2020年5月15日第43卷第10期
现代电子技术
ModernElectronicsTechniqueMay2020Vol.43No.10三相LCL型逆变器双闭环电流控制策略研究
陈
蓓1，任
鹤2，党胜梅3，伏亮亮4
710021；2.中电集团公司第三十九研究所，陕西西安
264200；4.国网兰州供电公司，甘肃兰州
710065；
730070）
（1.陕西科技大学电气与控制工程学院，陕西西安
3.威海怡和专用设备制造有限公司，山东威海摘
谐波，实现零稳态误差跟踪的逆变控制策略。与比例复数积分控制器相比，该混合控制器不仅可以完全消除稳态误差，而且使系统具有更好的快速性。在三相静止坐标系上实现复数域的实数化，通过Simulink仿真模型对理论分析进行仿真验证，在三相LCL型逆变器实验平台进行实验验证。仿真与实验结果证明，采用该混合控制器的控制策略具有良好的控制效果。
关键词：逆变器；双闭环；电流控制；LCL逆变器；模型分析；仿真实验中图分类号：TN721⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2020）10⁃0014⁃04
要：在比例复数积分控制器基础上增加截止频率ωc，并联一个积分控制器，构成混合控制器，以此设计一个能抑制
Researchondoubleclosed⁃loopcurrentcontrolstrategyforthree⁃phaseLCLinverter
（1.SchoolofElectricalandControlEngineering，ShaanxiUniversityofScience&Technology，Xi’an710021，China；
2.The39thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation，Xi’an710065，China；
3.WeihaiYiheSpecialtyEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，Weihai264200，China；4.StateGridLanzhouElectricPowerSupplyCompany，Lanzhou730070，China）
CHENBei1，RENHe2，DANGShengmei3，FULiangliang4
.com.cn. All Rights Reserved.Abstract：Thecut⁃offfrequencyω
c
isaddedonthebasisoftheproportionalcomplexintegralcontroller，andanintegral
controllerisconnectedinparalleltoformahybridcontroller.Aninvertercontrolstrategyisdesignedtosuppressharmonicsand
realizezerosteadystateerrortracking.Incomparisonwiththeproportionalcomplexintegralcontroller，thehybridcontrollercannotonlyeliminatethesteady⁃stateerrorcompletely，butalsomakethesystemhavebetterrapidity.Therealnumberofthecomplexdomainisrealizedinthestaticthree⁃phasecoordinatesystem.ThetheoreticalanalysisisverifiedbytheSimulinkBothsimulationandexperimentresultsprovethatthecontrolstrategyofthishybridcontrollerhasacertaincontroleffect.
Keywords：inverter；doubleclosedloop；currentcontrol；LCLinverter；modelanalysis；simulationexperiment
simulationmodel，andtheexperimentalverificationisperformedontheexperimentalplatformofthethree⁃phaseLCLinverter.
0引言
实质上是一种非线性控制方法，其控制特性使得其存在抖振等问题。近些年，有学者提出比例复数积分控制器[6]。该控制器虽然能够完美地实现对基波的无静差跟踪，且抑制了谐波，但在数字化实现过程中容易导致频率偏移，对基波的跟踪效果变得较差。
本文通过在比例复数积分控制器基础上增加了截止频率ωc，以及并联积分控制器，构成一个混合控制器，设计了一个便于工程应用，具有谐波抑制，能实现零稳态误差的三相LCL型逆变器双闭环电流控制策略。采用该混合控制器的双闭环电流控制策略可以消除稳态误差，使系统具有更好的快速性，同时降低输出电压波
逆变器广泛应用于太阳能发电、风能发电以及工业现场等多种领域，科技的发展又使得各种设备对逆变器控制的要求越来越高。传统逆变控制方法有双闭环PI控制[1]、无差拍控制[2]、比例谐振控制[3]、滑模控制[4]等。其中PI控制器虽然算法简单、可靠性高，但传统的PI控制方法对正弦的交流量无法实时跟踪，导致相位滞后，从而达不到理想的控制效果[5]。传统无差拍控制存在延时和依赖精确的电气模型参数等不足。比例谐振控制的参数较难整定，且对谐波的补偿作用有限。滑模控制
收稿日期：2019⁃09⁃26
修回日期：2019⁃11⁃12
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51577110）；校自选项目（ZX11⁃27）
第10期
陈蓓，等：三相LCL型逆变器双闭环电流控制策略研究
15形的谐波畸变率，从而提高输出电能质量。
1系统模型分析
逆变器是由逆变桥、直流电源和滤波电路等组成的
电力电子装置或设备，可以把直流电转变成任意形式的交流电，并调整所需要的频率、电压或电流的值。带LCL滤波器的逆变器电路结构如图1所示。
图1逆变器电路结构
由图1可看出，逆变器的电路结构主要包含直流稳压电源UDC器以及三相负载。、母线电容LCLCIN滤波器由逆变测电感、三相逆变全桥、三相LLCL滤波
1
的等效电阻，
1容C，负载侧电感L，滤波电2r组成，其中rL为电感L1L2
为电感L2若设u的等效电阻，rC为滤波电容C的等效电阻。
k为逆变全桥输出电压，uo逆变侧电感L为负载侧电压；令
1
L1k
2
流i流过的电流两端的电压i、负载侧电感L
L2
k、滤波电容Cu流过的电
Ck为状态变量[7]，则可得状态空间方程[8]
为：
ìïï
i1ï′Lk=ukLï1-L11u
Ckíïi2
（1）
ï
′Lk=
L1uuCk-oïïî
u′2L2Ck
=1CiL1
k-1CiL2
k
2
电感电流反馈的控制策略分析
2.1
本文考虑采用电感电流反馈的双闭环控制策略控制策略
[9]，将逆变全桥的工作过程看作一个比例环节KSVPWMKPWM，若以PWM为直流母线电压的方式控制开关器件开通与关断为例，
12。设G取值u和电流环的传递函数，控制框图如图(s),Gi2(所示。
s)分别为电压环图2电感电流反馈的双闭环控制框图
将控制框图化简可以得到逆变系统内环电流环的传递函数：
G内(s)=
K同时可得到逆变器系统输出电流s)K1Cs3+KL(L22CsCs22++(1L)1K+L2)s+K（2）
式中：K=Gi(PWM；K1=L1L2。iL2
k的闭环传递
函数：iL2
k=Gr式中：
(s)iref-Guo
(s)uo
（3）
Gr(s)=
LKGKu1Cs3+2CKs2+L1s(+s)1+(1+K)Gu(s)（4）Gbuo
(s)=
a2s2+2b1式（4）中K和K+sa+1bs03s3+a2s+a0
（5）
1b与式（2=KPWM2
Gi2(s)CL1+L22）相同，式（5）中：
1b1b=KPWM3Gi3(s)C+2KPWMGi(s)L10a==KKPWM3Gi3(s)
3PWM2Gi2(s)CL1L2+L2a=K)CL1aL2PWM3G2
i3(s2+2KPWMGi(s)L1L1=KPWM3Gi3(s)L22G=K2a+KPWMGi2(s)L0PWM3G1i3(s)(1+Gu(使得系统能够无静差跟踪输入；
)可以看作系统跟踪输入参考电流s))
r(sGiref的传递函数，uo
制输出电压干扰的传递函数，从而使得系统具有一定的(s)可以看作系统抑抗扰性能。2.2
传统的控制器
PI控制器通常适用于直流控制系统，可实现直流分量的零稳态误差控制，而逆变器控制为交流控制。当PI控制器应用于交流控制时，会存在一个无法消除的稳态误差。
因此选择采用比例复数积分控制器（PCI）[9]
，其传递
函数为：
Gu(s)=kP+
ks-jIω0
（6）
为了避免在数字芯片上实现控制算法时导致频率偏移，通常需要在控制器的分母上加一个截止频率ωc构成准比例复数积分控制器：
，Gu(s)=kP+
ks-jωI0将式（7）代入式（4）中进行分析可知，+ωc
（7）
式（7）无法实现当s→jω0数积分控制器并联积分控制器的混合控制器。其传递
时，有Gu(s)→1，因此，本文采用准比例复函数表示为：
Gu(s)=kP+
ks-jωI10+ωc
+ksI2（8）
将式中的积分控制器等效到静止坐标系可得到谐
.com.cn. All Rights Reserved.16现代电子技术
2020年第43卷
振控制器[3]，因此不难得出，式（8）可以实现当s→jω0有G时，u法如图(s3)→所示。图中：1。双闭环电流反馈的混合控制策略实现方i(2a的三相电流信号；i*s)(，s)，i2b(s)，i2c(s)为采样得到的L2bi(s)，c(s)为参考电流信号；
1a(s)，i1b(s)，i1c(s)为采样得到的ai*i*L1的三相电流信号。
图3双闭环控制策略的实现
2.3
根据复变函数理论可知，控制器的离散化
虚数单位j代表其幅值不
变，而相位往正方向[9]旋转90°。那么在三相系统中，可以利用三相静止坐标系实现j，以a相为例得到如图4所示的PCI控制原理图。
图4PCI控制结构图
图中c(s)和r(s)的关系可表示为：
c(s)=ks+I1ωc
·r(s)
（9）
可得到c(t)的差分方程为：c(k)=
22-+TωTωcc·c(k-1)+2Tk+TωI1c
·[r(k)+r(k-1)]
（10）式中，
r(k)可表示为：r(k)=xa(k)-ω30k·[zI
b(k)-zc(k)]
（11）
则准比例复数积分控制器在三相静止坐标系上的控制器离散化可表示为：
ya1若设积分控制器的输入在时域上为(k)=kPxa(k)+c(k)
x（（12）
ht），输出在时域上为yh(k)，则积分控制器的差分方程可表示为：y(k)=yTkhh(k-1)+2I2·[xh(k)+xh(k-1)]
（13）
3
仿真与实验验证
3.1
为了验证采用混合控制器的双闭环电流控制策略仿真验证
的有效性，通过搭建Simulink仿真模型进行研究。
根据文献[10]论证的LCL滤波器参数设计方法，搭建一台3.3kW的并网逆变器，其输出频率为50Hz，母线电压为500V，系统开关频率为20kHz，滤波电感L3.5值为mH5，，根据凑试法可得L1为2为1mH，滤波电容kC为17μF。本文取ωc的即kI例环节k=0.22，若只考虑采用控制器比PI1可求比例系数，，kkI2均为0，本文选取系统带宽fb=700Hz，
36.3，该新型逆变策略下的逆变器输出电流波形如图积分参数kP的值为10.3，复数积分参数kI1的值为I2的值[9]为398.8。
5
所示。从图中可以看出，系统启动后约一个周期内，负载侧电感L2频同幅。
输出电流迅速追踪参考电流，并与之达到同图5基于混合控制器的L2输出电流波形
图6为采用比例复数积分控制器的电流双闭环控制策略时，负载侧电感L2以看出，采用混合控制器的双闭环电流控制策略比采用输出电流波形，与图5相比可
比例复数积分控制器的电流双闭环控制策略具有更好的快速性。
图6基于PCI控制器的L2输出电流波形
在采用混合控制器的双闭环电流控制策略的逆变系统稳定运行状态下，对负载侧电感L2进行谐波分析，如图7所示。电流谐波畸变率为输出的电流波形0.54%。再对采用比例复数积分控制器的电流双闭环控制策略的逆变系统稳定运行状态下，对负载侧电感L2流波形进行谐波分析，其总谐波畸变率保持在输出的电0.54%左右。从此可以看出，该混合控制器对谐波的抑制作用可
以达到比例复数积分控制器相同的水平。
.com.cn. All Rights Reserved.第10期
陈蓓，等：三相LCL型逆变器双闭环电流控制策略研究17
4结语
本文将比例复数积分控制基本理论应用于三相逆变器，并在此基础上增加截止频率ωc，同时并联一个积控制系统外环使用该控制器，内环使用比例控制器，通过搭建的Simulink仿真模型与PCI控制器的控制效果进
图7系统输出电流波形的谐波分析
分环节，从而构成一个混合控制器，逆变器电流双闭环
行对比仿真研究，在三相逆变器实验平台上进行了实验验证。通过仿真和实验可以看出，该控制策略虽然结构变得复杂，但具有更好的稳态性能、动态性能，以及极强的抗干扰能力，且更具有实际应用价值。
参考文献系统电流误差结果如图8所示，在0.06s时突增1倍的负载。从图中可以看出，系统启动后在一个周期内迅速进入稳定运行状态，突增1倍负载后，误差电流震荡6个周期后系统再次进入稳定运行状态。
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为了进一步验证理论分析和仿真验证的正确性，采
[5]PAND，RUANXB，BAOCL，etal.Capacitor⁃current⁃feedbackactivedampingwithreducedcomputationdelayforimprovingrobustnessofLCL⁃typegrid⁃connectedinverter[J].3427.用TI公司32位定点DSPTMS320F2812芯片，搭建一个逆变器实验平台。图9为系统在a时刻突增负载前后的输出电流波形，对比图8的仿真波形可以看出二者一致，均为突增负载后约6个周期内，系统再次达到稳定状态，从而验证了系统具有较强的抗干扰能力。
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图9突增负载前后输出的三相电流波形
作者简介：陈
任
蓓（1982—），女，陕西宝鸡人，硕士研究生，讲师，研究方向为工业控制过程建模与优化。鹤（1991—），男，陕西安康人，硕士研究生，工程师，研究方向为现代电力传动系统理论与应用。
党胜梅（1978—），女，陕西韩城人，工程师，研究方向为现代电力传动系统理论与应用。伏亮亮（1989—），女，甘肃白银人，硕士研究生，工程师，研究方向为光伏并网逆变技术。
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