LCL型并网逆变器的解耦控制与优化设计

并网变换器在分布式发电系统和当代电力系统中发挥着关键的作用。LCL型滤波器以其更高的滤波效率正逐渐替代L型滤波器，但其固有的谐振特性给控制系统的稳定性带来了较大挑战。在众多的LCL滤波器的谐振阻尼方法中，离散状态反馈控制作为一种系统性的设计方法，满足了所有的控制自由度，可较好地为LCL型并网逆变器协调带宽和稳定裕度，因而得到了本文的系统的研究。 本文详细地阐述了应用于LCL型并网逆变器的离散状态反馈控制原理，总结了线性二次型(LQ)和直接极点配置这两类设计方法。针对基于PI控制器的极点配置设计不够规范的问题，本文按能控标准型建立了包括PI+状态反馈控制器在内的闭环模型，从而为LCL型并网逆变器的计算机辅助设计打下了基础。针对众多状态反馈设计性能无法描述的现状，本文从指令跟踪、电网扰动抑制和弱网鲁棒性等方面的性能指标出发，考虑了所需的控制力度，评估了基于积分器和基于PI控制器，并按不同设计方法得到的状态反馈控制，从而为工程应用提供设计指导。 上述控制器引入的多个状态量使得电网电压-并网电流的耦合变得十分复杂。为揭示电网电压在控制过程中对并网电流的扰动情况，本文提出了离散控制系统重新连续化的方法，从而获得了在连续域内的电网电压全前馈解耦通道。针对全前馈解耦降低弱网鲁棒性及所应用的多阶微分对噪声敏感的问题，本文提出了电网电压估测替代采样的方法，从而在运算负担适中的条件下较好地协调了全前馈的精度和鲁棒性。在此基础上，本文针对工程上对简易性和可靠性的需求，探讨了电网电压前馈解耦策略在不同的状态反馈控制中的简化应用，并得到了切实可行的设计方案。 为了充分地令滤波器和控制器互相适应，本文预设了并网电流PI控制器，再根据其整定规则界定合适的滤波器谐振频率范围，从而在无需谐振阻尼的情况下获得期望的稳定裕度，并继而通过综合考虑并网逆变器的电流谐波标准和各种工程限制条件得到最终的滤波器参数。针对抗电网扰动能力较弱和弱网下稳定性较差的问题，本文通过电网电压单位比例前馈形成在弱网下的主动阻尼效应，从而在增强电网背景谐波抑制能力的同时促进了弱网鲁棒性。在此基础上，本文针对该设计方法因谐振频率较高而需较大的滤波电感的问题，一方面将滤波效率更高的LLCL滤波器代替LCL滤波器，另一方面根据LCL型并网逆变器的实际运行性能探讨了PI控制器所要求的谐振频率下限，从而有效地减小了总滤波电感量。通过全面的动态、稳态和弱网鲁棒性等方面的性能评估，证明本文所提方法具有很大的优越性。 通过本文的研究，系统地揭示了LCL型并网逆变器的动态特性及耦合机理，形成了行之有效的控制器与滤波器相结合的一体化优化设计方法，为LCL型并网逆变器的大规模推广应用打下了基础。