论文部分内容阅读
摘要：光伏并网发电系统采用LCL滤波器有利于抑制开关谐波电流进入电网，改善电网的电能质量，但是LCL滤波器增加了系统的阶数，易发生谐振在谐振频率处产生很高的谐振尖峰。提出了有源阻尼双闭环并网控制策略，电感电流外环电流控制并网电流和功率因数，通过电容电流内环来增加系统的阻尼，抑制系统的谐振。推导了系统的传递函数，分析了控制参数对系统闭环极点分布和稳定性的影响，并提出LCL滤波器参数设计方法。仿真和实验结果验证了所提控制策略的可行性。
关键词：并网控制；LCL滤波器；传递函数；双环控制；参数设计；稳定性
Abstract： Photovoltaic grid power generation system using LCL filter is helpful for restraining harmonic current into the grid， Improve the power quality of power grid， but LCL filter increases， the order of the system is easy to happen at the resonant frequency to produce high resonant peak. Active damping double closed-loop grid-connection control strategy is proposed， inductor current loop current control grid， current and power factor by capacitive current environment to increase the system damping， inhibit the resonance of the system. Derivation of the system transfer function analysis of the control parameters of the system closed-loop poles distribution and stability， and proposed LCL filter parameter design method. Simulation and experimental results verify the feasibility of the proposed control strategy.
Keywords： Grid-connected control；LCL filter； transfer function；two-loop control； parameter design； stability
引言
实际系统中，由于电网负载中含有大量的功率器件和系统中大量非线性负载的应用，会对电网的频率产生影响，成为电网的谐波源，导致电网特别是远离负荷中心的电网末梢电能质量下降。
并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件，它的主要功能是将光伏阵列转化的直流电变换成电网同步的交流电，它的控制好坏直接关系到系统的整体性能。LCL型滤波器为三阶系统，具有较高的高频衰减率及动态性能。滤波器有L 型、LC 型和LCL 型，由于LCL 型滤波器在低开关频率和小电感情况下可以获得更好的谐波抑制性能，成为了光伏并网逆变器普遍采用的濾波方式[1-2]。
本文建立LCL型滤波器的数学模型，提出了有源阻尼双闭环并网控制策略，电感电流外环电流控制并网电流和功率因数，通过电容电流内环来增加系统的阻尼，抑制系统的谐振，并推导了系统的闭环传递函数，根据闭环极点分布分析了系统的稳定性，设计了控制系统的调节参数。最后，仿真和实验结果证明了所提控制策略的正确性。
1 光伏并网系统结构与原理
系统结构如图1所示，电容器C与逆变器的直流输入电压 相连，逆变器的交流输出侧接LCL滤波器，并与电网连接。输出并网电流经LCL型滤波器滤波，将高质量的光伏有功能量注入电网，并对电网谐波进行抑制，改善电能质量。图1 中， 为并网逆变器输出电流， 和 分别表示LCL滤波器电感 和 的寄生内阻， 为流过滤波电容C的电流， 为滤波电容C的端电压， 为光伏发电网侧电流。采用LCL型滤波器的并网系统可以有效减少电流中高次谐波含量，相同的谐波抑制效果下，LCL型滤波器所需要的电感比L 型滤波器明显减小，在成本及动态性能方面更有优势。
1.2 并网逆变器的输出电流控制策略
对于并网逆变器的输出电流，可对其控制方法进行分类。由输出电流以外的控制变量来控制逆变器并网电流的方法是间接电流控制法即幅相控制，此方法能满足系统对稳定性的要求，但不足之处就是电流单位功率因素并网很复杂，响应慢动态性能又不好，而且电流谐波是由电网电压的波形畸变所引起的，间接电流控制法对此类谐波的抑制作用不甚理想。比较分析，采取的方法是直接电流控制方法。
为简化分析，取单相系统等效电路，如图2 所示。 为电网电压， 为逆变器各桥之间的输出电压， 为并网电流。
2 双闭环控制策略
对LCL滤波器的分析可知，对于中大功率的并网逆变器，为了抑制其谐振引起的谐振尖峰，可以在LCL滤波器的电容上串接阻尼电阻，对谐振尖峰产生抑制作用，可是使系统产生多余损耗而降低系统效率。另外，在电容上串接阻尼电阻还会降低LCL滤波器对高频谐波的抑制效果。若以并网电流单环控制法运用在所研究的系统中，将不能满足系统对稳定性的要求[5]。从有利于系统的稳定性能方面考虑，如果加入一个电流内环反馈量，还能提高整体响应速度。LCL型滤波器的后级并网电感 上的电压 、逆变器侧电感电流 、电容电压 和电容电流 都可以作为内环控制变量。
关键词：并网控制；LCL滤波器；传递函数；双环控制；参数设计；稳定性
Abstract： Photovoltaic grid power generation system using LCL filter is helpful for restraining harmonic current into the grid， Improve the power quality of power grid， but LCL filter increases， the order of the system is easy to happen at the resonant frequency to produce high resonant peak. Active damping double closed-loop grid-connection control strategy is proposed， inductor current loop current control grid， current and power factor by capacitive current environment to increase the system damping， inhibit the resonance of the system. Derivation of the system transfer function analysis of the control parameters of the system closed-loop poles distribution and stability， and proposed LCL filter parameter design method. Simulation and experimental results verify the feasibility of the proposed control strategy.
Keywords： Grid-connected control；LCL filter； transfer function；two-loop control； parameter design； stability
引言
实际系统中，由于电网负载中含有大量的功率器件和系统中大量非线性负载的应用，会对电网的频率产生影响，成为电网的谐波源，导致电网特别是远离负荷中心的电网末梢电能质量下降。
并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件，它的主要功能是将光伏阵列转化的直流电变换成电网同步的交流电，它的控制好坏直接关系到系统的整体性能。LCL型滤波器为三阶系统，具有较高的高频衰减率及动态性能。滤波器有L 型、LC 型和LCL 型，由于LCL 型滤波器在低开关频率和小电感情况下可以获得更好的谐波抑制性能，成为了光伏并网逆变器普遍采用的濾波方式[1-2]。
本文建立LCL型滤波器的数学模型，提出了有源阻尼双闭环并网控制策略，电感电流外环电流控制并网电流和功率因数，通过电容电流内环来增加系统的阻尼，抑制系统的谐振，并推导了系统的闭环传递函数，根据闭环极点分布分析了系统的稳定性，设计了控制系统的调节参数。最后，仿真和实验结果证明了所提控制策略的正确性。
1 光伏并网系统结构与原理
系统结构如图1所示，电容器C与逆变器的直流输入电压 相连，逆变器的交流输出侧接LCL滤波器，并与电网连接。输出并网电流经LCL型滤波器滤波，将高质量的光伏有功能量注入电网，并对电网谐波进行抑制，改善电能质量。图1 中， 为并网逆变器输出电流， 和 分别表示LCL滤波器电感 和 的寄生内阻， 为流过滤波电容C的电流， 为滤波电容C的端电压， 为光伏发电网侧电流。采用LCL型滤波器的并网系统可以有效减少电流中高次谐波含量，相同的谐波抑制效果下，LCL型滤波器所需要的电感比L 型滤波器明显减小，在成本及动态性能方面更有优势。
1.2 并网逆变器的输出电流控制策略
对于并网逆变器的输出电流，可对其控制方法进行分类。由输出电流以外的控制变量来控制逆变器并网电流的方法是间接电流控制法即幅相控制，此方法能满足系统对稳定性的要求，但不足之处就是电流单位功率因素并网很复杂，响应慢动态性能又不好，而且电流谐波是由电网电压的波形畸变所引起的，间接电流控制法对此类谐波的抑制作用不甚理想。比较分析，采取的方法是直接电流控制方法。
为简化分析，取单相系统等效电路，如图2 所示。 为电网电压， 为逆变器各桥之间的输出电压， 为并网电流。
2 双闭环控制策略
对LCL滤波器的分析可知，对于中大功率的并网逆变器，为了抑制其谐振引起的谐振尖峰，可以在LCL滤波器的电容上串接阻尼电阻，对谐振尖峰产生抑制作用，可是使系统产生多余损耗而降低系统效率。另外，在电容上串接阻尼电阻还会降低LCL滤波器对高频谐波的抑制效果。若以并网电流单环控制法运用在所研究的系统中，将不能满足系统对稳定性的要求[5]。从有利于系统的稳定性能方面考虑，如果加入一个电流内环反馈量，还能提高整体响应速度。LCL型滤波器的后级并网电感 上的电压 、逆变器侧电感电流 、电容电压 和电容电流 都可以作为内环控制变量。