学术简报｜脉冲宽度调制并网变换器电网背景谐波电流的抑制
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中国石油大学（华东）信息与控制工程学院的研究人员赵仁德、李乾、徐海亮、何金奎、袁诚，在2018年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，脉冲宽度调制并网变换器在新能源发电、无功补偿和有源滤波方向得到广泛应用。为滤除并网电流的高频开关纹波，通常采用LCL滤波器。
由于网侧电感较小，电网电压谐波在网侧电感和滤波电容中会产生谐波电流——电网背景谐波电流，从而引起并网电流畸变。传统的逆变器侧电流反馈控制对并网电流谐波无抑制能力。在逆变器侧电流控制的基础上，采用全电容电流前馈，可以有效抑制并网电流中的电网背景谐波，但这又会使系统变得不稳定。
为此，该文提出了部分电容电流前馈的逆变器侧电流反馈控制方案，在谐波抑制控制器的作用下，针对性地抑制指定次的并网电流谐波，并分析该方案对系统稳定性的影响。另外，提出基于并联二阶广义积分器的电容谐波电流的提取方法。最后，通过实验结果验证了所提方案的有效性。
脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）并网变换器往往选择LCL滤波器来滤除并网电流的开关纹波。相比于单电感滤波器，LCL 滤波器具有更强的衰减能力，在滤波效果相同时，LCL滤波器所需要的总电感量显著小于单电感滤波器，这有利于减小逆变器的体积和重量，降低成本。
控制算法有逆变器侧电流反馈（Inverter-side Current Feedback, ICF）控制和网侧电流反馈（Grid-side Current Feedback, GCF）控制。控制框图如图1所示，闭环控制系统中，反馈量为逆变器侧电流时为ICF控制，反馈量为网侧电流时为GCF控制。电流传感器位于逆变器侧，可用于过电流保护，因此ICF控制被广泛地应用于工业产品中。另外，在电能质量较差的电网条件下，ICF控制系统因其固有阻抗的特点而稳定，但是GCF系统需要增加有源阻尼以保证系统的稳定性。
图1 ICF控制和GCF控制框图
在ICF控制系统中，直接控制逆变器侧电流，间接控制并网电流。由图2a所示的PWM并网变换器单相等效模型可以看出，在电网电压含有谐波的情况下，由其产生的谐波电流可以自由流过滤波电容，从而引起并网电流的畸变。图2a中，v、vg、vh分别为逆变器输出电压、电网基波电压、电网谐波电压。当逆变器侧电流为零时，滤波电容电流和并网电流波形如图2b所示，显然，电网背景谐波电流引起并网电流畸变。
由于ICF控制系统反馈的逆变器侧电流中不包含电网背景谐波信息，因此对其无抑制能力。在反馈逆变器侧电流的基础上，前馈电网谐波信息便可以实现对并网谐波电流的抑制。最为简单的方案是将滤波电容电流全部前馈，控制系统反馈量变为i1iC=i2，等效为GCF控制，但这又造成系统不稳定。
图2 带LCL滤波的并网变换器的单相等效模型和含有背景谐波的电网条件下的实验波形
为解决电网背景谐波造成并网电流畸变问题，探讨最多的是前馈方案。文献[17]中提出电网电压比例前馈策略，若不考虑系统延时，该方案有较好的谐波抑制能力，但数字控制系统中不可避免存在延时环节，这会导致系统不稳定，文献中提出使用巴特沃斯低通滤波器和重复控制器进行延时补偿，以提高系统稳定性，这增加了系统的复杂性，而且系统对参数敏感。
文献[18]中提出在前馈电网电压环节中加入低通滤波器，以保证系统的稳定性，由于低通滤波器对幅值和相位误差不可忽略，电网电流由于电网电压谐波可能仍然会失真。在文献[7]中，得到了电网电压前馈函数，充分抑制了电网背景谐波对并网电流的影响。但是，前馈函数中包含二阶微分器。而二阶微分器对噪声敏感。另外，文献[7]中也提出电容电流的前馈方案，但为了测量电容电流而增加的电流传感器导致成本增加。
本文在ICF基础上，引入部分电容电流作为前馈补偿项。该部分电容电流包含基波和部分次谐波电容电流，由并联二阶广义积分器（Multiple Second- Order General Integrator, MSOGI）对电容电压微分运算求得。该方案虽然增加了电容电流前馈环节，但由于前馈的电容电流只是特定次谐波电流，不影响ICF控制系统的稳定性，且稳定区间不变。本方案可等效为在指定次谐波频率处为GCF控制，其他频率处为ICF控制，兼顾ICF的稳定性和GCF的谐波抑制能力。
图11 三相带LCL滤波的并网变换器实验平台
本文分析了在传统ICF控制下电网背景谐波对并网电流的影响，提出了部分电容电流前馈的ICF控制方案。该方案在有效抑制并网电流谐波的同时，还具有与传统ICF控制相似的稳定条件。为了提高算法的实用性，本文提出了基本MSOGI的电容电流提取方法，可准确提取指定次电容电流。实验结果表明，本文所提方案有效地解决了带LCL并网的PWM变换器在ICF控制下因电网背景谐波带来的并网电流畸变的问题。