Single Current Feedback Control Strategy for Grid-connected Inverters With LCL Filters

LCL滤波器广泛应用于并网逆变器系统中,其对高次谐波具有良好的衰减作用;但LCL滤波器为低阻尼三阶系统,容易发生谐振。传统的有源阻尼方法,通过对电容电流进行采样并反馈,能够抑制系统振荡,但增加了传感器数量。提出一种单电流反馈控制策略,其采用入网电流两次微分的反馈方法,增加了系统阻尼,从而有效地抑制LCL滤波器的谐振尖峰,保证系统的稳定性;同时其对系统参数不敏感,并且不增加额外的传感器,是一种低成本高可靠性的控制策略。文中推导该控制策略下的系统传递函数,并分析系统的稳定性。最后,通过仿真和实验,验证提出的控制策略的可行性与有效性。

A Control Strategy for Grid-connected Inverters With LCL Filters

把LCL滤波器作为电压源型并网逆变器与电网的接口已受到广泛关注。与单电感L滤波器相比，利用电感值较小的LCL滤波器对入网电流的高次谐波具有显著的衰减效果，特别是在低开关频率的大功率并网逆变系统应用中更具明显优势，但是仅采用直接入网电流控制时，LCL滤波器接口的并网逆变器系统存在稳定性问题。该文采用电网侧电感电流和逆变侧电感电流双闭环控制策略对并网电流进行直接控制，电网侧电感电流作为外环更容易抑制并网电流的谐波因素，且可以直接控制入网电流的单位功率因数，采用逆变器侧电感电流作为内环可以增加系统阻尼，从而可抑制系统振荡，增加系统稳定性。对该方案进行系统建模，并深入分析了滤波器参数、控制器参数及系统稳定性之间的精确量化关系。仿真和实验结果表明，该控制策略既可有效抑制入网电流谐振和实现进网电流的高功率因数运行，同时又具有良好的稳态和动态性能。

Dual-loop Control Strategy for Grid-connected Inverter with LCL Filter

As to the concrete topology of three-phase LCL type grid-connected inverter with damping resistance, mathematical model was deduced in detail, using method of equivalent transformation to the structure diagram, damping resistance was virtualized, mathematical model under the DQ frame that can realize decoupling control was established, a dual-loop control strategy for grid-connected inverter with LCL filter was proposed, the system stability was analyzed and the design method of controller was given. The proposed method overcame the flaws of loss increase, efficiency reduce and cost increase which were caused by damping resistance in LCL type grid-connected inverter, the system efficiency and power supply quality of the output were improved. Feasibility and effectiveness of the new method were validated by simulation and experimental results.

基于双二阶滤波器的LCL型并网逆变器延时补偿方法

为了抑制LCL型滤波器的谐振尖峰,电容电流反馈有源阻尼被广泛应用于LCL型并网逆变器中。由于数字控制延时带来的不利影响,电容电流反馈有源阻尼的阻尼性能被严重削弱。负阻尼区域出现在f_(s)/6到f_(s)/2之间,减弱了并网逆变器的稳定性和对电网阻抗变化下的鲁棒性。在电容电流反馈通道上插入一个双二阶滤波器来补偿数字控制延时带来的相位滞后,正阻尼范围可以扩展到f_(s)/3,从而实现了对电网阻抗变化的高鲁棒性。选择了合适的离散化方法,分析了补偿后的系统稳定性。提出了一个详细的闭环参数设计流程,以获得良好的控制性能。最后,实验结果验证所提方法的有效性和参数设计流程的可行性。

附加虚拟阻抗的LCL型并网逆变器电流扰动观测控制方法

针对LCL型并网逆变器输出电流质量容易受电网电压背景谐波及在弱电网条件下电网阻抗的影响,提出一种附加虚拟阻抗的LCL型并网逆变器电流扰动观测控制方法。首先,在常规双闭环控制的基础上引入扰动观测器,将电网电压背景谐波视为系统外部扰动,利用扰动观测器实时估算出扰动量并前馈补偿动态消除扰动对系统的影响;其次通过阻抗分析法来分析弱电网系统中电网阻抗引起稳定性下降的问题,在电流扰动观测控制方法的基础上再加入虚拟阻抗进行优化设计,使得并网阻抗在阻抗交截频率较大范围内变化时的相角裕度仍然大于系统所约束的稳定裕度。仿真对比结果表明,所提方法在保持良好的电流质量的同时提高了系统对电网阻抗的鲁棒性。

弱电网下LCL型并网逆变器高鲁棒性并网电流反馈有源阻尼策略

并网电流反馈有源阻尼(grid-current-feedback-active-damping,GCFAD)策略可以在不增加额外传感器的前提下,有效抑制LCL型并网逆变器的谐振尖峰。在电网电压畸变的工况下,GCFAD策略往往与电网电压前馈策略同时使用以改善并网电流质量。然而,通过研究发现,传统GCFAD策略等效虚拟阻抗在中低频段的正阻特性会导致并网逆变器输出阻抗在中频段产生一定的相位滞后,从而降低了系统在电网电压畸变且附加电网电压前馈策略的情况下,对电网阻抗变化的鲁棒性。为了解决这一问题,提出了一种高鲁棒性并网电流反馈有源阻尼(high robustness grid-current-feedback-active-damping,HR-GCFAD)策略,使虚拟阻抗在高频处呈现正阻特性以抑制LCL谐振尖峰,增强了系统的稳定性;在中低频段呈现负阻特性以提高系统中频段输出阻抗相位,进而提高了系统在附加电网电压前馈策略时对电网阻抗变化的鲁棒性。理论分析和实验结果充分验证了所提策略的有效性。

弱电网下LCL逆变器的有源阻尼控制策略研究

在弱电网中,由于电网阻抗的存在,会导致新能源并网LCL滤波器固有谐振频率发生偏移,传统有源阻尼控制策略则无法保证系统的稳定性。而且随着新能源发电在电力系统中的占比不断提高,如何降低运营成本成为了研究热点。因此本文提出一种基于并网电流和公共耦合电压反馈的新型控制策略,该控制策略不仅提供了有源阻尼以抑制LCL谐振,而且减少了传感器的使用,还能对大范围变化的电网阻抗有较强的适应能力。通过仿真和实验表明,与传统的控制策略相比,在改进的策略下弱电网的实用范围增加,系统的稳定性得到提高,对谐波的抑制能力提升,并网电流质量有了良好的改善。

LCL并网逆变器滤波参数近似计算方法

在高频谐波衰减系数相同的条件下,LCL型滤波器的体积和感量要明显小于L型,但是其约束条件有所增加,参数计算也变得更加复杂,不仅要考虑并网电流的质量,还需要关注逆变器侧电感电流纹波和无功功率等限制条件。为简化计算流程,基于有源阻尼提出一种LCL型并网逆变器滤波参数近似计算法。首先,分析拓扑再利用仿真软件分析逆变器输出电压的谐波含量;其次,对滤波器设计相关约束条件的优先级进行重新排序,以谐振比为关键参数推导出计算公式,以谐振频率为关键参数快速计算出总电感值,再综合各个参数的极限值,给出设计流程图,并进行误差分析;最后,通过流程图输出一组参数进行仿真和实验分析,证明所提出的LCL滤波参数计算方法的合理性和有效性。

基于广义积分器二自由度PID控制的LCL逆变器

传统有源阻尼控制可抑制LCL逆变器谐振,但需要增加额外的电压或电流传感器。为此,提出了一种无需额外传感器的基于广义积分器的LCL并网逆变器单电流反馈二自由度PID控制(GI-2DoF-PID),GI-2DoF-PID比例积分环节实现并网电流无静差跟踪,而基于广义积分器的微分环节则增强LCL逆变器的阻尼特性。推导了控制系统的传递函数,分析了其稳定裕度与动态特性,提出跟踪和抗扰动优化的参数设计原则并选取了合适的控制参数。最后,构建了基于PLECS系统仿真模型,仿真结果表明:基于GI-2DoF-PID控制的LCL并网逆变器可以有效抑制谐振;电网电压严重畸变时,其满载并网电流畸变率仅为3%,远低于国家标准的要求;当系统从半载跳变到满载时,系统超调量低,响应速度快。

一种提高数字控制LCL型并网逆变器对电网阻抗鲁棒性的补偿策略

与模拟控制相比,采用数字控制的LCL型并网逆变器会引入控制延迟,在电网阻抗变化较大的弱电网中,严重降低了系统的稳定性。为了提高数字控制的LCL型并网逆变器对电网阻抗变化的鲁棒性,提出一种比例-相位滞后的补偿策略。首先,在考虑控制延时的基础上,对电网阻抗宽变化范围内的系统进行稳定性分析;然后基于Nyquist稳定性判据识别稳定区域,并合理设计比例和相位滞后补偿器的参数,使改进后的系统在电网阻抗宽变化范围时仍能够稳定运行。最后,仿真与半实物实验结果验证了所提方法的可行性和有效性。

基于状态重构准谐振扩张状态观测器的LCL型并网逆变器电流控制策略研究

LCL型并网逆变器是分布式发电与电网实现能量双向流动的重要装置,其电流控制方法通常需要多个电压电流传感器实现有源阻尼及并网电流控制,而这会增加系统成本。提出一种基于状态重构准谐振扩张状态观测器的全状态观测系统,只需一个逆变器侧电感电流传感器即可实现对所需状态变量的实时观测。通过在扩张状态观测器中每个状态变量的观测通道添加准谐振环节,解决传统扩张状态观测器跟踪正弦信号需要高观测器增益问题。同时,针对在dq轴坐标系下的并网电流控制存在强耦合问题,设计了将耦合项作为总扰动当中一部分的自抗扰电流控制器,简化了传统电流控制当中复杂的解耦过程。软件数值仿真结果表明,该控制策略表现出良好的观测效果及电流跟踪效果。

Norton equivalent circuit for current control loop of grid-connected system

Modeling method for the current control loop of a grid-connected PWM inverter with the LCL output filter was discussed.Firstly,the current control loop with the LCL inverter-side current as feedback was established.Then,parameters of PI controller were calculated on the basis of an equivalent controlled object.Finally,Norton equivalent circuit for the current control loop of grid-connected system was derived by integrating one control equation,which connected the PWM inverter output voltage and the LCL inverter-side current,with two circuit equations,separately using the LCL inverter-side current and the injected current as loop currents.With the induced Norton equivalent circuit,system-level resonant and unstable issues on real grid-connected system applied in weak distributed power systems can be easily analyzed.The validity of substituting Norton equivalent circuit for grid-connected system is verified by simulation and experiment.

应用于光伏发电的LCL型并网逆变器设计仿真

为提高并网逆变器输出电能的稳定性,建立双环控制策略模型,同时采用无源阻尼法中电容串联电阻的方法抑制LCL型滤波器的谐振尖峰问题。利用MATLAB/Simulink,搭建了光伏并网逆变器系统模型进行仿真验证。结果表明,该方案抗干扰能力强,并网电流和电网电压基本同相,实现单位功率因数并网,具有良好的稳定性。

LCL并网逆变器的自适应事件触发模型预测控制

LCL并网逆变器在采用基于事件触发机制的模型预测控制时,存在数控延迟及系统稳态性能易受运行工况变化影响等问题。为此,提出一种自适应事件触发的两步模型预测控制(adaptive event-triggered model predictive control with 2 steps,AET-MPC-2S)策略。首先,在模型预测控制环节中,该控制策略通过结合事件触发机制,筛选出合适的开关矢量进行两步预测;其次,AET-MPC引入自适应变量来监测系统的运行状态,对事件触发条件进行实时调节;最后,通过Matlab仿真和RT-LAB半实物平台进行验证。结果表明:AET-MPC-2S能够在实现延迟补偿的同时,减少两步预测的计算量,且不影响电流的跟踪效果,并能在运行工况发生变化后实时调节事件触发条件,使系统保持较好的稳态性能。论文研究可为降低LCL并网逆变器的开关频率以及改善系统的稳态性能提供参考。

基于改进无源性控制的三相LCL并网逆变器输出导纳重塑方法

基于能量函数的无源性控制(PBC)被广泛研究并用于并网变换器以获得更好的控制性能.然而,传统的PBC方法依赖并网变换器的精确数学模型,且已有研究较少考虑数字控制的延迟效应以及电容性电网或复杂弱电网下电网阻抗的不确定性对系统稳定控制的影响.鉴于此,针对三相LCL并网逆变器提出一种改进PBC方法以实现导纳重塑,通过增加电容电流前馈将系统无源区域扩展到奈奎斯特频率,在电网阻抗宽范围变化下实现LCL谐振频率的有源阻尼控制,并提出改进PBC控制参数设计方法.在3 kW并网逆变器样机平台上开展仿真和实验研究,验证了理论分析的正确性.

零相位滑动平均滤波器锁相环在LCL型逆变器中的应用

在并网控制过程中,锁相技术是并网逆变器与电网同步的关键,提出以二阶广义积分(Second-order generalized integrator,SOGI)和滑动平均滤波算法(Movingaveragefilter,MAF)为基础的零相位滑动平均滤波器二阶广义积分锁相环(Zero-phase moving average filter-second-order generalized integrator-phase-locked loop,ZPMAF-SOGI-PLL)。通过改进SOGI结构和MAF算法得到ZPMAF-SOGI-PLL,在并网逆变器控制的环节中使用了ZPMAF-SOGI-PLL方法进行锁相,进而使锁相环在不理想情况下能快速、稳定、准确地从电网中获取电压正负序分量、频率、相位等参数,并通过现代控制理论分析了该方法的稳定性。通过电网电压不平衡和含有高次谐波工况下的仿真和试验结果表明,所提方法可使LCL并网逆变器准确检测正负序分量,且并网电流的谐波含量在两种具体的工况下分别降低到1.89%和2.71%,使LCL型并网逆变器运行更稳定。

LCL型并网逆变器的线性自抗扰控制策略研究

为解决LCL型并网逆变器的谐振问题,降低并网电流的总谐波畸变率,笔者以LCL型逆变器为研究对象,提出一种基于三阶线性自抗扰的并网电流控制策略。该策略将系统内扰和外扰的总和作为广义扰动,利用扩张状态观测器ESO对状态和扰动进行估计,并实现实时补偿,其不依赖于精确的数学模型,从而提高了并网系统的鲁棒抗扰性能和谐振抑制能力。通过MATLAB/Simulink搭建单相并网逆变器仿真平台,与传统有源阻尼策略对比分析可知,文中所提策略具有较好的谐振抑制效果,降低了总谐波畸变率,并具有良好的动态性能和鲁棒性能。

Analysis and Validation for an Inverter-side Current Controller in LCL Grid-connected Power Systems

Transformerless grid-connected inverters offer greater efficiencies when transferring power from renewable energy sources to the electrical grid.If the grid-inverter connection is done with an LCL filter,high attenuation of switching harmonics is achieved while preserving a small-size output filter.However,damping must be included in the controller to assure closed-loop stability.This paper proposes a reference computation methodology for the inverter-side current feedback in a photovoltaic(PV)generation system connected to the grid through an LCL filter.Theoretical analysis of the closed-loop system stability and of the steady-state performance are presented as well as experimental validation of the closed-loop performance.The feedback controller includes active damping and relies on a resonant control structure which improves the ability of dealing with grid harmonic distortion.The controller uses a reduced set of measurements,which requires the inverter-side current and grid voltage only,and assures a power factor close to unity.

LCL-resonance damping strategies for grid-connected inverters with LCL filters: a comprehensive review

Grid-connected LCL-filtered inverters are commonly used for distributed power generators. The LCL resonance should be treated properly. Recently, many strategies have been used to damp the resonance, but the relationships between different damping strategies have not been thoroughly investigated. Thus, this study analyses the essential mechanisms of LCL-resonance damping and reviews state-of-the-art resonance damping strategies.Existing resonance damping strategies are classified into those with single-state and multi-state feedback. Singlestate feedback strategies damp the LCL resonance using feedback of a voltage or current state at the resonance frequency. Multi-state feedback strategies are summarized as zero-placement and pole-placement strategies, where the zero-placement strategy configures the zeros of a novel state combined by multi-state feedback, while the poleplacement strategy aims to assign the closed-loop poles freely. Based on these mechanisms, an investigation of single-state and multi-state feedback is presented, including detailed comparisons of the existing strategies. Finally,some future research directions that can improve LCL-filtered inverter performance and minimize their implementation costs are summarized.

弱电网下LCL并网逆变器新型复合有源阻尼策略

为抑制并网逆变器LCL滤波器在弱电网中产生的谐振,提出一种基于二阶滤波器的有源阻尼控制策略,对参数进行设计,在减少高精度传感器使用数量、考虑控制延迟的情况下,有效抑制谐振。为了进一步提高由于电网阻抗的增加引起的下降的相位裕度,引入超前相位补偿,构成新型复合有源阻尼策略,有效提高逆变器并入弱电网系统的稳定性和鲁棒性。最后,在MATLAB/Simulink仿真平台和MWINV-9R144三相桥式逆变器实验平台对该策略进行验证。结果表明,当电网阻抗较大时,采用新型复合有源阻尼策略依旧能有效提升逆变系统稳定性,在弱电网中具有较强的适应能力。