池以及生物質能受到越來越多的關注。在這些可再生能源中，光伏并網發電由于其巨大的潛能和政府的支持成為近年來研究的熱點。

逆變器是光伏并網發電系統的核心組成部分，它將太陽能光伏電池產生的直流電轉換為交流電并送入電網。為了抑制逆變器的并網諧波電流，必須在其交流側加設濾波裝置。與傳統的 L 濾波器相比，LCL濾波器的成本低、體積小、動態響應好，并且具有更好的諧波抑制性能。因此，在開關頻率較低的大功率光伏并網發電系統中，通常使用 LCL濾波器來濾除開關頻率附近處的諧波電流。

然而，LCL濾波器是一個三階系統，存在高頻諧振問題，這會影響系統的穩定性，對 LCL濾波器的參數設計和系統的控制策略提出了更高的要求。為了解決 LCL濾波器的諧振問題，通常采用無源阻尼法和有源阻尼法來增加系統的阻尼，提高控制系統的穩定性。采用電容支路串聯電阻的無緣阻尼法來抑制諧振問題，這種方法雖然簡單易行，但會增加系統的損耗、降低系統的效率，同時也會削弱濾波器的諧波抑制能力。

有源阻尼法通過引入額外的反饋控制來增加系統阻尼，抑制LCL濾波器的諧振特性。利用加權平均電流法，即以一定比例的逆變器輸出電流和一定比例的并網電流之和作為反饋量進行電流內環控制，取得了良好的暫態和穩態性能；但這種方法的部分電容電流仍在電流內環的控制之外，無法解決網側電感和濾波電容可能存在的諧振問題。通過引入電容支路電流反饋有效抑制了系統諧振，確保系統的穩定運行；但它會削弱系統的諧波抑制能力，同時電容支路電流的引入需要加入額外的電流傳感器，這會增加設備的成本和復雜性。

為此，本文從控制模型和傳遞函數的角度出發，研究了 LCL型光伏并網逆變器電流內環的開環傳遞函數及波特圖，并在此基礎上提出了一種基于逆變器輸出電流反饋和電網電壓、電容電流前饋的準比例諧振(proportional resonant，PR)電流內環控制策略。電容電流采用估算法獲得，有利于減小系統成本，增強系統的可靠性。仿真和實驗結果表明該控制策略可以有效抑制 LCL濾波器的諧振問題，減小電流內環的穩態誤差，提高系統的功率因數和并網電流質量。

一、LCL 型光伏并網逆變器的拓撲結構及工作原理

LCL型光伏并網逆變器的系統結構如圖 1 所示，主要由光伏陣列、Boost升壓電路、直流側電容Cdc、三相并網逆變器、LCL濾波器、三相電網電壓us、驅動電路和控制系統構成。

圖1 LCL型光伏并網逆變器原理圖

太陽能光伏陣列吸收太陽能并將其轉換為直流電能，其中upv和ipv分別為太陽能光伏陣列的正負極電壓和輸出電流；Boost升壓電路由儲能電容Cpv和升壓電感 L0 構成，它將太陽能光伏陣列輸出的直流電壓抬升到允許并網逆變的電壓等級；直流側電容 Cdc用于實現光伏陣列輸出功率和并網逆變器輸出功率的解耦，Udc 和Udc_ ref分別為逆變器直流側電壓設定值和實際值；三相并網逆變器將直流電能轉換為交流電能并饋入電網；LCL濾波器用于濾除逆變器輸出的高次諧波，其中 Linv、C和Lg分別為逆變器側電感、濾波電容和網側電感，iinv、ig、uc和ic和分別為逆變器輸出電流、并網電流、濾波 電容電壓和電流。

系統的控制部分包括光伏陣列的最大功率點 跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制和 并網逆變器的電壓外環電流內環雙環控制。MPPT算法根據upv和 ipv得到相應的 PWM信號，控制開關管 Q0的通斷從而使光伏陣列工作在最大功率點處；電壓外環采用PI調節器來維持直流側電壓的恒定，其輸出信號作為電流內環的指令信號 i * ，與實際檢測到的并網電流 ig相減后得到偏差信號 ie，最后送入電流內環進行控制。

二、電流內環的模型建立和分析

1.并網電流反饋：

采用并網電流反饋的 LCL 型光伏并網逆變器電流內環控制模型如圖 2 所示。

圖2 并網電流反饋控制模型

為了便于分析，電流內環采用 PI 控制器，即式中：Udc為直流側電壓；Ts 為逆變器的開關周期。

圖3 并網電流反饋控制模型

系統的特征方程中不包含s3 項，其開環傳遞函數的極點都位于坐標軸的虛軸上。因此在一定的頻率范圍內，控制系統將發生諧振，不利于系統的穩定運行。為了解決并網電流反饋的諧振問題，必須引入額外的無源阻尼或者有源阻尼來增加系統的阻尼，提高控制系統的穩定性。

2.逆變器輸出電流反饋:

采用逆變器輸出電流反饋的 LCL 型光伏并網逆變器電流內環控制模型如圖 3 所示。根據控制模型可以畫出對應的信號流圖，如圖 4 所示。

逆變器輸出電流反饋控制模型

逆變器輸出電流反饋的信號流圖5

3 基于逆變器輸出電流反饋的析可知用并網電流反饋相比，采用逆變器輸出電流反饋進行電流內環控制有利于提高系統的阻尼，抑制 LCL 濾波器的諧振問題。 但是這種控制策略屬于間接電流控制，存在功率因數較低的缺點，此外，這種控制方法無法抑制電網電壓對并網電流造成的影響[17-18]。而且，由于PI控制器的增益限，無法實現對正弦信號的無靜差跟蹤控制，使得并網電流存在穩態誤差[19]。為此，本文在第 2 節的基礎上提出一種基于逆變器輸出電流反饋和電網電壓、電容電流前饋的準PR電流內環控制策略，其控制模型和等效的控制 模型分別如圖 4、5 所示。采用準 PR 控制器既能夠保持 PR 控制器高增益的優點，實現對正弦信號的無靜差跟蹤控制，又可以增大系統在諧振頻率附近的帶寬，降低系統的敏感度，提高逆變器的穩定性和抗干擾性[20]。

基于逆變器輸出電流反饋的準 PR 電流內環控制模型

引入的電網電壓前饋控制策略可以消除電網電壓對并網電流造成的影響，提高并網電流質量[21]。電容電流前饋控制可以提高系統的功率因數，增強系統的動態響應速度。

等效的電流內環控制模型

穩定運行，而采用逆變器輸出電流反饋可以提高系統的阻尼，抑制 LCL 濾波器的諧振問題，確保系統的穩定運行；PI 控制器雖然簡單易行，但其增益有限，無法實現對正弦信號的無靜差跟蹤控制，而準PR 控制器在基波頻率處增益無窮大，因此可以實現對正弦輸入信號的無靜差跟蹤控制。

三、仿真研究與實驗驗證

為驗證本文所提出的電流內環控制策略的有效性，按照圖 1 中的拓撲結構在 PSIM9.0 仿真環境中搭建 LCL 型光伏并網逆變器模型，并分別采用圖2、3、5 中的控制策略進行控制。光伏陣列能夠輸出的最大功率為 31 kW ，MPPT 算法采用一種改進的變步長電導增量法來實現最大功率點的跟蹤[23]，電壓外環采用 PI 控制器來維持直流側電壓的穩定，系統的具體參數設置如表 1 所示。

仿真結果

從圖 10(a)(b)(c)可以看出：采用并網電流反饋時，控制系統會發生諧振，無法正常運行；采用逆變器輸出電流反饋可以提高系統的阻尼，抑制 LCL 濾波器的諧振問題，確保系統的穩定運行，但是由于 PI 控制器的增益有限，因此并網電流和指令電流之間存在穩態誤差；采用基于逆變器輸出電流反饋和電網電壓、電容電流前饋的準 PR 控制時，既可以保證系統的穩定運行，又可以實現并網電流對指令電流的無靜差跟蹤，提高并網電流質量，獲得較高的功率因數。圖 10(d)為 系統穩定運行時的波形：光伏陣列的輸出功率為31 kW，逆變器的并網功率為 30.1 kW。

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為了進一步驗證仿真結果，搭建了一臺30kW的LCL 型光伏并網逆變器實驗樣機。功率器件采用Techfine公司的 FF300R12YT3 模塊，控制器采用TECHFINE公司的M*060825F，主電路參數和其他參數

基于并網電流反饋的 PI 控制下的指令電流和并網電流波形

基于逆變器輸出電流反饋的 PI 控制下的指令電流和并網電流波形

基于逆變器輸出電流反饋的準 PR 控制下的指令電流和并網電流波形

UPS的種類多種多樣，它的輸出波形可以是方波、梯形波或者正弦波，它可以是單相入單相出、三相入單相出或三相入三相出，它的容量有大有小，另外它還可以分為動態UPS和靜態UPS兩大類。動態不問斷電源是依靠慣性飛輪存儲的動能來維持負載電能供應的連續性的，這種不問斷電源具有笨重、噪聲大、效率低、切換時間長等缺點，已被靜態不問斷電源所取代。靜態UPS以蓄電池組為儲能工具，市電正常時交流市電經整流后變為直流電并將電能存儲在蓄電池組中，當市電中斷時再由逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉變為交流電來維持向負載供電。 返回搜狐，查看更多

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