南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的研究人員莊超、葉永強(qiáng)等，在2015年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，在目前已有的LCL并網(wǎng)逆變器電流控制方法中，分裂電容法作為一種單電流反饋控制方法，通過(guò)降階實(shí)現(xiàn)了較小的穩(wěn)態(tài)誤差和電流諧波失真，然而傳統(tǒng)的分裂電容法未能解決LCL濾波器固有的諧振問題。
經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)分裂電容法降階過(guò)程中對(duì)消掉的極點(diǎn)為臨界穩(wěn)定極點(diǎn)，使得電流反饋中不包含諧振頻率處的分量，閉環(huán)系統(tǒng)不完全能控。采用加入無(wú)源阻尼的方法并合理配置阻尼電阻的比例關(guān)系，既實(shí)現(xiàn)了降階特性也改善了濾波器的諧振特性。
在此基礎(chǔ)上，為了更好地抑制電網(wǎng)擾動(dòng)，推導(dǎo)了適用于分裂電容法的電網(wǎng)電壓前饋策略。經(jīng)過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性和改進(jìn)方法的有效性。
隨著能源危機(jī)的加劇和智能電網(wǎng)的發(fā)展，有關(guān)新能源的分布式發(fā)電日益受到重視。輸出濾波器作為連接發(fā)電設(shè)備與電網(wǎng)的橋梁，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注和研究。就并網(wǎng)逆變器的輸出濾波而言，LCL濾波器由于加入了電容支路，能用較小的電感更好地抑制開關(guān)頻率附近的高次諧波，具有成本和功率密度低的雙重優(yōu)勢(shì)。
忽略寄生參數(shù)的影響，LCL濾波器可近似為一個(gè)無(wú)阻尼的三階系統(tǒng)；在LCL的諧振頻率處，其幅頻特性曲線上存在一個(gè)增益為無(wú)窮大的諧振尖峰，該尖峰會(huì)放大諧振頻率附近的干擾，顯著地影響系統(tǒng)的閉環(huán)控制特性。盡管實(shí)際LCL濾波器元件的等效串聯(lián)電阻（EquivalentSeriesResistance,ESR）使得諧振尖峰有所減小，但這樣的阻尼效果很弱。另外LCL濾波器的相頻特性在諧振頻率處由-90°突變到-270°。
為保證一定的相位裕度，截止頻率必須設(shè)置在諧振頻率之前，通常是1/4～1/2。采用常規(guī)PI控制時(shí)，受限于截止頻率的設(shè)置，易使系統(tǒng)的低頻開環(huán)增益不足，難以實(shí)現(xiàn)較小的穩(wěn)態(tài)誤差和抗擾動(dòng)能力；而采用比例諧振（Proportional-Resonant，PR）需要設(shè)置多個(gè)諧振補(bǔ)償環(huán)節(jié)且多個(gè)諧振補(bǔ)償環(huán)節(jié)的權(quán)重設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。
因此許多文獻(xiàn)針對(duì)這一問題進(jìn)行了分析并提出了改善LCL濾波器控制特性的方法。通過(guò)引入無(wú)源阻尼的方法達(dá)到抑制諧振尖峰的目的，簡(jiǎn)單方便但會(huì)使濾波性能變差，且不能解決系統(tǒng)截止頻率過(guò)低的問題。
多引入了一個(gè)系統(tǒng)變量作為內(nèi)環(huán)反饋，能夠有效地抑制諧振尖峰而不影響濾波器本身的濾波效果，但需要增加一個(gè)電流傳感器和復(fù)雜的內(nèi)外環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)引入了電容電流的估算方法來(lái)實(shí)現(xiàn)有源阻尼，從而節(jié)省了一個(gè)電流傳感器，但其估算效果取決于算法的魯棒性和模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。
不同于上述的網(wǎng)側(cè)電流反饋，采用逆變側(cè)電流反饋，通過(guò)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的數(shù)字延時(shí)提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但由于是間接電流控制，受到電網(wǎng)電壓諧波擾動(dòng)的影響較大。因此提出了適用于逆變側(cè)電流反饋的電網(wǎng)電壓前饋策略。
首次提出分裂電容法來(lái)控制LCL并網(wǎng)逆變器，通過(guò)零極點(diǎn)對(duì)消的方法將三階系統(tǒng)降為一階系統(tǒng)，可將控制對(duì)象等效為L(zhǎng)型濾波器，大大提高了系統(tǒng)開環(huán)低頻增益和相位裕度。
本文闡述了分裂電容法的諧振電流問題，分析了其諧振產(chǎn)生的理論模型，提出并驗(yàn)證了在兩條電容支路上分別串入成比例阻尼電阻的方案，能在保持分裂電容降階特性不變的基礎(chǔ)上，顯著地抑制諧振電流。并在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了適用于分裂電容法的電網(wǎng)電壓前饋策略來(lái)抑制電網(wǎng)電壓背景諧波的影響，并分析了前饋策略在實(shí)際應(yīng)用中的有關(guān)問題。最后通過(guò)Matlab/Simulink軟件仿真與一臺(tái)2kW并網(wǎng)逆變器的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性與所提出控制策略的有效性。
圖1單電流反饋的并網(wǎng)逆變電源系統(tǒng)
結(jié)論
本文主要分析了分裂電容法導(dǎo)致諧振電流的理論模型。采用串入成比例電阻的無(wú)源阻尼法來(lái)抑制諧振電流并分析了電網(wǎng)電感變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸出導(dǎo)納的影響。推導(dǎo)了基于分裂電容法的電壓前饋策略，以改善電網(wǎng)電壓諧波導(dǎo)致的入網(wǎng)電流畸變，并討論了存在系統(tǒng)延遲下電壓前饋策略的有效性。
仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明針對(duì)分裂電容法的分析是正確的，改進(jìn)是有效可行的。但由于無(wú)源阻尼引入了額外損耗，使得該方法適用于小功率場(chǎng)合，在大功率場(chǎng)合可能由于損耗過(guò)大而不宜采用。針對(duì)這一點(diǎn)，后續(xù)工作將在分裂電容的基礎(chǔ)上引入有源阻尼來(lái)避免額外損耗。