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基于改进的PR调节的单相LCL双闭环电流控制并网逆变器的研究
The Research of Single-phase LCL Dual-loop Grid Current Control Based on the Modified PR Regulator ABSTRACT: With the advantages of good filter property and small size, LCL filter is widely applied in single-phase grid inverter. However, its capacitance branch is extremely vulnerable to resonances, which are harmful to the design of control circuit, so we propose many strategy to solve the problem. Monocyclic grid current control strategy is a severe underdamped system and the existence of resonant peaks can cause the distortion of current waveform. PI regulator is unable to stabilize the closed-loop system. In terms of PR regulator, by increasing the current loop gain of specific frequency, the error of harmonic can be restricted, but the frequency variations influences and controls the b-and width of the system. This paper comes up with a kind of frequency variations influences and adopts double loop current control strategy. The experimental result indicates that this kind of strategy can effectively solve the problem of the inverter, in the case of the grid frequency fluctuation, giving rise to the grid current resonance and the power factor of the grid current.
KEY WORDS: grid-connected inverter; PI controller; frequency feedback; dual-loop current controller
摘要：LCL滤波器具有滤波特性好，体积小的优势，被越来越广泛的应用于单相并网逆变器中，但由于其电容支路极易产生谐振，对控制电路设计产生不利，故我们提出了许多控制策略来解决这个问题。单环并网电流控制策略是严重欠阻尼的系统，谐振尖峰的存在会引起电流波形畸变，PI调节器并不能使闭环系统稳定，PR调节器通过增加特定频率的电流回路增益来抑制谐波误差，但频率漂移影响和控制系统的带宽。采用双环电流控制策略,本文提出一种频率跟随的PR控制器。试验结果表明，该策略能有效解决逆变器在电网频率波动的情况下进网电流谐振和进网电流的功率因素的问题。
1 引言
随着新能源发电技术，如光伏发电和燃烧电池发电越来越受到人们的重视，并网逆变技术的发展也成为趋势。逆变器在并网运行时，采用电流控制方式，注入电网的电流谐波是一项重要的指标。LCL滤波器虽然体积更小，进网电流质量更高，但是由于是三阶系统，增加了二阶谐振零极点，容易引起震荡。目前抑制系统震荡的方法主要有有源阻尼和无源阻尼。无源阻尼通过串并联电阻抑制震荡，增加了损耗，同时使LCL牺牲了高频抑制能力。有源阻尼通过内环反馈增加系统阻尼，属于无损方式。故本文采用电容电流为内环，电感电流为外环的双环控制策略，由于PI调节控制时输出电压存在一定的相位差和幅值差，故外环采用PR调节实现无静差跟踪。由于实际电网频率存在波动，导致PR控制器可能无法在特定频率处获得无穷大的开环增益，故采用锁频环对电网频率的微小变化进行跟随，从而对PR控制器的基频进行微调，从而使开环增益尽量大。
本文采用TI公司的DSP2808为软件平台，以单向全桥逆变器为研究对象，研究了一种带频率反馈的PR控制器的双闭环电流控制器，在10KHZ的开关频率下实现了并网电流高精度跟随电网电压。
2 系统结构
图1为带LCL滤波环节的单相全桥逆变系统在带FLL的PR调节的双闭环电流控制结构图。
图1 系统控制结构图
Fig.1 System control structure
由图1可知，并网电流被作为外环，电容电流被作为内环，实现了电容上并联电阻的阻尼作用，从而达到抑制系统谐振的目的。鉴于PI控制中存在稳定误差，提高系统的无静差稳态跟踪能力，并且提高系统的响应速度，采用PR控制作为外环的控制方法。
PR控制通过比例谐振环节增加了特定频率的电流回路增益来抑制基波误差或谐波分量，但受到频率漂移的影响和控制系统带宽的限制。因此本文引入FLL来跟随电网频率，从而随时调节PR调节器里面谐振点的频率，使PR调节始终处于谐振，增加电流回路增益。
50HZPR3141
PR对应的谐振频率随电网频率波动而波动，从而使其一直能满足谐振的特点。图2为电网频率波动-1HZ,-0.5HZ,0.5HZ,1HZ,-5HZ,5HZ时的伯德图：
图2 频率偏移时二阶系统伯德图
Fig.2 Bode of the second-order system when the frequency offset
由,
(2)
A(dB)
闭环系统的结构框图如图3所示：
图3 闭环系统的结构框图
Fig.3 Block diagram of the closed-loop system
由图3所示的控制框图可知，系统的开环传递函数为：
4由伯德图可知，控制系统是稳定的。
3 系统仿真及实验分析
为了验证频率反馈PR调节的有效性，对电网电压频率掉频，电网电流切换时跟随电压能力，并网电压的THD进行了研究。根据以上分析，设计出一台1KW的试验样机。单向逆变输出电压为220/50HZ，滤波器参数为L=3.5MH，C=16uF.功率器件采用IGBT，开关频率为10KHZ，经试验验证，选取 =4， =100。仿真和实验条件相同，因考虑电流内环，电网掉频时频率为49HZ。
图5 基于FLL 的PR控制电流双闭环仿真波形
Fig.5 Simulation waveform with PR control dual loop strategy based on FLL
图6 逆变器工作电流突变波形
Fig.6 Simulation waveform with the current mutation of inverter
图5至图8为基于FLL的PR调节的电流双闭环仿真波形。其中图5为电网未波动正常的并网波形，进网电流THD为0.35%。图6为逆变器工作从满载到满载以及满载到未满载的动态仿真波形。图7为基于FLL的PR调节的电流双闭环仿真波形电网过频时电流动态跟踪波形，给定电流为8A。电流刚开始幅值和相位没有跟踪到给定电流，经过几个周期后完全跟随给定电流。图8为传统的电流双闭环掉频电流波形，给定为8A，由图可知，由于电流幅值跟踪不到给定，相位有一点延迟。从总体上看，系统在并网电流突变的情况下仍能够稳定运行，并能较的跟踪电网。
图 7 基于FLL的PR控制时电网掉频时电流波形（f=49HZ）
Fig.7 Simulation waveform with PR control power grid frequency fall based on FLL(f=49HZ)
图8 电网掉频时传统的电流波形
Fig.8 Simulation waveform with power grid frequency fall by traditional methods
图9至图12为基于FLL的PR控制电流双闭环逆变器试验波形。图9为电网正常情况下进网电流波形，THD为0.44%，PF为0.995。图10和图11为并网电流从2.4A突变到4.8A和从3.2A突变到2.4A的动态试验波形。此时电流的THD分别为7.5%和6.8%，PF分别为0.978和0.988。图12为电网频率由50HZ突变到49.5HZ，电流的动态试验波形。从试验结果可以看出，基于FLL的PR控制器的电流双闭环控制器抑制了LCL的低频振荡，具有优良的动态性能，而且对电网频率波动具有较快的动态反应。
图9 基于FLL的PR控制电流双闭环波形
Fig.9 Experimental waveform with PR control dual loop strategy based on FLL
图10 并网电流从2.4A突变到4.8A波形
Fig.10 Grid current dynamic response(2.4A-4.8A)
图11 并网电流从3.2A到2.4A突变波形
Fig.11 Grid current dynamic response(3.2A-2.4A)
图12 电网频率掉落变化波形（f=49HZ）
Fig.12 Experimental waveform with power grid frequency fall
4 结论
采用并网电流和电容电流双闭环控制的LCL滤波逆变器可以抑制谐振尖峰，具有良好的动态性能，引入PR调节可以在基频时增加电流回路增益来抑制谐波误差，使系统动态性能更好，但却存在频率漂移的问题。本文通过仿真和试验验证，引入频率反馈的PR调节可以对电网频率漂移引起的谐波具有抑制作用。
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