一种不需要电容电流传感器的LCL滤波电路有源阻尼控制方法

尹正兵，　张　伟，　张鲁华

1.上海电气集团股份有限公司 输配电分公司技术中心　上海　200042

2.国网山东省电力公司检修公司　济南　250118



一种不需要电容电流传感器的LCL滤波电路有源阻尼控制方法

尹正兵1，张伟2，张鲁华1

1.上海电气集团股份有限公司 输配电分公司技术中心上海200042

2.国网山东省电力公司检修公司济南250118

针对LCL滤波电路中电力电子变流器的谐振问题，提出了一种反馈虚拟电容电流的有源阻尼控制方法。根据LCL滤波电路的拓扑结构，建立系统状态方程，再结合网侧电压推导出电容基波电流的幅值和相位，将产生的虚拟电容电流反馈到控制环，从而实现电力电子变流器LCL滤波拓扑的有源阻尼控制，抑制系统振荡，提高系统的稳定度。通过500kW光伏发电系统实验验证了这一控制方法的有效性。

虚拟电容电流反馈； 滤波电路； 有源阻尼； 变流器

当前在对谐波要求较高的电力电子变流器的应用场合，单纯的单电感L型式的滤波电路已经很难满足系统要求。特别是在大功率应用背景下，较多采用的是LCL或者LC型式的滤波电路。由于LCL为三阶系统，LC为两阶系统，容易引起系统谐振，因此有大量围绕着抑制LCL或者LC谐振的研究文献[1-6]。总体上抑制谐振的方法分为两种： 无源阻尼控制和有源阻尼控制。无源阻尼控制通常采用在电感侧或电容侧串联电阻的方法，缺点是功率损耗大，影响系统效率；电阻发热量大，使变流器柜体内的散热设计增加了难度；串联电阻会降低低频段谐波的衰减幅值，影响滤波效果。在有源阻尼控制中，大量文献和实验发现反馈变流器侧电感电流系统较易稳定，但是在要求功率因数灵活可调控制的场合，很难通过直接给定电网电流指令的方法达到目标要求[7-14]。基于上述原因，采用反馈网侧电抗器电流的方法，首先要解决的问题就是抑制谐振。当前的文献提出了多种控制方法，主要为反馈电容电流或电压至控制回路，这就需要加装电流或电压传感器，会增加系统成本。

建立系统状态方程，推导出电容电流与网侧电压幅值和相位的关系，将产生的虚拟电容电流反馈至控制环，无需增加额外的电流传感器。这一方法基于基本电路原理，理论简洁明了，实现方法简单，特别适用于对谐波要求较高或有大功率电力电子变流器应用的场合。

另外，这一方法是根据简单的传递函数关系推导而来的，因此只针对采用LCL滤波电路的变流器展开研究，对于采用LC滤波电路的变流器，可以采用类似的方法实现有源阻尼控制。

1　传统的LCL谐振抑制方法

1.1拓扑结构

采用LCL滤波电路的变流器主电路拓扑结构如图1所示，其中S1～S6为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，Udc为直流母线电压，C为电容，Grid为电网，L1、L2分别为变流器侧和网侧电抗器，i1、i2分别为变流器侧和网侧电流，ic为滤波电容电流，uc为滤波电容电压。图中忽略线路的电阻。

图1　采用LCL滤波电路的变流器拓扑

1.2传递函数

LCL滤波电路的等效单线图如图2所示，图中ug为电网电压，R1、R2为电抗器等效电阻。

图2　LCL滤波电路的等效图

滤波参数设置后，网侧电流i2主要受uin和ug影响。通常情况下，电网可以视作一个容量无穷大的稳定电压源，此时uin为系统的输入，电网电压ug可以视作系统的扰动量，由此可得到网侧电流i2与变流器输出电压uin的传递函数：

i2(s)/uin(s)=[s3L1L2C+s2(L1CR2+L2CR1)

+s(L1+L2+R1R2C)+R1+R2]-1

(1)

1.3传统的反馈电容电流控制方法

对于一般接入电网的变流器，可以通过外环(电压环，一般为直流母线电压)、内环(电流环)的方法进行控制。对于采用LCL滤波器的变流器，在没有无源阻尼的情况下，单纯使用电流内环PI控制无法使系统稳定运行。由系统的控制性能分析可以得出，在外环的基础上增加电容电流内环的反馈量可以提高系统的响应速度，有利于系统稳定[15]。电压外环不作改变，电流内环的控制框图如图3所示。

图3　基于电容电流反馈的内环控制图

图中s为拉普拉斯算子，uin、uc、ug分别为系统输入电压、电容电压和电网电压，图中上标带有*的量表示目标给定值。电抗器的等效电阻忽略不计，电容电流ic作为内环控制变量，可以抑制谐振，增加系统阻尼，以达到稳定系统的目的。因为网侧电流外环要求对并网电流进行精确的跟踪控制，所以一般选择PI控制器，由此电容电流反馈环节可以使用简单的比例控制器Kc，只需达到稳定系统的目的，而不需考虑控制精度，误差值也不会影响网侧电流的跟踪精度。

2　控制器设计

2.1滤波电容电流

由图2及图3可知，在电流反馈环节，网侧电流是控制目标，需要使用传感器采集的量。由图2可知，滤波电容电流ic与网侧电流i2可以通过电路拓扑推导得到，因此在图3所述控制策略中，反馈的电容电流没有必要再使用单独电流传感器采集。

由图2可得：

ic=s2CL2i2+sC(R2i2+ug)

(2)

式中i2和ug都是已知量，由此时域情况下电容电流的幅值、相位为：

ic=jωC(R2i2+ug)-ω2CL2i2

(3)

式(3)进一步说明，电容电流的幅值、相位由网侧电抗器的参数、电网电压及网侧电流决定，通常电抗器的等效电阻数值较小，可以忽略不计。此外，式(3)中等号右侧第二项中滤波电容C与网侧电感L2的乘积非常小，亦可忽略不计，因此式(3)可以改写为：

ic≈jωCug

(4)

这样可得，电容电流相位超前于电网电压90°，幅值与电网电压成正比。

2.2虚拟电容电流反馈控制

基于式(4)，通过测得的电网电压，可以生成滤波电容电流，然后代替传统电容电流反馈中所需要使用的电流传感器采集的电流数据，直接反馈到控制回路中。基于虚拟电容电流反馈的内环控制框图如图4所示，图中jw为算子，其它符号定义与图3相同。

图4　基于虚拟电容电流反馈的内环控制图

3　实验验证

3.1实验设备

上述基于虚拟电容电流反馈的有源阻尼控制方法在500kW光伏变流器产品(Solar-500-315)中进行实验验证。拓扑结构与图1类似，直流电源由模拟太阳能阵列的可调大功率直流输出电源替代，设备的额定功率为500kW，交流输出端电压为315V。图5为产品的调试界面。

图5　500kW光伏变流器调试界面

3.2实验过程及结果

为了验证所提出的有源阻尼控制方法的有效性，进行不同功率等级下的实验，如图6所示。图中第1(黄色)、3(蓝色)通道为网侧电流，第2(绿色)通道为滤波电容电流，第4(粉色)通道为电网电压。

图6中a、b、c、d、e所发出的网侧电流有效值分别为98.5A、399.4A、602.7A、701A和836A。

比较图6中不同功率等级下的电容电流可以发现，其有效值基本固定在52A左右，不随系统功率的变化而变化，仅与滤波电容的容值和电网电压有关，由此验证了式(4)的正确性。式(4)正是虚拟电容电流反馈控制的基础。从图6还可以看出，网侧电流无论在何种功率等级下均没有出现谐振现象，说明本文所述方法的有效性。

4　结论

通过推导LCL拓扑结构的状态方程，建立起滤波电容与电网电压的简单数学关系，进而在不加装额外电流传感器的情况下，通过电网电压得到虚拟电容电流，并将之反馈到系统控制环，实现有源阻尼控制，抑制系统振荡。这一方法过程简单，理论基础可靠，可以在降低变流器产品成本的同时获得较高的控制性能。经过500kW光伏发电系统实验，验证了这一方法的正确性。

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图6　反馈虚拟电容电流的有源阻尼算法功率实验

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In view of the resonance of power electronic converters with LCL filter circuit, proposed an active damping control method for virtual feedback capacitance current. The system state equation was created depending on the topology of LCL filter circuit, and then, amplitude value and phase of fundamental current of the capacitor were derived in combination with the voltage at the side of the network, thus the created virtual capacitor current would feed back to the control loop, thereby LCL filter topology of the power electronic converter could achieve active damping control, suppression of system disturbance, and improvement of system stability. By the experiment in 500kW PV generating system it demonstrated the validity of this control method.

Feedback of Virtual Capacitance Current; Filter Circuit； Active Damping； Convertor

2015年12月

尹正兵(1979—)，男，硕士，工程师，主要从事大功率电力电子技术及其在新能源变流器系统中应用的工作，

Email: yinzhengbing@126.com

TM46;TP273

A

1674-540X(2016)02-052-04