南京工程学院学报（自然科学版）
Journal of Nanjing Institute of Technology （Natural Science Edition ）
Vol．12，No．2
Jun．，
2014文章编号：1672－2558（2014）02－0028－06
LCL 滤波并网逆变器控制技术综述
徐国峰，
陆欣云，卢松玉(南京工程学院工业中心，江苏南京211167)
摘
要：并网逆变器是微电网与大电网的接口，
控制进网电流质量是系统的关键．LCL 滤波器具有良好抑制高频能力，但谐振频率处的谐振峰会导致系统的不稳定．针对LCL 滤波器谐振电流控制技术，分析系统谐振的根源;结合典型电流抑制方案介绍控制器设计思想，分析设计方法的利弊．指出并网逆变器研究所面临的问题和未来的研究方向．关键词：LCL 滤波器;并网逆变器;阻尼策略中图分类号：TM4
An Overview of Technologies for Controlling LCL Grid-Connected Inverters
XU Guo-feng，LU Xin-yun，LU Song-yu
(Industry Center，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China)
Abstract:Grid-connected inverter is an interface between micro-grids and power grids，and the quality of grid current control is the key．LCL filters are highly efficient in suppressing high-frequency，but the problem is that the resonant peak at the resonant frequency can lead to instability of the system．This paper uncovers the reasons for the system resonance for technology of current control with LCL filters;this paper also describes the idea behind the controller design with typical current suppression and studies the advantages and disadvantages of the design．Finally，the problems and future research of grid-connected inverter are pointed out．
Key words:LCL filter;grid inverter;damping strategy
收稿日期：2013－12－26；修回日期：2014－02－22
基金项目：南京工程学院青年科研基金项目（QKJB2011024）作者简介：徐国峰，博士，讲师，研究方向为电力电子与逆变器控制．E-mail ：xugf@njit．edu．cn
随着能源危机与环境污染日趋严重，可再生能源（如太阳能发电、风能、潮汐能、生物能等）等分布式发电技术越来越受到人们的重视
［1－3］
．并网逆变器是连接发电系统和电网的核心装置．经过调制后，逆变
器输出的是一系列的脉冲，其中包含了大量的高次谐波成分，严重影响了电能质量［4］
，并网之前必须进行
滤波处理．早期的L 、
LC 滤波器设计［5－6］
简单，
滤波的效果有限，特别是抑制高频能力较弱．近年来，提出了一种新型的LCL 滤波器．与L 滤波器相比，LCL 滤波器具有良好的高频衰减能力，达到相同的滤波效果所需的电感量显著减小，有利于减小系统的体积、降低系统成本．LCL 滤波器是一个三阶不稳定系统，且在谐振频率处有严重的谐振峰，可能会破坏系统的稳定性，其参数设计及优化［7－12］
难度较大．
本文先建立带有LCL 滤波器的单相逆变器模型，然后分析其谐振现象，对常见抑制谐振方法进行比
较、归纳总结，并进行实验验证．
1带LCL 滤波器的逆变器模型
图1为采用LCL 滤波器的单相电源并网逆变器拓扑结构图，
图1中：S 1—S 4为理想开关管；u inv 为逆变
第12卷第2期徐国峰，等：LCL 滤波并网逆变器控制技术综述
器输出电压；L 1为逆变器侧电感；C 1为滤波电容；L 2为电网侧电感；u g 为并网电压
．
图1带LCL 滤波的单相逆变器拓扑结构图
为了简化模型，
认为开关管是理想的，并忽略各元件寄生参数的影响，由KVL 和KCL 定律有L 1
d i L 1d t
=u inv －u c ，L 2
d i L 2d t
=u c －u g ，C
d u c
d t
=i L 1－i L 2=i L 1－i g （1）
画出系统框图，如图2所示
．
图2带LCL 滤波的单相逆变器系统框图
把入网电流i g 作为输出，逆变器电压u inv 作为输入，则系统的传递函数为
i g u inv =1
s 3
L 1L 2C +（L 1+L 2）s
（2）
由式（2）知，该系统为三阶不稳定系统，在谐振频率ωr 处产生谐振峰．该谐振频率为
ωr =
L 1+L 2
L 1L 2槡
C
为了便于分析，
在此给出系统参数：L 1=600μH ，L 2=150μH ，C =10μF ，ωr =2．87ˑ104
r /s ．2控制策略分析
低频时电容相当于开路，LCL 滤波器等效成L 滤波器，幅频斜率为－20dB /时，相频提供－90ʎ相位
角；高频时LCL 滤波器为一个三阶系统，幅频斜率为－60dB /时，高频信号迅速衰减．该系统最大特点是在谐振频率ωr 处，产生一个很大的谐振峰，且相位由－90ʎ跳变到－270ʎ，极易造成系统不稳定．从阻尼效果来看，这个系统阻尼系数为0，是造成谐振峰的根本原因．为了增加系统阻尼，抑制系统谐振峰，常见阻尼策略
［13］
有无源阻尼法（电容、电感上串联或并联电阻）和有源阻尼法（把系统的状态量或输出量作为
反馈进行闭环控制）两种．2．1
无源阻尼策略
实现无源阻尼的方法简单，比较常见的方法是在电容上串联或并联电阻以增加系统阻尼，如图3所示．
9
2
月
图3无源阻尼拓扑在电容上串联电阻时，系统传递函数为
i g u inv =
Ｒ
s
Cs+1
s3L
1
L
2
C+Ｒ
s
（L
1
+L
2
）Cs2+（L
1
+L
2
）s
（3）
在电容上并联电阻时，系统传递函数为
i g u inv =
Ｒ
p
s3L
1
L
2
Ｒ
p
C+L
1
L
2
s2+（L
1
+L
2
）Ｒ
p
s
（4
）
图4开环增益、无源阻尼波特图
由式（3）、式（4）知，选择合适的参
数（串/并联电阻值）可改变系统阻尼系
数．由Matlab仿真得到曲线如图4所
示．从仿真曲线上不难看到：在低频段，
串联电阻和并联电阻效果相同；串联电
阻的无源阻尼在高频段的抑制能力不
如并联电阻无源阻尼效果．由于并联电
阻系统损耗大，在综合考虑的情况下，
常常采用串联电阻来设计无源阻尼．
无源阻尼的本质特点是利用串联
或并联的电阻来吸收电路中能量以增
加系统阻尼，这种设计方法在原理上存
在缺陷，部分能量被消耗掉，能量转化
率低．若系统参数设计不合适或散热解
决不好，则系统发热会非常严重．
2．2有源阻尼策略［14］
有源阻尼的方法是利用系统状态
量进行反馈来增加系统阻尼，这种方法既能抑制系统谐振，也能克服无源阻尼效率低的缺点．为了抑制系统谐振，文献［15－16］采用电容电流比例反馈，通过调整反馈系数得到理想的阻尼系数，从而较好地抑制谐振峰值．文献［17］通过并网电流反馈进行抑制谐振峰．为了达到与传统电容电流反馈相同效果，反馈控制律进行特殊设计（包括一次和二次微分项［19］），加大了参数设计难度．为了实现系统良好的动静态性能，文献［20－21］采用双闭环控制，其中文献［21］利用网侧电流和电容电流两个电流闭环控制，控制器设计十分详实，如图5所示．
03
第12卷第2期徐国峰，等：LCL
滤波并网逆变器控制技术综述
图5电流双闭环控制原理图和框图
内环通过设计电容电流环反馈系数H i 1，
就能较好抑制谐振（电容电流比例控制律）；外环控制器为PI 调节器，通过设计PI 控制器系数（k p ，k i ）及电流反馈系数H i 2可以实现网侧电流i g 对参考电流较好的跟踪．在使用网侧电流做反馈时，容易把电网内的高次谐波引入到系统中，文献［22－23］采用电网电压全前馈策略，通过合适的控制律消除和抑制背景谐波．2．3
模型降阶思想
L 滤波器结构简单，参数少，易于设计，LCL 滤波器是一个典型的三阶不稳定系统，文献［24－25］利用电流加权进行组合反馈量控制，系统由三阶降为一阶，实现了简化．文献［26］采用电容法，用两个小电容代替原来的电容，并把电流i f 作为反馈量进行控制，如图6所示
．
图6电容控制原理图和框图
1
3
i L1=i
f
+i
C1
i C1=β（i
L1
－i
L2
{） i f=（1－β）i L1+βi L2（5）电容的反馈量是网侧电流和逆变侧电流的加权值，这种方法本质是电流加权法．由梅逊公式容易得到系统的传递函数为
G=
s2L
1
L
2
C
2
+1
s3L
1
L
2
C
1
+（L
1
+L
2
）s
（6）
当系统参数满足：L2=β（L1+L2）=βL，C1=β（C1+C2）=βC，则系统的传递函数式（6）化简为
G=
s2L
1
L
2
C
2
+1
s3L
1
L
2
C
1
+（L
1
+L
2
）s
=
1
Ls
（7）
此时，系统由三阶变成一阶，控制器的设计变得简单，提高系统带宽可以改善系统响应．
3电流跟踪及控制系统鲁棒性
逆变并网技术是在满足电网技术要求下向一定电压等级的电网注入电流、提供有功功率和无功功率．电网电压或电流的直接反馈实现了较好的阻尼效果，但同时也为系统引入了背景谐波．为了减少背景谐波对系统的影响，一般采用前馈方案实现良好的电流跟踪性能．
传统的控制器设计（电流闭环反馈控制［13－23］、电流加权控制［24－26］、极点配置［27］、滞环控制［28］）控制律合适、参数恰当都能实现系统稳定．实现逆变器的精确控制，即逆变器需具有良好的静态性能（无静差）、快速的动态性（波形跟踪性能）即较小的谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）、一定鲁棒稳定性和鲁棒性能，是逆变器未来发展和研究的方向．文献［29－35］在经典控制的基础上结合重复控制实现了较好的波形控制，但同时也增加了控制系统的复杂性和控制器设计的难度．文献［36］把比例谐振控制和传统的反馈控制结合实现系统的最优控制．考虑系统参数变化的影响（特别是网侧电感波动），利用鲁棒理论进行控制器设计，文献［37－40］在这方面取得一定的成绩．在考虑系统的综合性能后，往往是把鲁棒设计方法和重复控制以及经典控制的结合［41－43］．
4结语
本文对LCL滤波并网逆变器的控制技术进行了总结和分析．从理论上讲，无源阻尼和有源阻尼都能对抑制电流谐振取得良好的控制效果．无源阻尼需要消耗系统能量，对于大功率逆变器散热问题不容忽视；有源阻尼克服了无源阻尼的缺点，但控制器设计变得复杂．纵观文献，经典设计方法对系统模型依赖性强，很难设计出高性能的逆变器，实现良好的电流波形跟踪同时保证较低的THD．先进的控制理论思想（重复控制、PＲ控制、鲁棒控制）及多种控制思想组合设计逆变器的控制器是未来研究方向．另外，低成本［44－45］、高性能、强鲁棒性的控制器研究、参数设计及优化问题也是逆变器值得关注的方向．
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