基于LCL滤波器的单相并网逆变器控制策略的研究

摘要

光伏并网逆变器作为分布式发电系统和电网的连接设备，是太阳能发电系统中的关键组成部分。传统并网逆变器采用的是L型滤波器，但在中大功率的应用中，需要较大的电感才能满足并网电流的标准。LCL滤波器具有更好的高频谐波抑制能力，在相同滤波效果的前提下，LCL滤波器的体积更小，成本更低。但是LCL滤波器存在固有谐振问题，容易带来系统的不稳定，同时也增加了滤波器的设计难度和控制的复杂度。本文针对LCL滤波并网逆变器在滤波器参数设计和谐振抑制上等问题，对电流单环控制系统进行了分析和研究。
　　本文分析和建立了基于LCL滤波器的单相并网逆变器数学模型。根据LCL滤波器的数学模型推导了逆变侧电流和并网侧电流关于逆变桥输出和电网扰动输入的传递函数。深入阐述了全桥逆变器在不同采样方式和调制方式下对数字控制造成的延时，得到含延时环节的全桥逆变器传递函数。根据幅值裕度和相角裕度分析法，研究了并网电流单环控制和逆变电流单环控制在一拍延时和半拍延时下稳定的机理，并推导出控制系统参数随LCL滤波器谐振频率和开关频率之比变化的稳定范围表达式。提出根据系统稳定裕度设计并网电流PI控制器参数的方法。剖析和对比了PI控制器和准PR控制器对系统稳定性、动态性能和稳态误差的影响。探究了基于电网电压背景谐波的控制策略优化，提出准 PR控制加谐波补偿器的控制方法来提高系统特定次谐波的输出阻抗。同时分析和对比了全电网电压前馈、电网电压二阶微分前馈、单位电网电压前馈和无电网电压前馈对系统输出阻抗的影响。提出基于并网电流单环控制的LCL滤波器设计方法。
　　针对上述理论分析和Matlab/Simulink仿真验证，搭建了3kW光伏并网逆变器实验平台。通过设计不同谐振频率与开关频率之比实验，验证了电流单环控制稳定的参数范围和理论计算基本一致。对比LCL滤波和L滤波实验结果，证明了LCL滤波的优势。经过对比PI控制和准PR控制，证实了准PR控制能更准确跟踪正弦信号。准PR控制加入三次谐波补偿器的电流控制实验表明谐波补偿器能提高系统抗电网谐波干扰能力。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 关键技术问题和研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 基于LCL滤波器的并网逆变器的数学模型

2.1 LCL滤波器的数学模型

2.2 全桥逆变器的数学模型

2.3 本章小结

3 基于LCL滤波器的并网逆变器单环控制的分析和设计

3.1 电流单环控制稳定性分析

3.2 电流单环控制方案设计

3.3 基于电网电压谐波的控制策略优化

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

4 LCL滤波器的设计

4.1 总电感的设计

4.2 前后电感比的设计

4.3 滤波电容的设计

4.4 本章小结

5 实验验证和分析

5.1 系统硬件设计

5.2 实验验证结果

5.3 本章小结

6 全文总结与工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献