RenewableEnergyResources
可再生能源
Vol.33No.9Sept.2015
基于网侧电流估算的LCL型光伏并网
逆变器控制方法
尹
泉1，郭
430074）
虎1，王庆义2，罗慧1，卢荣辉1
430074；2.中国地质大学
（1.华中科技大学自动化学院多谱信息处理技术国家级重点实验室，湖北武汉（武汉）自动化学院，湖北武汉摘
要：在LCL型并网逆变器中，逆变器侧的电流传感器具有安装简易、开关模块保护动作灵敏等优点。通过
比较LCL型并网逆变器采用网侧电流反馈和采用逆变器侧电流反馈的控制结构得出，采用网侧电流反馈具有更好的谐波抑制能力。在此基础上，文章提出了一种采用逆变器侧电流来估算网侧电流的方法，并将估算结果代替网侧电流的检测值，最后将网侧电流估算反馈控制与逆变器侧电流反馈控制的性能做对比。搭建了LCL型逆变器仿真模型和物理实验平台，仿真结果和实验结果验证了该网侧电流估算方法的正确性。关键词：并网逆变器；LCL型滤波器；网侧电流估算中图分类号：TM46
文献标志码：A
文章编号：1671-5292（2015）09-1312-05
DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.09.006
0引言
目前基于PWM调制的电压型并网逆变器在
过仿真和实验对本文所提出的网侧电流估算方法进行了验证。
分布式发电系统中得到了广泛应用[1]。为了抑制并网逆变器注入电网中的高频谐波电流，国内外许多学者将LCL型滤波器代替传统的单电感滤波器应用到并网逆变器中，LCL型滤波器利用较小的电感值就可以达到显著的滤波效果[2]。
1系统工作原理
滤波电容支路串联阻尼电阻的三相LCL型
并网逆变器的拓扑结构如图1所示。
LCL型滤波器是一个三阶系统，且存在一个
固有谐振频率点，容易引起系统发生谐振，常用无源阻尼[4]和有源阻尼[5]，[6]的控制方法增强系统稳定性。有源阻尼控制通常需要额外引入反馈变量，构成多环控制结构，这将使得系统的控制策略变得复杂，而无源阻尼控制的控制策略较为简单，但会增加系统的损耗。
[3]
T1T3
T5ui
i
LL
LgLgLg
C
C
C
ig
eaebec
udcCdc
L
T2
T4
T6
图1基于LCL滤波的三相逆变器拓扑结构
LCL型并网逆变器电流内环反馈可以选择网
侧电流反馈[7]或逆变器侧电流反馈[8]。逆变器侧电流反馈控制是间接控制，网侧电流反馈是直接控制，后者可以更好的抑制网侧电流谐波。在工程应用当中，在逆变器侧安装电流传感器具有安装简易、开关模块保护动作灵敏等优点。本文采用无源阻尼控制，提出了一种网侧电流的估算方法，然后将估算出的网侧电流作为反馈来参与逆变器控制，并与逆变器侧电流反馈控制做了比较。最后通
Fig.1Topologyofthree-phaseinverterwithLCLfilter
由图1可得，逆变器侧输出电压ui与网侧电流ig之间的传递函数关系为
CRs+1ig=3
uiLgCLs+C（Lg+L）Rs2+（Lg+L）s
渐增大时的系统波特图。
（1）
由式（1）可以得到，阻尼电阻R从零开始逐从图2中可以看出，随着阻尼电阻的增大，系统的谐振峰将减小，这将有助于增加系统的稳定
收稿日期：2015-03-27。
基金项目：国家自然科学基金项目（61374049）。
作者简介：尹泉（1968-），男，博士，研究方向为电力电子应用以及伺服控制技术。E-mail：guohu_email@163.com
·1312·
尹泉，等基于网侧电流估算的LCL型光伏并网逆变器控制方法
性。在控制系统设计中既可以采用网侧电流反馈又可以采用逆变器侧电流反馈，下面将分别分析这两种电流反馈模式下的系统控制结构和特性。
150100
幅值/dBQ2（s）*P（s）
（3）i（s）-2u（s）
D2（s）D2（s）g
D2（s）=LLgCs4+（L+Lg）Cs3+（L+Lg+KpKpwmRC）s2+
ig（s）=
Kpwm（Kp+KiRC）s+KiKpwm
Q2（s）=Kpwm[KpRCs2+（Kp+KiRC）s+Ki]
P2（s）=LCs3+RCs2+s2
由式（2），（3）可知，在不考虑给定电流i*（s）影响的情况下，网侧电流ig（s）受到电网电压ug（s）中背景谐波的影响。为了比较两种电流反馈控制
500-50-100-90
相位/°-135-180-225-2702
10
R=2ΩR=0.5Ω
无阻尼
方式下电网电压中背景谐波对网侧电流影响的大小，则有：
10
4
10频率/Hz
3
图2阻尼电阻变化时系统波特图
P1（s）P2（s）P1（s）D2（s）-P2（s）D1（s）
（4）-=
D1（s）D2（s）D1（s）D2（s）
令D3（s）=P1（s）D2（s）-P2（s）D1（s），且有
Fig.2Bodeplotwithdampingresistancechanging
2网侧电流反馈和逆变器侧电流反馈模型当以逆变器侧电流作为反馈时，逆变器的电
流环控制结构图如图3所示。
ug
1
+RCSuc
1
LgSig
i*
KKp+1
Suc
Kpwm
ui
1iLSD3（s）=L2C2Rs6+（KpwmKp+R）LRC2s5+
[LR+LKpwmKp+RCKpwm（KpwmKp+KiL）]Cs4+[K2pwmKpC（Kp+2KiRC）+KpwmKiLC]s3+
K2pwmKiC[2Kp+KiRC]
由于D3（s）>0，则有：
P1（s）P2（s）
（5）->0
D1（s）D2（s）
结合式（4），（5）可知，在相同的电网电压背景
谐波条件下，网侧电流反馈控制受电网电压背景谐波的影响小于逆变器侧电流反馈控制，因而网侧电流反馈控制具有较好的谐波抑制能力。
ug
1
+RCSuc
1LgSig
图3逆变器侧电流反馈闭环控制结构图
Fig.3Close-loopcontrolschemewithinverterside
currentfeedback
图中Kp和Ki分别为电流环PI调节器的比例和积分系数；i*为电流环给定；Kpwm为桥路
PWM等效增益；ui为逆变器侧输出电压；ug为电
网电压。
当以逆变器侧电流作为反馈时，网侧电流的闭环传递函数为
i*
Kp+
K1SKpwm
uc
ui1iLS
图4网侧电流反馈闭环控制结构图
ig（s）=
式中：
Q1（s）*P（s）
i（s）-1u（s）D1（s）D1（s）g
4
3
（2）
Fig.4Close-loopcontrolschemewithgridsidecurrent
feedback
本文提出一种采样逆变器侧电流来估算网侧电流方法，并用估算的网侧电流代替网侧电流检测值参与控制，网侧电流的估算模型如图5所示。
i
L
Lg
ig
D1（s）=LLgCs+（KpKpwmLg+LgR）Cs+
（L+Lg+KiKpwmLgC+KpwmKpRC）s2+Kpwm（Kp+KiRC）s+KiKpwm
Q1（s）=Kpwm[KpRCs2+（Kp+KiRC）s+Ki]
P1（s）=LCs3+C（KpKpwm+R）s2+（1+KiKpwmC）s
以电网侧电流作为反馈时，逆变器的电流环控制结构图如图4所示。
由图4可得，以网侧电流作为反馈时网侧电流的闭环传递函数为
C
ui
uc
R
eg
图5单相LCL滤波器
Fig.5Single-phaseLCLfilter
图5的单相LCL滤波器结构中，根据基尔霍
·1313·
可再生能源
夫电流定律可得：
2015，33（9）
uc（s）-eg（s）=ig（s）Lgsuc（s）
+i（s）=i（s）
R+1/Csg
由式（6），（7）可得：
（6）
电流有功分量/pu1.14
igd
（7）
1.131.121.111.1.09
0
2
4
6
8
1012t/ms
14
16
18
20
igdf
1+RCsCsi（s）-e（s）（8）ig（s）=22
LgCs+RCs+1LgCs+RCs+1g
由式（8）可知，在已知LCL滤波器参数、阻尼
电阻、逆变器侧电流和电网侧电压的情况下，就能估算出网侧电流，该网侧电流估算方法代替在网侧安装电流传感器，并将其作为反馈电流参与控制。
基于网侧电流估算的控制框图如图6所示。
ea
三相电网
图7
网侧电流检测和网侧电流估算条件下的
电流有功分量
Fig.7Activecomponentundergrid-sidecurrentsamplingand
estimation
基于逆变器侧电流反馈控制下的三相网侧电流仿真波形如图8所示，此时网侧电流THD为
ia
LCL
滤波器
idc
Udc
U*dc
ebec
ibic
PI
idref
ia，b，cea，b，c
网侧电流估算
Uα
SVPWM
Uβ
d，qα，β
PIPIiqref=0
3.3%。基于网侧电流估算反馈控制下的三相网侧电流仿真波形如图9所示，此时网侧电流THD为2.7%。仿真结果表明网侧电流估算反馈比逆变器
侧电流反馈有更好的谐波抑制能力。
50403020100-10-20-30-40-50
0
5
10
15
20t/ms
25
30
35
40
iqid
LCL型逆变器网侧电流估算控制
Fig.6Gridcurrentestimationcontrolschemefor
inverterwithaLCLfilter
3仿真和实验结果
为了验证上述控制策略以及理论分析的正确
性，利用仿真软件建立了LCL并网逆变器仿真模型，并按照仿真参数搭建了物理实验平台，系统的主要参数：网侧电感Lg为0.5mH、滤波电容为20
图8
电流/A电流/A图6
逆变器侧电流反馈控制网侧三相电流仿真波形
μF、逆变器侧电感为1.6mH、阻尼电阻为2Ω、开关频率为5kHz、母线电压为660V、输出功率为22kW。
仿真中为了模拟实验室的电网畸变情况，在网侧电压源中分别注入3次，5次，7次，11次，13次谐波，各次谐波所占基波的百分比依次为3%，
Fig.8Grid-sidecurrentwaveformofinverter-sidecurrent
feedbackcontrolinsimulation
50403020100-10-20-30-40-50
0
5
10
15
20t/ms
25
30
35
40
2.2%，1.1%，0.2%，0.3%.
仿真中，在dq旋转坐标系下基于检测的网侧电流有功分量igd和基于估算的网侧电流有功分量igdf如图7所示。
由图7可以看出，网侧电流估算算法能够跟
踪检测得到网侧电流，因而可以用网侧电流估算算法代替网侧电流检测。·1314·
图9网侧电流估算反馈控制网侧三相电流仿真波形
Fig.9Grid-sidecurrentwaveformofestimatedgrid-side
currentfeedbackcontrolinsimulation
尹泉，等基于网侧电流估算的LCL型光伏并网逆变器控制方法
对实验室电网电压进行谐波分析，其中3次，后证明该网侧电流估算算法有效。
参考文献：
5次，7次，11次，13次谐波所占基波百分比依次
为2.475%，1.187%，0.721%，0.12%，0.582%。基于逆变器侧电流反馈控制下的三相网侧电流实验波形如图10所示，此时网侧电流THD为2.78%。基于网侧电流估算反馈控制下的三相网侧电流实验波形如图11所示，此时网侧电流THD为
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40200-20-40
电流/A2.118%。实验结果也表明网侧电流估算反馈比逆
变器侧电流反馈有更好的谐波抑制能力。
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0
25t/ms
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图10逆变器侧电流反馈控制网侧三相电流实验波形
Fig.10Grid-sidecurrentwaveformofinverter-sidecurrent
feedbackcontrolinexperiment
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0
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图11网侧电流估算反馈控制网侧三相电流实验波形
Fig.11Grid-sidecurrentwaveformofestimatedgrid-side
currentfeedbackcontrolinexperiment
4结论
本文分析了LCL型逆变器网侧电流反馈和
逆变器侧电流反馈的控制结构，得出在电网背景谐波相同的条件下，LCL型逆变器网侧电流反馈控制的谐波抑制能力优于逆变器侧电流反馈控制。提出了一种采用逆变器侧电流来估算网侧电流的方法，并将该估算算法代替网侧电流检测。通过比较估算得到的网侧电流的有功分量和采样得到的网侧电流的有功分量，验证了估算算法代替网侧电流检测的可行性。在仿真和实验中分别将估算得到的网侧电流作为反馈与直接采样逆变器侧电流作为反馈时的网侧电流THD做了对比，最
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可再生能源
2015，33（9）
LCLtypephotovoltaicinvertercontrolbasedongrid-side
currentestimation
YinQuan1，GuoHu1，WangQingyi2，LuoHui1，LuRonghui1
（1.AutomationInstituteHuazhongUniversityofScienceandTechnology（NationalKeyLaboratoryofScienceand
TechnologyonMultispectralInformationProcessing），Wuhan430074，China；2.AutomationInstituteChinaUniversityofGeosciences（Wuhan），Wuhan430074，China）
Abstract：Comparedtobeinstalledinthegrid-side，ithassomeadvantagesthatcurrentsensorsareinstalledintheinverter-side，suchassimpleinstalling，sensitiveprotectionforswitchmoduleandsooninaprojectapplication.Bycomparingthecontrolstructureofusinggrid-sidecurrentfeedbackwithinverter-sidecurrentfeedbackintheLCLtypegrid-connectedinverter，theconclusionisthatgrid-sidecurrentfeedbackhasbetterharmonicssuppression.AfterinvestigatingthecircuitofLCLfilter，amethodisproposedtoestimatethegrid-sidecurrent.Thentheestimatedgrid-sidecurrentisusedinfeedbackcontrol，whichiscomparedwithinverter-sidecurrentfeedback.AsimulationmoduleofLCLinverterandaphysicalexperimentplatformwerebuilt.Thesimulationresultsandexperimentalresultsverifythecorrectnessoftheestimationmethods.
Keywords：grid-connectedinverter；LCLfilter；grid-sidecurrentestimation
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