基于比例积分抑制LCL滤波电路谐振的方法研究

现有的几种抑制谐振方法的基础上，提出了利用比例积分调节器来抑制该谐振的方法。并通过控制环路参数设

计、系统稳定性分析、仿真及实验结果验证了该方法的可行性。关键词：LCL滤波电路；比例积分调节器；抑制谐振中图分类号:TN710

文献标识码：BResearch on Canceling Resonance of LCL Filter Circuit Based on

Proportional -integrator ControllerHE Zi-hang, QIN Fa-wu(School of Electrical Engineering of Guangxi University,Nanning 530004,China)Abstract: This paper discusses the advantages of the LCL filter circuit and the harm to the grid-connected inverter sys­

tem because of its resonance. To eliminate the harm of the resonance of the LCL circuit, consider in several existing meth­

ods for eliminating resonance, a new method to eliminate the resonance with proportional-integral regulator is proposed.

And through the control loop parameter design, system stability analysis, simulation and experimental results ,the feasibili­ty of the method is verified.Key words: LCL filter circuit ； proportional-integral regulator ； elimination of resonance用很小，因此在并网逆变器的滤波电路中很少见到。

1引言传统能源的枯竭与其在消耗过程中产生的污染问

LCL型滤波电路集合了前两种滤波电路的优点，对高

频谐波的抑制效果非常好,并且因为由两个电感组成,

题,使得人们不得不开始寻找新能源。电能作为人类 利用率最好的二次能源,新能源发电也成为人们关注

减小了单个电感的体积，同时减少了制作成本。因此,

LCL型并网逆变器的应用前景良好[，-2]o但是,LCL型并网逆变器在控制的时候需要注意 到它引起的谐振。LCL型滤波电路是三阶电路，存在 谐振频率,其幅频响应在谐振频率处有谐振尖峰，相位 会产生-180。跳变，容易引起逆变器甚至是并网系统

的热点。在新能源发电，尤其是新能源发电并网的过

程中,并网逆变器扮演的角色无可替代。并网逆变器是典型的有源逆变器电路。其结构由 直流电源、逆变电路、滤波器组成，其负载是分布式微

网或者强电网。由于并网逆变器的输岀是带有高频开 关频率的电流，为了使入网电流达到要求，需要使用滤 波电路对电流进行处理。传统的滤波电路有三种，分

的不稳定Of。并且，并网逆变器常用于偏远地区的

新能源发电弱电网中，由于弱电网不如强电网稳定，所 带负载的变化经常引起电网阻抗变化以及频率偏移和 电压波动，在这种情况下,LCL滤波电路引起的振荡会

别是L型滤波电路、LC型滤波电路、LCL型滤波电路。

L型滤波电路对于高频谐波的抑制效果差，为了抑制 高频谐波，电感需要做得很大，这就直接增加了电路的 成本。LC型滤波电路由于其电容直接与电网并联，使 得该电容在电路中更像电网的一部分,起到的滤波作

加剧网络的不稳定。可见，对LCL型滤波电路谐振的

抑制尤为必要。目前，抑制LCL型滤波电路谐振的方法都是对电

容的支路做处理，大致可分为两种:无源阻尼法和有源

《电气卄矣＞(2019. No. 3)阻尼法。无源阻尼法是在电容支路增加一个合适大小

的电阻，通过电阻对电容电流的阻尼作用来抑制谐振 的产生。该方法的明显缺点是使电路变得复杂，由于

电阻阻值固定，当系统环境发生变化时,抑制谐振的效 果可能会减弱。有源阻尼是在无源阻尼的基础上，将

电容支路上的电阻等效到控制回路中,从而减少了电 路成本，并且由于等效的手段不同，衍生出了许多方

法。比如电容电流反馈法、电容电压反馈法、多变量复 合反馈法、并网电流反馈法等⑻。电容电流反馈法就

是将电阻等效一个系数；电容电压反馈就是在电容电 流法的基础上乘以容抗值，其实是一种间接电容电流

反馈法;多变量复合反馈法就是通过多个变量算出反 馈系数，但是电路需要的传感器数量增加,提高了硬件

成本;并网电流反馈法相对于上面几种方法采用更少

的传感器,不受噪声干扰，降低了硬件成本，提高了系 统的稳定性。以上所述方法在设计时都比较复杂，后 面两种方法由于控制回路的复杂，在实际运用中比较

难以实现。基于上述问题，本文提出一种使用比例积分消除

LCL型滤波电路谐振的方法。该方法通过常用的比例

积分调节器的设计方法，以及更少的系统稳定约束条

件,降低了设计和实现的难度。本文最后通过仿真和 实验验证了该方法的可行性。2 LCL型并网逆变器建模图1为单相LCL型并网逆变器电路。LCL滤波

电路由逆变器侧电感厶，网侧电感厶2及滤波电容C 构成。本文中电容和电感都是理想的。逆变器的调制 策略采用双极性正弦脉宽调制。u*图1单相LCL型并网逆变器控制拓扑图对应图1画出逆变器的控制框图如图2。图2中KpwM为调制波到逆变桥输出电压的传递 函数。巩2为电网电流的比例积分调节器，用于稳定电

网电流;PR为电容电流的比例积分调节器，在本文中43用于消除LCL型滤波电路谐振。锁相环通过检测电 网电压过零点实现。KpwM的表达式如下扩USri ⑴式中为三角载波幅值；为逆变桥输出电压 幅值，由于逆变器最大输出电压等于直流电源电压值,

所以为也可以等于S。。PI调节器的传递函数如下6^0)=“+半 (2)PI调节器的转折频率为LCL滤波电路的谐振频率为对于图2表示系统的传递函数通过适当化简如下______________________________________Gpi2 \"pil Kpmn______________________________________

s3L}L2C + s2C L2(5)GpilKvma + s(厶 + 乙)+ 久2GpnKp”m式中，Gg为电容电流环PI调节器传递函数；Gp“ 为电网电流环PI调节器传递函数。3抑制谐振方法在伯德图上,LCL滤波电路谐振的表现形式是一

个增益极大的尖峰，抑制谐振在图上的表现就是将此

处的幅频曲线变得平滑。该方法可以判断谐波抑制效 果。式3和式4分别给出了 PI调节器的转折频率和

LCL滤波电路的谐振频率,本文将两个频率相等，得到

两者的参数关系，当该关系满足一定条件时，就可以有 效的抑制LCL滤波电路的谐振。电容电流环路的框图如图3所示。其对应的传递函数如下G|(s)= ------------2 GpiKpwM------------------- (6)s 辽&C + s2GrkpwmC 厶2+s(Z+®)式中，44图3电容电流环路框图GpiKpwM — QpilKpwm+K__=好 + 乎(7)

再令XP = Kp} * Kpwm ,KI = KiX *鸟沖,式(7)可变为

Gg=W +乎(8)将式(8)代回式(6)有G] (s)=sKP + KI3—厂「2丄KP(9)S 厶L2C[_s +S —亠KI亠S +L2Z-Z| + —Zj] + - 丄々 J*」则，图3可以简化成图4。图4电容电流环路简化图当PI调节器的转折频率等于LCL滤波电路的谐 振频率，即式(3)等于式(4)时，有(f _

+ L2\\ kJ 厶厶2 c(10)将式(10)代入式(9)可得G„ (, '、) =-------------------------------sKP2 +KI2KP KI(11)sZdC(X7 -sKP)[s2 +sj-+y-厶厶 +将s=加代入式(11)得G1 03 ) (aKP)2 +Kf-a/厶dC(K1 -加XP) [ - +加学 + * +厶]Lj(12)用PI调节器抑制LCL滤波器得谐振，就是在环路

中加入PI调节器后,LCL滤波电路的频率响应在谐振 频率处不存在谐振尖峰，即式(11)不存在极值点或者 极值点对系统稳定性没有影响。式(11)中存在五个 极值点，其中实数极值点有两个,都为零，对系统稳定

性无影响;虚数极值点有三个,虚数极值点表示相频特 性中的相角变化，需要保证式(12)中不存在180。的相

角变化，即新的谐振尖峰,或者新的谐振尖峰不影响系

统稳定。根据分析，只需保证下式不存在相同的根或

者相同的根不在系统带宽内。《电 14-^)(2019. No.3)厶厶 KP2(13)由于要将相同的根频率设计在系统带宽之外较为

复杂,因而本文只考虑存在两种不同根的情况。式

(13)存在不同根的时候需要满足下式。妙炉一畑) 门八在设计电容环路PI调节器的参数时需要满足式

(14)。综合上述分析，画出图3的伯德图，并与补偿

前的去先做对比,得到图5。从图中可以看出，采用PI 调节器补偿后丄CL滤波电路的谐振尖峰得到了良好

的抑制。频率/Hz图5补偿前后LCL滤波电路特性曲线4系统稳定性分析设计完成LCL谐振补偿环路之后,需要将该环路

代入系统中，通过系统的稳定性最终判断上述方法的

正确性和可行性。首先,要对电网电流环路的PI调节器进行设计。 设计时以系统的相位裕度为主要参考，同时兼顾幅值 裕度、基波频率处幅值增益等因素，得到比例系数为

2.6,积分系数为1。式(5)是系统的传递函数,通过式

(5)得到系统的伯德图如图6。从图中可以看到，幅频

曲线没有谐振尖峰,同时在穿越频率出的斜率为-1,

相角裕度为47.1°,幅值裕度为4. 29°,系统稳定。5仿真结果本文设计3kVA的LCL型单相并网逆变器。逆变 直流电源Udc =400V,开关频率Z = 10kHz,电网基频

f0 = 50Hz,滤波器逆变侧电感为厶=1.5mH,网侧电感

L2 =0.3mH,,滤波电容C=4.7|iF。电容环路PI调节 器的参数为，比例系数为2. 3,积分系数为1。电流环 路PI调节器的参数为，比例系数为2. 6,积分系数为

1. 1。按照上述参数搭建SIMULINK仿真模型如图70《电氐卄矣》(2019.No.3)45行观察，电压缩小比例为100倍，电流缩小比例为6

从结果图形中可知，系统能够正常运行，电流波形的

THD为1.62%，满足THD小于5%的并网条件。倍，得到波形如下。可以看到，电流呈现良好的正弦波 形，并且与电压同相,逆变电路稳定运行。lek JL 0 Trig'd

M Pos: 3.600m$ SAVE REC储存CHI 500mV…O2 5X)0V M iOOnw

TEK0323.BMP^ae/ -319mV49.9818Hz21-Aug-09 10:52

图10实验电压电流波形

7结论本文提出了一种基于比例积分调节器的抑制LCL

滤波电路谐振尖峰的方法。首先分析了 LCL型并网 逆变器的系统模型，然后针对引起谐振的电容电流及 其环路进行分析,得出了该方法可以消除谐振尖峰的

结论，并设计了电容电流环路，接着将电容电流环路与

电网电流结合，构成系统的整体控制结构，最后得到了

150100500-50-100-150稳定的系统。将该方法通过仿真和实验进行验证，表

9电压电流面该方法可以有效的抑制LCL滤波电路的谐振尖峰, 增强系统稳定性。参考文献[1] [2] [3]

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.04 0.08 0.09 0.10孙绍华，李春鹏，责洪奇.采用LCL滤波的三相并网逆变器[J]. 刘飞，查晓明，段善旭.三相并网逆变器LCL滤波器的券数设计

图8仿真电压和电流波形图

asuvEBP0.U0.0nU.JO0. %0.) QOew

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刘红，张晓忠，李赞.应用于三相并网逆变器的比例双谐振控制器 庄超，叶永强，赵强松，等.基于分裂电容法的LCL并网逆变器控

图9电流THD图[J],中国电机工程学抵,2015,35(8)： 2026-2032.[6]

6实验结果本文搭建一台由数字芯片TMS320F28335控制器 的三相LCL型并网逆变器，具体参数与上一节中所述 一致。IGBT开关管的型号是CM100DY -24NF,IGBT 的驱动芯片是M57962LO电流传感器使用LA-100P, 电压互感器采用LV-25P。实验中为了安全,通过测

制策略分析与改进[J].电工技术学抵，2015,30(16):85 -93.[7] [8]

腾国飞，胃国春，张志波，等.采用重复控制的LCL型并网逆变器 王要鶴，吴凤江，孙力，等.阻尼耗最小化餉LCL滤波器参敦优

单闭环电流控制[J].中国电机工程学抵，2013,33(24) ；13 -21.化设计[J].中国电机工程学报,2010,30(27) :90-95.收稿日期:2018 -04 -17作者简介:贺子航(1990-),男，硕士研克生，研究方向：电力电于技术；

量电路将实际电压电流按比例缩小后,通过示波器进

覃发梧(1993 -),男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术。