逆變器濾波器參數(shù)設(shè)置

1、1濾波特性分析輸出濾波方式通常可分為：L型、LC型和LCL型,(a)L型購LC即(c)LCL型濾波方式的特點(diǎn)比較如下:(1)中的單L型濾波器為一階環(huán)節(jié)，具結(jié)構(gòu)簡單，可以比較靈活地選擇控制器且設(shè)計相對容易，并網(wǎng)控制策略不是很復(fù)雜，并網(wǎng)容易實現(xiàn)，是并網(wǎng)逆變器常用的濾波方式。缺點(diǎn)在于其濾波能力有限，比較依賴于控制器的性能。(2)中的LC型濾波器為二階環(huán)節(jié)，C的引入可以兼顧逆變器獨(dú)立、并網(wǎng)雙模式運(yùn)行的要求，有利于光伏系統(tǒng)功能的多樣化。然而，濾波電容電流會對并網(wǎng)電流造成一定影響。(3)中的LCL型濾波器在高頻諧波抑制方面更具優(yōu)勢，在相同高頻電流濾波效果下，其所需總電感值較小。但因為其為三階環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)中

2、引入了諧振峰，必須引入適當(dāng)?shù)淖枘醽硐鳒p諧振峰，這就導(dǎo)致了其控制策略復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性容易受到影響。當(dāng)三相光伏逆變器獨(dú)立運(yùn)行時，一般均采用LC型濾波方式。并網(wǎng)逆變器的濾波器要在輸出的低頻段(工頻50Hz)時要盡M少的衰減,而要盡M衰減輸出的高頻段(主要是各次諧波)。采用伯德圖來分析各種濾波器的頻域響應(yīng)。一般并網(wǎng)逆變器濾波部分的電感為毫亨級，電容為微法級，這里電感值取1mH,電容取100uF,電感中的電阻取0.02Q,在研究LCL濾波器時，取電感值為L仁L2=0.5mH電阻R仁R2=0.01Q。對于單電感濾波器，以輸入電壓和輸出電流為變并且實際的電感中含有定電阻，其傳遞函數(shù)為Ls+R對于采用LC濾波

3、器的并網(wǎng)逆變器，在并網(wǎng)運(yùn)行時，電網(wǎng)電壓宜接加在濾波器中的電容兩端，因此此時電容不起濾波作用，可以看作是一個負(fù)載，從濾波效果上來說，它等同于單電感濾波器。并且對于被控M選取為電感電流IL的采用LC濾波的并網(wǎng)逆變器，由于有電容的作用，具控制電流IL與實際輸出電流Io之間看如下圖所示:I+年* ()U cdC內(nèi)上式中可以看出,電感電流LI將受到電網(wǎng)電壓gU的變化與并網(wǎng)電流01的影響。所以在控制過程中要參照電網(wǎng)電壓的有效值不斷調(diào)整基準(zhǔn)給定的幅值與相位。對于LCL濾波電路，逆變器輸出電流與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)可以表示為：G&S)=LL.CsA+(LCR,+L,CR)s2+(乙+R、RQs+尺+

4、E對比可知，可以很清楚的看到，在低頻時，單L型濾波器與LCL型濾波器的頻域響應(yīng)相同，都是以20dB/dec的斜率進(jìn)行衰減。但在高頻部分，單L型濾波器仍然以20dB/dec進(jìn)行衰減，但LCL型濾波器以60dB/dec的斜率進(jìn)行衰減，表明相對于單L型濾波器，LCL型濾波器能夠更好地對高頻諧波進(jìn)行衰減。將式中的s用j代入后可以看出，低頻時兩式分母中含有的項都很小，特別是的高次方項，可以忽略不計。因此在低頻時，表達(dá)式中主要起作用的是電阻部分。而隨著的不斷上升，兩式分母中含有的項不斷增大，特別是含有的高次方項，因此在高頻段，具主要作用的是分母中含有的3次方項。因此在高頻段，LCL濾波器是以60dB/de

5、c的斜率進(jìn)行衰減。對單L型、LC型及LCL型濾波器進(jìn)行比較。在低頻時，三者的濾波效果相同，并且在并網(wǎng)運(yùn)行時LC型濾波器中的電容只相當(dāng)于負(fù)載，不起濾波作用。而LCL型濾波器對高頻諧波的濾波效果要優(yōu)于單L型與LC型濾波器。2數(shù)學(xué)模型2.1 L型濾波器旨：Ur這里選擇電感電流、電容 C2電壓為狀態(tài)變M在三相平衡的情況下列出A、B、C三相的狀態(tài)方程為dq軸下的數(shù)學(xué)方程為則數(shù)學(xué)模型為2.2 LC濾波器2.2.1 LC濾波器數(shù)學(xué)模型T5JGJGJG.JlPJF2.2.2 控制器設(shè)計S5解耦控制為：在dq坐標(biāo)系下的電流狀態(tài)方程存在交叉耦合關(guān)系，為了降低控制器的設(shè)計復(fù)雜程度，首先要進(jìn)行前饋解耦控制：引入輸出濾

6、波電感電壓和負(fù)載電壓前饋解耦，在電壓外環(huán)采用輸出濾波電容電流和負(fù)載電流前饋解耦。何+砂廠也+每氐-3$?%=0S<何十砂嚴(yán)傀十盤）（心-嘉）一正rr1&0智二asL當(dāng)逆變器工作在獨(dú)立模式時，通過控制逆變器輸出LC型濾波器濾波電容上電壓使逆變器工作在電壓源模式。LC型的控制框圖如圖。電容輸出電壓uc與輸入電壓ui以及負(fù)載電流il的關(guān)系式如式：1A*It*If+II<ILACs2HlLQfYReL將負(fù)載電流il當(dāng)做擾動處理，得出電容電壓uc到輸入電壓ui環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：IAC曠+C鄧+1作出上式波特圖，圖中可看出LC型濾波器的系統(tǒng)為一個典型的二階系統(tǒng),在諧振頻率處也存在一個很大

7、的諧振峰，在諧振頻率處，系統(tǒng)的相位裕度大大降低。逆變器電壓電流雙環(huán)控制根據(jù)電流內(nèi)環(huán)控制對象不同，一般可以分為：電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)控制和電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)控制。3雙環(huán)控制方案中的電流內(nèi)環(huán)用來增大系統(tǒng)的帶寬，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)水平，電壓外環(huán)來保證電壓質(zhì)量。Uaref為電壓指令桁號Uerr為電壓誤差信號，號Jar曲內(nèi)環(huán)電感電流指令信號i err為電流誤差信號Uam為調(diào)制控制信號號，ia為濾波電感電流，Ja為濾波電容電流,ioa為負(fù)載電流，Uoa為輸出電壓，L為濾波電感r為等效電阻，C為濾波電容H,G1(s)為電壓調(diào)汽器，G2(s)為電流調(diào)力器。Figure 2-1電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)流保護(hù)。上圖

8、所示控制方案可以在電流內(nèi)環(huán)指令值處增加限幅環(huán)節(jié)對開關(guān)管進(jìn)行限但是，由于負(fù)載電流ioa擾動在電流內(nèi)環(huán)之外，這削弱了其抗負(fù)載擾動的能力。因此可在方案中增加負(fù)載電流前饋控制來提高逆變器的抗擾動能力。a為前饋系數(shù)，當(dāng)其取值為1時，相當(dāng)于電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)控制，控制框圖如圖所示。電容電流內(nèi)環(huán)不能對逆變器提供限流保護(hù)，實際應(yīng)用中須增加額外的措施來對逆變器進(jìn)行過流保護(hù)，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計完成后，需要對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。工程上，系統(tǒng)的參數(shù)整 定有多種方法,本設(shè)計中采用極點(diǎn)配置法。極點(diǎn)配置法的主要思想是:若已知莫 系統(tǒng)的模型或者傳遞函數(shù),通過引入莫種控制器，使該系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)能夠移動到指定的

9、位置，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)臺匕目匕不同性質(zhì)的負(fù)載時控制框圖不同對于雙環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)從其內(nèi)環(huán)開始進(jìn)行參數(shù)設(shè)計。內(nèi)環(huán)電流環(huán)控制的主要目的是使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，并且具有較快的動態(tài)響應(yīng)。忽略并網(wǎng)電流，采用瞬時電壓電流雙環(huán)控制的SPWM并網(wǎng)逆變器電流內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：未加入校正環(huán)節(jié)前的開環(huán)傳函為G(s)二Kpwm(sL R)(Ts 1)(T PwmS 1)開關(guān)管等效一階慣性環(huán)節(jié)為:T s 1 , KPWM表示喬路等效增益，ti為電pwm流采樣時間常數(shù)。由于 SPWM開關(guān)頻率較高，Tpwm很小，因此可以將其忽略 開環(huán)傳遞函數(shù)可以等效為:G(s)二pwm(sL R)(1.5Tis 1)5¥1.

10、5TJ41-1FJSL +A|電流環(huán)的作用是提高逆變器的動態(tài)響應(yīng)，并具有限制輸出電流的能力，提高系統(tǒng)的可靠性，采用PI調(diào)節(jié)器。G2(s)二 K2P2s 1=K2P2電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：W)i(s) =K2P2s1KpwmEs1.5Ts+1sL+RK2Ppwms(1.5TiS+1)(sL+R)按照U型系統(tǒng)設(shè)計電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器。當(dāng)工.R時'c為電流環(huán)截止頻率），可令：11R1sLR一（LR）s1Ls貝U:K2PKpwm2s12s1Woi(s)2KL2s2(1.5Te1)s2(1.5Tis1)對于典型U系統(tǒng)，可設(shè)計適當(dāng)?shù)闹蓄l帶寬ho中頻寬是衡M二型系統(tǒng)性能指標(biāo)的一個非常重要的參數(shù)。為了使系

11、統(tǒng)有良好的動態(tài)性能，希望系統(tǒng)的幅頻特型曲線以-20dB/dec穿過OdB線。中頻寬h表示了二型系統(tǒng)的幅頻特性曲線以-20dB斜率下降的寬度，其值為：h-1.5Tih的值一定的情況下,其表達(dá)式為:工程上常取h=5o根據(jù)“震蕩指標(biāo)法”，對于二型系統(tǒng)，在只有一個確定的參數(shù)K,使得其閉環(huán)參數(shù)的幅頻特性為最小峰值,K2P Kpwm h 1*22：*2可求得:K2 P =6L15TiKpwmK2I6L_2112.5TIKpwm為了保證電流環(huán)能夠?qū)χC波進(jìn)行較好的抑制,電流環(huán)的開環(huán)轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)小于SPWM開關(guān)頻率的1/5,并且對基波有較大的增益，轉(zhuǎn)折頻率要大于基波頻率的10倍。閉環(huán)傳遞函數(shù)中分母中的高次項的系數(shù)

12、Ts很小，為了便于電壓外環(huán)參數(shù)設(shè)計在此將其忽略不計，帶入?yún)?shù)后，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以化簡為1Wci(s)3s1以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)對電壓外環(huán)校正的主要目的是使系統(tǒng)在低頻段有較高增益,電壓環(huán)誤差，并且能夠抑制擾動，因此采用比例積分控制器進(jìn)行校正。將電流環(huán)化簡后的結(jié)構(gòu)如下圖所示：Wov(S)Wov(s)K( s 1)_s2(Ts 1)其開環(huán)傳遞函數(shù)為KpS+K|對應(yīng)有:K1P；T =4TiKii中頻寬度越寬h齊，系統(tǒng)的超調(diào)M越小但是其動態(tài)降落、回復(fù)時間等動態(tài)抗干擾性能降低。一般工程設(shè)計時取折中值，即h=5。據(jù)“震蕩指標(biāo)法”，對于二型系統(tǒng)，在h的值一定的情況下，只有一個確定的參數(shù)K,使得其閉環(huán)參數(shù)的幅

13、頻特性為最小峰值，其表達(dá)式為：2h2T最終可求得：1P0.6C0.12C4TiKn16Ti2最終形成控制框圖2.2.3濾波器參數(shù)設(shè)計LC濾波器的截止頻率為2.3LCL濾波器2.3.1LCL濾波器數(shù)學(xué)模型T1TsT5nt這里選擇L1電感電流，電容C2電壓以及并網(wǎng)電感L2上的電流為狀態(tài)變M,在三相平衡的情況下列出A、B、C三相的狀態(tài)方程為%-J=-tf*吊HRiwdi.tf.-htL-/?Ju*.dfy"="=y品=>q=oiAitI則dq坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型為：所示的LCL濾波器的在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。旋轉(zhuǎn)3/2變換在系統(tǒng)的d軸和q軸之間引入了強(qiáng)耦合，d、q軸電流除受控

14、制Mud和uq影響外，還受耦合電壓3L1iq、3L2iq、-wL1id、-wL2id和耦合電流wC2ucq-wC2ucd以及電網(wǎng)電壓usd、usq的影響。如果不對d軸和q軸進(jìn)行解耦控制，采用電流閉環(huán)控制時d軸和q軸的電流指令跟蹤效果不是很理想。根據(jù)圖所示的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可以推得并網(wǎng)輸出電流12同逆變橋輸出Uk以及電網(wǎng)電壓Us的控制結(jié)構(gòu)框圖如下：根據(jù)圖所示的濾波器控制結(jié)構(gòu)圖，可以推導(dǎo)出并網(wǎng)電流12與逆變橋輸出Uk之間的傳遞函數(shù)為:乙匚$+7地G+AKG)"+(八/<G+L+A)S+(K+£)5L6s21RCfS41AgC?+(Z|RrG十A&Cr)$i+(&am

15、p;&C*j+Lyt)si(7?j4-)由公式可見，這是一個雙輸入，單輸出的三階線性系統(tǒng)，選取濾波電感L1,并網(wǎng)電感L2電流以及濾波電容電壓Uc為狀態(tài)變M,Us作為系統(tǒng)的輸入，其中將Us作為系統(tǒng)的一個擾動輸入將Us當(dāng)成擾動輸入時，可以得到并網(wǎng)電流12與逆變橋輸出電壓Uk之間的傳遞函數(shù)為：二1UkLALyCAs1+L.RyCA)s'+(&RQ+a+心(盡+盡)將逆變橋輸出Uk當(dāng)成擾動輸入時，可以得到并網(wǎng)電流I2與電網(wǎng)電壓Us之間的傳遞函數(shù)為：AL$+盡<>+1ICT I A + A) (K +C7jLjCr5一H(A/?rC+7?Rr、2.3.2 控制器設(shè)計8

16、-9采用并網(wǎng)電流i2單環(huán)控制，其控制框圖如圖，其傳遞函數(shù)如式(7 應(yīng)(cq (7 ；(5)G5( J)r)=一I+(7(5)八(5)4-Gfi(s尸K、Ki/s,GH$)=l/(Lh+Rj,Gztsj-l/Cs.Gj(s)=1/(LAsA-R?)使用MATLAB作出基于并網(wǎng)電流i2單環(huán)的閉環(huán)根軌跡圖。從圖中看出，基于并網(wǎng)電流i2單環(huán)控制的根軌跡大部分都分布在右半平面，只有一小部分分布在左半平面，當(dāng)系統(tǒng)增益增大時，很容易就會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定是由于LCL型濾波器的諧振峰造成的，要使得系統(tǒng)穩(wěn)定，必須對諧振峰進(jìn)行抑制抑制LCL型濾波器諧振峰的方法主要分為無源阻尼和有源阻尼兩種。通過在電容通

17、路中引入阻尼電阻Rd來抑制諧振峰為無源阻尼；通過控制算法引入新的反饋M來達(dá)到抑制諧振峰為有源阻尼。采用無源阻尼的系統(tǒng)框圖如圖所示，忽略比例積分控制器中的積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：G(5)二q八B3S3+艮"+B#+R門肥十R、AiAKrRdCtAo=KfffBS=LIL2C,B2=LfR2C+L2RfC+LilLC+LAC.Bd什，計Rf&C十R/RtC+RjRC*Figure2-3帶無源阻尼的基卜并網(wǎng)電流2單環(huán)控制框圖在電容四路加入阻舊電阻后，基干并網(wǎng)直流12單閉環(huán)的閉環(huán)極點(diǎn)在左半平面的分布要明顯多于未引入阻尼電阻時的情況。當(dāng)系統(tǒng)增益Kp配置的合適時，開環(huán)極點(diǎn)位于左半平面，系

18、統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。但無源阻尼還存在著一些缺點(diǎn)，當(dāng)逆變器的電壓或功率等級較高時，阻尼電阻會嚴(yán)重增加系統(tǒng)損耗，影響系統(tǒng)效率，需要強(qiáng)制冷卻。而有源阻尼則不存在這些缺點(diǎn)，有源阻尼是通過控制算法消除系統(tǒng)的諧振峰，不會增加系統(tǒng)損耗，典型的方法是采用并網(wǎng)電流i2外環(huán)電容電流ic內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制法，具控制框圖如圖：Figure2-4基于并網(wǎng)電流i2外環(huán)電容電流ic內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制策略可以推導(dǎo)出基于并網(wǎng)電流i2外環(huán)電容電流ic內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制的傳遞函數(shù)如：rGp.(S)Cc(S)CS)G2i?-u1+qG($GjOG/H+(QGpi(s)=Kft+Ki/sfGc(s尸Ke-tG/(s)=l/(Lis+Rr)G:(s)-1/C

19、srGJi(s)-1/(L2SARi)o選擇合適的外環(huán)比例節(jié)分系數(shù)和內(nèi)環(huán)比例參數(shù)、主電路參數(shù)一起代入到式中，得到其閉環(huán)根軌跡。從根軌跡可知，基于雙電流環(huán)控制的三相LCL型濾波器的根軌跡有一大部分分布在左半平面，系統(tǒng)具有一定的相位裕度。在合理選擇控制器參數(shù)的情況下，基于雙電流環(huán)的控制策略能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定。2.3.3 濾波器參數(shù)設(shè)計在設(shè)計濾波器時要考慮的因素較多，給設(shè)計帶來了一定的難度，因此在設(shè)計時嚴(yán)格按以下要求：(1)電容無功功率最大不能超過額定功率的10%；電容C的作用是濾除高頻分即保證電流的高頻分M從電容上流過而不流入電網(wǎng)，因此，一般要求電容的阻抗不能太大，一般取：X=(105J其中Xc、XL

20、2分別為電容C和電感L2在開關(guān)頻率下的阻抗。如果電容取值太小，將導(dǎo)致Xc過大，會導(dǎo)致更多的諧波電流注入電網(wǎng)，使得并網(wǎng)電流畸變；而電容取值過大，則導(dǎo)致Xc過小，電容將產(chǎn)生過多的無功電流，使整個系統(tǒng)的效率降低。因此，為了提高逆變器的效率，使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近為1,通常規(guī)定濾波電容的基波無功功率在系統(tǒng)額定有功功率的5%以內(nèi)，即：C：i3x2<£；電感電壓必須小于限制值的10%;(3)諧振頻率應(yīng)該大于10倍的電壓頻率，小于0.5倍的開關(guān)頻率，防止逆變器在工作頻率將電網(wǎng)電壓v2短路，可以得到并網(wǎng)電流i2對逆變器側(cè)電壓v1的轉(zhuǎn)移阻抗Zj片一Jo?(么十么一AAC)同理可得，將逆變器側(cè)電壓v1短路，可以得到并網(wǎng)電流i2對電網(wǎng)電壓v2的阻抗為：jEL、十么一a?小C)l-cALC從計算結(jié)果可得，LCL型濾波器的傳遞函數(shù)存在兩個諧振峰值，由于諧振峰的存在，會放大諧波，使系統(tǒng)發(fā)生震蕩，甚至可能失去穩(wěn)定性，所以在設(shè)計LCL濾波器的時要盡M避開逆變器的敏感頻率，系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并且還有較好的帶寬fl