论文总字数：25794字

摘 要

随着人们对能源危机问题的关注度日益提高，利用如太阳能、风能等可再生能源的分布式发电技术使用越来越广泛。电压源型并网逆变器作为电网与可再生能源发电之间的接口，其中对LCL滤波器谐振频率的选择至关重要。如何选择合适的谐振频率值，设计出鲁棒性强的参数是LCL滤波器设计的重点。

本论文为LCL滤波器参数设计提出了一种方案，结构如下：首先了解并网逆变器LCL参数设计的研究背景以及国内外研究现状，为进一步阐述理论知识做准备。在理论部分首先为并网逆变器建立了合适的数学模型，对并网逆变器的s域进行分析得出其稳定性判据。接着考虑滤波器电感和电网阻抗的变换、背景谐波两大因素，采用优选的LCL谐振频率设计方式，推导出子稳定域。

最后根据研究需要，在相应软件中做出系统总体设计。基于对分数阶PID控制技术的理论学习，在Matlab环境中，为LCL滤波器搭建了一种结构简单、鲁棒性好的仿真模型，得到最后的结果，优化了系统的性能。

关键词：并网逆变器；谐振频率；谐波抑制；LCL滤波器设计；分数阶控制

ABSTRACT

With the increasing attention on the energy crisis, distributed power generation technology using renewable energy such as solar energy and wind energy is becoming more and more widely used. As an interface between power grid and renewable energy generation, the voltage source grid-connected inverter plays an important role in choosing the resonant frequency of LCL filter. How to select the appropriate resonant frequency value and design robust parameters is the focus of LCL filter design.

This thesis proposes a scheme for parameter design of LCL filter, and its structure is as follows: firstly, the research background and domestic and foreign research status of parameter design of grid-connected inverter LCL are understood, so as to prepare for further elaboration of theoretical knowledge. In the theoretical part, a suitable mathematical model is established for the grid-connected inverter, and its stability criterion is obtained by analyzing the s-domain of the grid-connected inverter. Then, considering the transformation of the filter inductance, the grid impedance and the background harmonics, the optimal LCL resonance frequency design method is adopted to derive the sub-stability domain.

Finally, according to the research needs, the overall design of the system is made in the corresponding software. Based on the theoretical study of fractional order PID control technology, a simulation model with simple structure and good robustness was built for LCL filter in Matlab environment. The final results were obtained and the performance of the system was optimized.

Key words: grid-connected inverter; resonance frequency; harmonic suppression; LCL filter design; fractional order control

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景以及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1并网逆变器LCL参数设计的发展历史及趋势 2

1.2.2并网逆变器LCL参数设计的国内外研究现状 2

1.3论文主要研究内容 3

1.4论文结构 4

第2章 并网逆变器的数学模型 5

2.1并网逆变器的电路结构 5

2.2并网逆变器的s域分析 5

2.3本章小结 7

第3章 并网逆变器的稳定域分析及谐振频率的设计 8

3.1 LCL谐振频率的变化特性 8

3.2 LCL谐振频率稳定域分析 9

3.3基于稳定域的谐振频率设计 13

3.4基于谐波交互的谐振频率设计 16

3.5本章小结 20

第4章 分数阶PID控制技术 21

4.1分数阶控制理论 21

4.2 PID控制技术 21

4.3分数阶PID控制 23

4.4本章小结 24

第5章 LCL滤波器参数设计 25

5.1 LCL滤波器参数设计 25

5.1.1桥臂侧电感的计算 25

5.1.2滤波器电容和网侧电感的计算 25

5.1.3参数设计 25

5.2仿真模型 26

5.3仿真分析 28

5.3.1若加入整数阶PID控制 28

5.3.2若加入分数阶PID控制 29

5.3.3控制效果对比 30

5.4结果分析 31

5.5本章小结 32

第6章 总结与展望 33

6.1 总结 33

6.2 展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1选题背景以及研究意义

近些年来，利用如太阳能、风能以及小水电等可再生能源的分布式发电技术是人们应对能源危机等问题的重要途径之一^[1]。电压源型并网逆变器不仅在分布式发电系统中起到了举足轻重的作用^[2]，对于系统电能质量和可靠性在一定程度上也有促进作用。新能源并网逆变器在最近这几年已经成为了电力电子领域的研究热点。

入网滤波器一般可以分作单电感和LCL两种类型。其中，单电感型滤波器是属于一阶系统的，控制方法相对来说会比较简单一些，但是却对高频谐波的抑制能力有一定的局限性，为了满足谐波标准，一般需要采用比较大的电感，其滤波器形式如图1.1所示。而LCL型滤波器属于三阶系统，是由逆变器侧的电感、滤波电容C和网侧的电感组成的。LCL型滤波器比单电感型滤波器更好的一点在于它对高频谐波有较强的抑制能力，因此不需要太大的电感，它的滤波器形式如下图1.2所示。

图1.1 单电感型滤波器

图1.2 LCL型滤波器

由于逆变器的开关频率、动态响应等各种因素的影响，LCL滤波器经常被选作为输出滤波器^[3-4]。LCL滤波并网逆变器不仅可以极大的满足进网所需要的标准，还能大幅度降低滤波器的重量和体积，它的实用价值很高，应用前景良好。但LCL滤波器参数设计更为困难，需要结合多个因素来进行参数设计，关于如何实现参数优化设计目前仍旧处于比较困难的阶段。

本次毕业设计主要研究的方向是优化LCL滤波并网逆变器的鲁棒性问题，基于分数阶控制理论，通过建立一种鲁棒性强且简单的计算方案来计算LCL滤波器参数，有助于LCL滤波并网逆变器在分布式并网发电系统中更可靠、更广泛的应用^[5]，具有重要的理论和实践意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1并网逆变器LCL参数设计的发展历史及趋势

在许多年以前，LCL滤波器的参数设计基本步骤几乎都是按照同一个流程进行的。首先需要依据逆变器侧的电感电流的开关频率次纹波含量来设计电感的大小，其次通过限制额定功率下的系统无功容量来获取电容的限制条件，然后在计算电感的大小时，可以根据进网电流开关频率谐波限制条件进行计算，最后再利用LCL滤波器的自然谐振频率、实际的进网电流谐波衰减程度和两电感上的总基波压降的反复校验方式来调整滤波器参数。这一设计方案操作难度低，但它包含很多的限制条件，比如说这种方案过分的依赖经验，难以真正的衡量出设计滤波器参数的优化程度^[6]。

优化LCL滤波器参数设计，当前仍处于一个十分困难的阶段的，难以真正的衡量出滤波器参数的优化程度。在现有的研究中，几乎都是零碎地提出了一些有效的方法策略，仍旧处在一个摸索和寻找途径的阶段，并且各个方法之间都较为独立，仍然缺少对有源阻尼方案、电流控制方案的一个更加系统化的研究，难以提出新型的解决方案。此外，对于目前存在着的研究方案来说，仍然需要研究以有效的谐振抑制、高带宽、简单、实用等为目标进行参数优化设计，不然在实际应用过程中方案的选择和设计仍然会处在一种十分困难的境地。

1.2.2并网逆变器LCL参数设计的国内外研究现状

其实，相关学者调整LCL参数，以满足稳定域的方案，已经做了一些研究。文献[7]提出了LCL参数基本迭代法，通过桥臂侧的电感来减小电流纹波，通过电容用来达到限制无功功率的目的，再通过网侧电感则用来进一步降低电流纹波以及稳定系统。文献[8]提出了一种针对不同的PWM技术的更新模式、逆变器控制方式和阻尼方法，探讨了采样频率和谐振频率之间的比值以及网侧与桥臂侧电感之间的比值之间的关系，不仅可以让电流纹波快速衰减，还能整体上提高系统的鲁棒性。但是，外部或者内部条件的更改，例如电网的背景谐波或者是电感的变化^[9]，都有可能会引起谐振频率超出稳定域或者导致谐振谐波放大，导致系统失稳。

文献[10]讨论了一个基于非最小相位系统稳定域的弱电网LCL参数设计方案，综合考虑了系统延时时间带来的影响，介绍了一种不需要增加外部阻尼的LCL参数设计方案，但由于谐振频率与稳定域边界靠的太近，从而降低了系统的鲁棒性。此外，电网一般被直接看成理想电压源的，且谐振频率和电网低次谐波交互很少发生^[11]，但是，这种假设仅仅在开关频率较高时才能成立。综上所述，LCL参数设计应克服这些影响，让谐振频率避开谐波点。

1.3论文主要研究内容

在LCL滤波器的设计过程中，谐振问题总是不可避免，而且在谐振频率周围，滤波器阻抗不大，对应频率谐波电流被放大，甚至可能会导致比规定的谐波标准更高^[12]。为了达到抑制谐振的目的，主要的阻尼方法有无源阻尼^[13]以及有源阻尼的LCL参数设计法 ^[14]。其中，无源阻尼法较容易被实现，即可以通过在滤波器支路中串联或者并联阻尼电阻来抑制谐振 ^[15-16]。这种方法虽然比较容易，但是会增加损耗，滤波器对高频谐波的抑制能力也会降低。另一种方法是利用有源阻尼法^[17-18]，使用这一方法的好处是：可以通过使用控制算法达到非常有效的抑制谐振这一目的，保证了无附加损耗，也不会滤波器抑制高频谐波。

但是，在弱电网情况下，逆变器和电网之间存在耦合^[19]，系统的物理特性会发生比较明显的改变，这会导致按照强电网条件设计的有源阻尼控制不稳定。而且，有源阻尼的性能也会大大的受到延时时间的影响，不同控制算法对应的谐振稳定域不同^[7]，系统鲁棒性不强。所以，LCL逆变器可在无附加阻尼的情况下，仅通过内部阻尼就可以保证系统的稳定^[20-21]，即可以通过调整LCL参数让谐振频率满足需要的稳定域条件。

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