学术︱基于分裂电容法的LCL并网逆变器控制策略分析与改进

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南京航空航天大学自动化学院的研究人员庄超、叶永强等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文指出，在目前已有的LCL并网逆变器电流控制方法中，分裂电容法作为一种单电流反馈控制方法，通过降阶实现了较小的稳态误差和电流谐波失真，然而传统的分裂电容法未能解决LCL滤波器固有的谐振问题。

经分析发现分裂电容法降阶过程中对消掉的极点为临界稳定极点，使得电流反馈中不包含谐振频率处的分量，闭环系统不完全能控。采用加入无源阻尼的方法并合理配置阻尼电阻的比例关系，既实现了降阶特性也改善了滤波器的谐振特性。

在此基础上，为了更好地抑制电网扰动，推导了适用于分裂电容法的电网电压前馈策略。经过仿真与实验，验证了理论分析的正确性和改进方法的有效性。

随着能源危机的加剧和智能电网的发展，有关新能源的分布式发电日益受到重视[1]。输出滤波器作为连接发电设备与电网的桥梁，近年来受到了广泛的关注和研究。就并网逆变器的输出滤波而言，LCL滤波器由于加入了电容支路，能用较小的电感更好地抑制开关频率附近的高次谐波，具有成本和功率密度低的双重优势[2]。

忽略寄生参数的影响，LCL滤波器可近似为一个无阻尼的三阶系统；在LCL的谐振频率处，其幅频特性曲线上存在一个增益为无穷大的谐振尖峰，该尖峰会放大谐振频率附近的干扰，显著地影响系统的闭环控制特性。尽管实际LCL滤波器元件的等效串联电阻（EquivalentSeries Resistance, ESR）使得谐振尖峰有所减小，但这样的阻尼效果很弱。另外LCL滤波器的相频特性在谐振频率处由90°突变到270°。

为保证一定的相位裕度，截止频率必须设置在谐振频率之前，通常是1/4～1/2[3]。采用常规PI控制时，受限于截止频率的设置，易使系统的低频开环增益不足，难以实现较小的稳态误差和抗扰动能力；而采用比例谐振（Proportional- Resonant，PR）需要设置多个谐振补偿环节且多个谐振补偿环节的权重设计也较复杂。

因此许多文献针对这一问题进行了分析并提出了改善LCL滤波器控制特性的方法。文献[4]通过引入无源阻尼的方法达到抑制谐振尖峰的目的，简单方便但会使滤波性能变差，且不能解决系统截止频率过低的问题。

文献[5-7]多引入了一个系统变量作为内环反馈，能够有效地抑制谐振尖峰而不影响滤波器本身的滤波效果，但需要增加一个电流传感器和复杂的内外环参数设计。文献[8]引入了电容电流的估算方法来实现有源阻尼，从而节省了一个电流传感器，但其估算效果取决于算法的鲁棒性和模型参数的准确性。

不同于上述的网侧电流反馈，文献[9]采用逆变侧电流反馈，通过调节控制系统的数字延时提升了系统的稳定性，但由于是间接电流控制，受到电网电压谐波扰动的影响较大。因此文献[10]提出了适用于逆变侧电流反馈的电网电压前馈策略。

文献[14]首次提出分裂电容法来控制LCL并网逆变器，通过零极点对消的方法将三阶系统降为一阶系统，可将控制对象等效为L型滤波器，大大提高了系统开环低频增益和相位裕度。

本文阐述了分裂电容法的谐振电流问题，分析了其谐振产生的理论模型，提出并验证了在两条电容支路上分别串入成比例阻尼电阻的方案，能在保持分裂电容降阶特性不变的基础上，显著地抑制谐振电流。并在此基础上，推导了适用于分裂电容法的电网电压前馈策略来抑制电网电压背景谐波的影响，并分析了前馈策略在实际应用中的有关问题。最后通过Matlab/Simulink软件仿真与一台2kW并网逆变器的实验，验证了理论分析的正确性与所提出控制策略的有效性。

图1 单电流反馈的并网逆变电源系统

结论

本文主要分析了分裂电容法导致谐振电流的理论模型。采用串入成比例电阻的无源阻尼法来抑制谐振电流并分析了电网电感变化对系统稳定性和输出导纳的影响。推导了基于分裂电容法的电压前馈策略，以改善电网电压谐波导致的入网电流畸变，并讨论了存在系统延迟下电压前馈策略的有效性。

仿真和实验结果表明针对分裂电容法的分析是正确的，改进是有效可行的。但由于无源阻尼引入了额外损耗，使得该方法适用于小功率场合，在大功率场合可能由于损耗过大而不宜采用。针对这一点，后续工作将在分裂电容的基础上引入有源阻尼来避免额外损耗。

（本文有缩减，进一步阅读请访问期刊官方网站，可免费下载全文PDF版。）

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