作為可再生能源發電單元與電網之間的能量變換接口，LCL型并網逆變器用來將直流電能轉化為高質量的交流電能并饋入電網。《LCL型并網逆變器的控制技術》系統闡述LCL型并網逆變器的控制技術。介紹LCL濾波器的設計、磁集成及諧振尖峰阻尼方法。針對采用電容電流反饋有源阻尼的LCL型并網逆變器，提出電容電流反饋系數和并網電流調節器參數的設計方法，并提出抑制電網電壓對并網電流影響的電網電壓全前饋策略。針對數字控制LCL型并網逆變器，揭示控制延時對電容電流反饋有源阻尼和系統穩定性的影響，并提出閉環參數設計方法。提出即時采樣方法和雙采樣模式實時運算方法，可減小甚至消除計算延時，進一步提高控制系統的穩定性和魯棒性。提出虛擬串并聯阻抗方法和電網電壓加權前饋方法，有效提高弱電網下LCL型并網逆變器對電網阻抗變化的適應能力。介紹基于前置濾波器的鎖相環的工作原理，采用復矢量濾波器方法揭示各種前置濾波器的相互關系，并提出動態性能更快的通用二階復矢量前置濾波器和諧波抑制能力更好的三階復矢量前置濾波器。
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 能源現狀和環境問題 1
1.2 基于可再生能源的分布式發電系統 1
1.2.1 基于可再生能源的分布式發電系統的優點 2
1.2.2 基于可再生能源的分布式發電系統結構 2
1.2.3 并網逆變器 3
1.3 LCL型并網逆變器的關鍵技術 4
1.3.1 LCL濾波器設計及其磁集成方法
1.3.2 LCL濾波器諧振尖峰的阻尼方法 6
1.3.3 并網逆變器閉環參數設計 7
1.3.4 控制延時影響及其減小方法 11
1.3.5 電網電壓引起的并網電流諧波抑制方法 13
1.3.6 電網阻抗對并網逆變器穩定性的影響及其改善方法 19
1.4 本章小結 20
第2章 LCL濾波器設計 21
2.1 單相全橋并網逆變器的PWM控制 21
2.1.1 雙極性SPWM控制 21
2.1.2 單極倍頻SPWM控制 24
2.2 三相全橋并網逆變器的PWM控制 25
2.2.1 SPWM控制 27
2.2.2 諧波注入SPWM控制 29
2.3 LCL濾波器設計 33
2.3.1 逆變器側電感的設計 34
2.3.2 濾波電容的設計 40
2.3.3 網側電感的設汁 41
2.4 LCL濾波器的設計實例 42
2.4.1 單相LCL濾波器 42
2.4.2 三相LCL濾波器 44
2.5 本章小結 46
第3章 LCL濾波器的磁集成方法 47
3.1 LCL濾波器的磁集成方法 47
3.1.1 單相LCL濾波器的磁集成 47
3.1.2 三相LCL濾波器的磁集成 49
3.2 磁集成對LCL濾波器濾波特性的影響 50
3.2.1 集成電感的等效磁路模犁 50
3.2.2 采用耦合電感的LCL濾波器的濾波特性 52
3.3 設計實例 54
3.3.1 單相LCL濾波器的磁集成設計 54
3.3.2 三相LCL濾波器的磁集成設計 56
3.4 實驗驗證 56
3.5 本章小結 59
第4章 LCL濾波器諧振尖峰的阻尼方法 60
4.1 LCL濾波器諧振尖峰的危害 60
4.2 無源阻尼方法 61
4.2.1 基本的無源阻尼方法 61
4.2.2 改進的無源阻尼方法 65
4.3 有源阻尼方法 67
4.3.1 基于狀態變量反饋的有源阻尼方法 68
4.3.2 基于陷波器的有源阻尼方法 69
4.4 本章小結 71
第5章 LCL型并網逆變器的電容電流反饋有源阻尼和并網電流調節器設計 72
5.1 LCL型并網逆變器的數學模型 72
5.2 電容電流反饋有源阻尼和PI調節器的頻率特性 75
5.3 閉環參數的約束條件 76
5.3.1 穩態誤差要求 76
5.3.2 穩態誤差和穩定裕度對閉環參數的約束 78
5.3.3 PWM對閉環參數的約束 79
5.4 電容電流反饋系數和PI調節器參數的設計步驟 80
5.5 設計方法的擴展 81
5.5.1 采用PI調節器加電網電壓前饋 82
5.5.2 采用PR調節器 82
5.6 設計實例 84
5.6.1 采用PI調節器的設計結果 84
5.6.2 采用PR調節器的設計結果 87
5.7 實驗驗證 89
5.8 本章小結 93
第6章 單相LCL型并網逆變器電網電壓全前饋策略 94
6.1 電網電壓對并網電流的影響 94
6.2 單相LCL型并網逆變器電網電壓全前饋策略 97
6.2.1 電網電壓全前饋函數的推導 97
6.2.2 全前饋函數各項作用 99
6.2.3 電網電壓全前饋策略對主電路參數偏差的適應性分析 101
6.3 實驗驗證 103
6.4 本章小結 107
第7章 三相LCL型并網逆變器電網電壓全前饋策略 108
7.1 三相LCL型并網逆變器的數學模型 108
7.1.1 αβ靜止坐標系下三相LCL型并網逆變器數學模型 108
7.1.2 αβ同步旋轉坐標系下三相LCL型并網逆變器數學模型 111
7.2 電網電壓全前饋策略的推導 112
7.2.1 αβ靜止坐標系下電網電壓全前饋策略 113
7.2.2 αβ同步旋轉坐標系下電網電壓全前饋策略 113
7.2.3 混合坐標系下電網電壓全前饋策略 115
7.3 電網電壓全前饋函數討論 118
7.3.1 三相LCL型并網逆變器電網電壓全前饋函數各項作用 118
7.3.2 三相LCL型并網逆變器濾波器參數變化對全前饋效果影響分析 121
7.3.3 三相L型和LCL型并網逆變器電網電壓全前饋函數相互關系 122
7.4 實驗驗證 122
7.5 本章小結 129
第8章 數字控制LCL型并網逆變器的電容電流反饋有源阻尼及并網電流調節器的設計 130
8.1 控制延時產生的機理 131
8.2 存在控制延時的電容電流反饋有源阻尼及環路增益特性 132
8.2.1 電容電流反饋有源阻尼的等效阻抗 132
8.2.2 系統環路增益的離散域表達式 135
8.2.3 系統環路增益的右半平山極點 137
8.3 數字控制時系統穩定性約束條件 139
8.3.1 Nyquist穩定判據 139
8.3.2 系統穩定性約束條件 140
8.4 數字控制時LCL濾波器與電流調節器和電容電流反饋有源阻尼的設計 142
8.4.1 LCL濾波器諧振頻率選取的禁止區域 142
8.4.2 穩態誤差和穩定裕度對閉環參數的約束 143
8.4.3 LCL濾波器參數、PR調節器和電容電流反饋系數設計 145
8.5 無阻尼時數字控制LCL型并網逆變器的并網電流環設計 146
8.5.1 無阻尼時并網電流環控制下系統穩定的必要條件 146
8.5.2 無阻尼時并網電流環參數設計及系統性能分析 147
8.6 設計實例 148
8.6.1 有電容電流反饋有源阻尼的閉環參數設計實例 149
8.6.2 無阻尼時并網電流環閉環參數設計實例 152
8.7 實驗驗證 153
8.7.1 有電容電流反饋有源阻尼的實驗驗證 153
8.7.2 無阻尼時并網電流控制的實驗驗證 156
8.8 三種控制方式下設計系統性能比較 156
8.9 本章小結 157
第9章 減小計算延時以提高LCL型并網逆變器穩定性和控制性能的策略 158
9.1 控制延時對LCL型并網逆變器的影響 158
9.1.1 數字控制LCL型并網逆變器的數學模型 158
9.1.2 減小計算延時對電容電流反饋有源阻尼特牲的改善 162
9.1.3 減小計算延時對系統控制性能的改善 164
9.2 即時采樣方法 167
9.2.1 電容電流即時采樣引入的混疊 167
9.2.2 設計實例 169
9.2.3 實驗驗證 171
9.3 雙采樣模式實時運算方法 174
9.3.1 雙采樣模式實時運算方法 174
9.3.2 設計實例 177
9.3.3 實驗驗證 179
9.4 本章小結 183
第10章 提高LCL型并網逆變器對弱電網適應能力的輸出阻抗校正方法 184
10.1 基于阻抗的并網逆變器穩定性判據推導 184
10.2 并網逆變器的輸出阻抗模型 185
10.3 輸出阻抗與諧波抑制能力和魯棒性 187
10.4 基于虛擬阻抗的輸出阻抗校正方法 189
10.4.1 并聯阻抗校正 189
10.4.2 串并聯阻抗綜合校正 191
10.4.3 參數設計和敏感性分析 194
10.5 實驗驗證 196
10.5.1 原理樣機設計 196
10.5.2 實驗結果 197
10.6 本章小結 201
第1章 弱電網下三相LCL型并網逆變器的電網電壓加權前饋策略 202
11.1 基于阻抗的三相并網逆變器穩定性判據推導 202
11.2 弱電網下并網逆變器穩定性分析 203
11.2.1 并網逆變器輸出阻抗推導 203
11.2.2 弱電網下并網逆變器穩定性判斷 205
11.3 并網逆變器輸出阻抗特性分析 207
11.3.1 無電網電壓前饋控制的逆變器輸出阻抗特性 207
1.3.2 電網電壓全前饋控制對逆變器輸出阻抗影響分析 209
11.4 電網電壓加權前饋策略 211
11.4.1 電網電壓加權前饋策略的提出 211
11.4.2 電網電壓加權前饋策略的實現方式 212
11.4.3 電網電壓加權前饋的權值設計 214
11.5 實驗驗證 217
11.5.1 穩定性測試 218
11.5.2 諧波抑制能力測試 219
11.6 本章小結 222
第12章 基于前置濾波器的同步旋轉坐標系鎖相技術 223
12.1 引言 223
12.2 SRF-PLL工作原理簡介 224
12.3 基于前置濾波器的SRF-PLL 225
12.3.1 復矢量濾波器分析法 226
12.3.2 基于復欠量濾波器的前置濾波器推導 228
12.4 通用二階復矢量濾波器 236
12.5 三階復矢量濾波器 238
12.6 仿真及實驗驗證 240
12.6.1 仿真驗證 240
12.6.2 實驗驗證 240
12.7 本章小結 248
參考文獻 249
第1章緒論
1.1能源現狀和環境問題
化石能源是人類現代文明的基石。歷經兩百多年的開發利用，化石能源已趨于枯竭。與此同時，化石能源的消耗產生了大量的廢棄物，對環境造成了嚴重的污染，成為人類可持續發展的阻礙。表1.1給出了2012年一次能源消費量中各類能源所占比例及其儲產比[1]。儲產比是指任意一年的能源探明儲量與該年度產量之比，反映了能源供應的可持續性。從表1.1中可以看出：①全球范圍內石油、煤炭和天然氣等化石能源的消費量之和占一次能源總消費量的86.9%，仍為主導能源，而這三種化石能源中僅有煤炭的儲產比超過了100年，石油和天然氣儲產比均低于60年，中國的各類化石能源的儲產比遠低于世界平均水平；②中國煤炭消費量所占比例較大，而相對較清潔的天然氣僅占4.7%。我國石油對外依存度已經從21世紀初的26%上升至2011年的57%[2]，能源緊缺問題十分嚴峻，能源安全保障壓力巨大。近年來，中國已經超越美國成為二氧化碳排放總量的最大國，與此同時，霧霾天氣和水污染等社會問題日益凸現。因此，能源的可持續供應以及環境保護問題是人類所面臨的重大挑戰，中國作為全球最大能源消耗國，任重道遠。
表1.1 2012年一次能源消費量中各類能源所占比例及儲產比
統計范圍能源類型石油煤炭天然氣水電核能可再生能源全球消費比例
為了應對能源緊缺和環境問題，人類在推行節能減排的同時，也在積極尋找新型清潔能源。
表1.1所示的全球水電和可再生能源消費分別占能源消費總量的6.7%和1.9%，均達到歷史最高水平。目前，光伏發電和風力發電等可再生能源發電正在飛速發展，并將在應對能源緊缺和環境問題中扮演日益重要的角色。
1.2基于可再生能源的分布式發電系統
以風能和太陽能為代表的可再生能源在自然界中分布廣泛，開發利用過程中對環境產生的污染小，近年來受到越來越多國家和地區的重視。美國、日本和德國等發達國家已把開發利用可再生能源作為解決能源危機和環境污染問題的重要發展方向[1]。
1.2.1基于可再生能源的分布式發電系統的優點
目前，大規模開發可再生能源的主要途徑是基于可再生能源的分布式發電。分布式發電系統是一種建在負荷中心的分散式電能供應系統，具有獨立運行和并網運行兩種工作模式。基于可再生能源的分布式發電系統(renewable energy based distributed power generation system，RE-DPGS)具有如下優點：
(1) 環境友好。風能和太陽能等可再生能源發電產生的污染小，不排放二氧化碳。
(2) 能源安全。多元化的可再生能源發電有利于緩解能源緊缺，同時也可降低我國對于進口化石能源的依賴，保障能源安全，有助于我國經濟的可持續發展。
(3) 損耗降低。發電系統接近負荷中心，電力就地生產、就地消化，避免了長距離輸電帶來的損耗。
(4) 可靠性高。當電網故障時，分布式發電系統仍可以給系統內用戶供電，同時對電網提供一定支撐，有利于電網的安全運行。
(5) 投資節省。由于單個分布式發電系統容量相對較小，小型模塊化，土建與安裝成本低，能量輸送投資少。
根據BP 2013年世界能源統計年鑒[1]的報道，截至2012年年底，RE-DPGS產生的電能已經達到全球總發電量的4.7%，比2011年增長了15.2%，其增長量占2012年全球發電量增長的31%，已成為一些國家能源供應的重要組成部分。2012年，全球共有15個國家的RE-DPGS發電量占全國總發電量的10%以上。其中，丹麥的風電發電量約占34%，葡萄牙的風電發電量約占21%，西班牙的風電發電量約占17%，愛爾蘭的風電發電量約占16%。
1.2.2基于可再生能源的分布式發電系統結構
圖1.1給出了基于風能和太陽能組成的兩種RE-DPGS典型網絡拓撲結構。由飛輪、蓄電池和超級電容組成的儲能單元用來改善可再生能源發電的間歇性和隨機性問題[3-6]。圖1.1(a)為基于直流母線方式的RE-DPGS示意圖，各種可再生能源發電單元和儲能單元通過電力電子變換器接入直流母線，經過集中的DC/AC逆變器 (RE-DPGS中通常稱為并網逆變器)和工頻變壓器后饋入電網[7， 8]。這類系統的直流母線電壓控制相對簡單，易于擴展。圖1.1(b)為基于交流母線方式的RE-DPGS示意圖，可再生能源發電單元和儲能單元通過電力電子變換器接入交流母線，并經過電力變壓器饋入電網[9， 10]。這類系統中并網逆變器分布于各種發電和儲能單元中，容量相對較小，可靠性高。
圖1.1RE-DPGS網絡拓撲結構示意圖
1.2.3并網逆變器
從圖1.1可以看出，電力電子變換器是RE-DPGS的重要組成部分，其中并網逆變器用來將直流電能轉化為高質量的交流電能并饋入電網。作為可再生能源發電單元與電網之間的能量變換接口，并網逆變器對RE-DPGS的安全、穩定和高質量運行具有十分重要的作用。
1.3LCL型并網逆變器的關鍵技術
并網逆變器有單相和三相兩種，前者主要用于容量較小的戶用型發電系統，后者則廣泛應用于大規模的基于可再生能源分布式發電站中。并網逆變器通常采用脈沖寬度調制(pulse-width modulation， PWM)策略，其輸出PWM電壓中存在豐富的開關諧波，為了抑制并網電流中的開關諧波，需要選取合適的輸出濾圖1.2L濾波器和LCL濾波器及其頻率特性波器。輸出濾波器主要有L型和LCL型兩種，分別如圖1.2(a)和(b)所示。其中，L濾波器由單個電感L組成，而LCL濾波器由兩個電感L1、L2和一個電容C組成。與L濾波器相比，LCL濾波器中含有濾波電容C，為高頻諧波電流提供了旁路通路，在實現相同濾波效果的前提下，LCL濾波器中兩個電感的電感量之和小于L濾波器中單個電感的電感量，因此其體積更小，成本更低[11-13]。然而，LCL濾波器的頻率響應存在諧振尖峰，同時相位在諧振頻率處會發生-180°跳變，如圖1.2(c)所示，如果不對這個諧振尖峰進行有效阻尼，就可能造成并網逆變器輸出電流振蕩甚至導致系統不穩定[14， 15]。因此，近年來針對LCL型并網逆變器，國內外學者展開了廣泛的研究。
LCL型并網逆變器需解決的關鍵問題主要包括并網電流質量和穩定性兩大方面，具體如下：
(1) LCL濾波器的設計。為了衰減PWM調制產生的開關諧波，需要選取合理的LCL濾波器參數，以保證并網電流滿足諧波標準。為減小濾波器體積，有時可以將兩個電感進行磁集成。
(2) LCL濾波器諧振尖峰引起的穩定性問題。LCL濾波器存在諧振尖峰，會影響并網逆變器的穩定性。為保證并網逆變器穩定，需要對該諧振尖峰進行阻尼，并合理設計閉環控制參數。
(3) 數字控制延時引起的穩定性問題。當并網逆變器采用數字控制時，會存在計算延時和調制延時。該延時會改變有源阻尼的特性，并且降低并網電流閉環的控制性能，因此需要采取有效控制策略減小延時的影響。
（4） 電網電壓背景諧波對并網逆變器的影響。實際的電網電壓連接在公共耦點(point of common coupling，PCC)處，而PCC附近通常連接有本地負載，其中的非線性設備(如弧焊機、電氣化軌道交通、飽和變壓器等)產生的諧波電流流經線路阻抗，會使PCC處的電網電壓含有背景諧波[16]。電網電壓背景諧波不僅會影響并網電流的波形質量，還會影響鎖相環的鎖相性能，需要采取有效措施抑制電網電壓背景諧波對并網電流質量和鎖相環的影響。
（5） 電網阻抗對并網逆變器穩定性的影響。從PCC處向電網看進去，可將電網等效為一個電壓源和線路阻抗，該線路阻抗會影響并網逆變器的穩定性。
針對上述問題，下文將簡述國內外研究現狀。
1.3.1LCL濾波器設計及其磁集成方法
為衰減PWM調制產生的開關諧波，保證并網電流滿足如IEEE Std. 929-2000[17]和IEEE Std. 1547-2003[18]等標準，需要選取合理的LCL濾波器參數。設計LCL濾波器時需考慮三個因素：①并網電流單次諧波和總諧波含量。表1.2給出了IEEE Std. 929-2000和IEEE Std. 1547-2003對并網電流的諧波含量限制，LCL濾波器的參數設計需要滿足這些限制條件。②逆變器側電感電流紋波。為減小逆變器側電感的磁芯損耗和開關管的導通損耗，通常需要對電感電流紋波的大小進行限制。③濾波電容引入的無功分量。合理控制濾波電容導致的無功分量，有助于減小開關管的電流應力。本書第2章將詳細闡述LCL濾波器的設計方法，使其滿足上述約束條件。
表1.2并網電流諧波分量最大限值諧波次數h(奇次諧波)
總諧波畸變率占額定并網電流比例
當諧波為偶數次時，其允許的最大諧波限值為表中所示奇次諧波的25%。
為進一步減小LCL濾波器的體積，可以將逆變器側電感和網側電感集成起來。磁集成技術在開關電源，特別是DC/DC變換器中已得到廣泛應用。根據集成后各磁件之間是否存在耦合，磁集成技術可分為解耦磁集成和耦合磁集成兩類[19， 20]。
采用解耦磁集成時，各磁件的繞組所交鏈的磁通相互獨立，集成后各磁件仍然保持著與原分立磁件相同的特性。文獻[19]闡述了解耦磁集成的應用機理，即利用無氣隙的磁柱作為低磁阻的公共磁路，通過合理的繞組分布，使各繞組交鏈的磁通在公共磁路上相互抵消，以降低公共磁芯的磁通量，由此可減小公共磁芯截面積，從而減小磁芯體積。基于這一原理，文獻[21]將交錯并聯的準方波DC/DC變換器中兩個濾波電感集成在一個磁芯上，文獻[22]實現了零電壓開關混合DC/DC變換器中兩個變壓器的集成，文獻[23]則實現了LLC諧振變換器中諧振電感和變壓器的集成。
采用耦合磁集成時，各磁件的繞組所交鏈的磁通之間存在一定的耦合，因而集成后的磁件的特性與原分立磁件有所改變。在某些特定的場合，耦合磁集成可以提高變換器的穩態或動態性能[24-28]。例如，通過選取適當的耦合方式，在交錯并聯的DC/DC變換器中，可以減小電感電流的紋波[24-26]；而在Cuk變換器[27]和多路輸出的Buck類DC/DC變換器[28]中，甚至可以實現電感電流的零紋波。
……
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