馮成臣 楊旭紅 李浩然

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

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LCL型電流控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研究

馮成臣 楊旭紅 李浩然

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)電流中含有較多的高次諧波和較大的諧波畸變率值。采用LCL型電容電流控制的方法，既可以控制單位功率因素并網(wǎng)提高并網(wǎng)質(zhì)量，又可以抑制由于LCL濾波器引起的低頻諧振。LCL型電容電流與電感電流結(jié)合構(gòu)成雙閉環(huán)控制回路，可以防止單閉環(huán)控制回路可能出現(xiàn)不穩(wěn)定等問題。給出LCL電路的解耦模型，進(jìn)一步優(yōu)化并網(wǎng)電能質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)仿真主要比較LC型濾波器和LCL型濾波器，比較仿真結(jié)果中的并網(wǎng)輸出波形和諧波畸變率值，驗(yàn)證了LCL型電流控制的正確性。

光伏并網(wǎng) LCL諧波 電容電流 高次諧波 諧波畸變

0 引言

在當(dāng)前日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境下，可再生能源逐步得到越來越高的關(guān)注。大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電的可再生能源主要是太陽能和風(fēng)能，與電網(wǎng)電壓同幅值同相位且控制入網(wǎng)的電流諧波畸變率(THD)在要求范圍之內(nèi)是可再生能源并入大電網(wǎng)的關(guān)鍵。同幅值同相位經(jīng)鎖相環(huán)容易實(shí)現(xiàn)，但諧波畸變率不太容易控制。THD值較大，是由于其中的高次諧波含量較高[1]，諧波主要來源于系統(tǒng)中的非線性器件，如逆變器、電感和電容等。為了提高并網(wǎng)電能質(zhì)量，并網(wǎng)系統(tǒng)中濾波器是必不可少的，主要有L型、LC型和LCL型三類。L型和LC型濾波器簡(jiǎn)單、方便、易操作，基本能滿足要求，但并網(wǎng)電流中依然含有較多的高次諧波[2]，仍然會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)造成污染。本文采用LCL型濾波器和電容電流控制方法，既可有效抑制LCL濾波器的低頻諧振，又可增加控制環(huán)的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

光伏電池作為系統(tǒng)的電源輸入，經(jīng)過逆變器進(jìn)行并網(wǎng)。本文采用LCL型濾波器以減少并網(wǎng)電流中的高次諧波。LCL型濾波器是三階濾波電路，三階電路會(huì)降低并網(wǎng)系統(tǒng)的阻尼，產(chǎn)生無阻尼諧振，最終導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行[3]。為了抑制LCL濾波器帶來的諧振，在控制環(huán)引入有源阻尼法改善LCL濾波器Bode圖中的諧振尖峰，即在控制環(huán)引入電容電流，構(gòu)成有源阻尼法，電容電流既可以增加系統(tǒng)阻尼、抑制系統(tǒng)諧振尖峰、加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性[4-5]，還可以構(gòu)成控制內(nèi)環(huán)，與電感電流外環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制回路，提高控制器的穩(wěn)定性[6]。為了對(duì)控制中的指令實(shí)現(xiàn)無誤差調(diào)節(jié)，需要在誤差指令之后引入PI控制，但是從PI控制的輸入類型來看，只有當(dāng)輸入是直流量的時(shí)候，輸出才能達(dá)到無穩(wěn)態(tài)誤差的效果，所以在本設(shè)計(jì)中，需要將三相交流靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換后，輸出電流是直流量，滿足無穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)的要求，并且結(jié)合鎖相環(huán)技術(shù)達(dá)到無靜差調(diào)節(jié)[7]。由于系統(tǒng)中存在非線性元件，控制環(huán)中狀態(tài)變量之間存在耦合，需要對(duì)其進(jìn)行解耦控制[8]。解耦后得到的脈沖指令經(jīng)過驅(qū)動(dòng)得到SVPWM脈動(dòng)波形使逆變器按照指定的控制方式工作。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型

1.2 光伏系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于光伏電池輸出特性受環(huán)境影響，為了充分利用太陽能、提高效率、降低發(fā)電成本，必須進(jìn)行最大功率跟蹤(MPPT)，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率最大，并且具有穩(wěn)定的輸出電壓。本文光伏發(fā)電系統(tǒng)是兩級(jí)式電路結(jié)構(gòu)，前級(jí)DC/DC直流變換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏最大功率的追蹤，即實(shí)現(xiàn)MPPT，并且提升電壓等級(jí)，以滿足逆變器的需求；后級(jí)DC/AC是并網(wǎng)逆變器，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)[9]。

本文采用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率的追蹤，通過對(duì)PWM的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)MPPT的控制，將反饋回來的參考電壓與鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波形，即可對(duì)DC/DC電路控制獲得最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓，送到后級(jí)逆變器進(jìn)行逆變并網(wǎng)。如圖2所示，基于Matlab/Simulink搭建的光伏模型，環(huán)境溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，設(shè)置光伏電池的開路電壓在100～200 V之間，這樣在光伏電池工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，逆變器的輸入電壓Udc約為400V，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源輸入[10]。

圖2 光伏電池系統(tǒng)模型

1.3 濾波器的設(shè)計(jì)

在比較L型濾波器和LC型濾波器之后，選擇LCL型濾波器。但是并網(wǎng)電流中仍然含有較多的高次諧波，諧波畸變率(THD)較高，并且在特定頻率時(shí)濾波器中存在諧振。

在負(fù)載平衡的情況下，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，將三相逆變器并網(wǎng)簡(jiǎn)化為單相并網(wǎng)電路，得到單相并網(wǎng)模型中的LCL濾波器框圖如圖3所示[11]。

圖3 單相LCL濾波器框圖

如果將電網(wǎng)電壓Us當(dāng)作擾動(dòng)輸入量，即可得到并網(wǎng)電流is和并網(wǎng)逆變器輸出電壓u之間的傳遞函數(shù)為：

(1)

由式(1)傳遞函數(shù)可知，濾波器的極點(diǎn)均位于根軌跡圖的虛軸上，考慮電感電容的寄生電阻，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度仍非常小，即系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。上述傳函的伯德圖如圖4所示，作定性分析，在沒有任何改善方法時(shí)，LCL濾波器存在諧振尖峰，會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 LCL濾波器伯德圖

由于諧振的存在，本文以電容電流作為控制內(nèi)環(huán)，構(gòu)成有源阻尼法，抑制電路中的諧振；并與電感電流外環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制回路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其傳遞函數(shù)框圖如圖5所示，kc是電容電流反饋系數(shù)，kPWM是逆變器單元的等效增益。

圖5 雙閉環(huán)控制回路框圖

同理把us當(dāng)成擾動(dòng)量，根據(jù)控制框圖，可以得到電容電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：

(2)

同理，根據(jù)仿真模型參數(shù)，得到以上有源阻尼下傳遞函數(shù)的伯德圖如圖6所示，與圖4相比較，改進(jìn)后系統(tǒng)中不存在諧振，控制性能有明顯的改善。

圖6 有源阻尼LCL濾波器伯德圖

控制環(huán)中加入電容電流反饋后，LCL濾波器的諧振峰得到很好的抑制，相對(duì)無源阻尼控制，有源阻尼控制不會(huì)帶來輸出功率損耗，且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響[12]。這是理論上對(duì)濾波電路的修正，有待在仿真平臺(tái)上驗(yàn)證理論的正確性。

1.4 控制環(huán)解耦的設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)中電感、電容和逆變器等非線性元器件的存在，在系統(tǒng)狀態(tài)方程中電感和電容之間摻有耦合項(xiàng)，按照L1和Cf的次序進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無功的獨(dú)立控制[13]，剔除耦合對(duì)控制回路的影響。解耦框圖如圖7所示。

圖7 控制環(huán)解耦圖

2 并網(wǎng)系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證以上理論的正確性，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建光伏并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)模型，設(shè)定光伏電池的環(huán)境溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，最大功率點(diǎn)的追蹤采用擾動(dòng)觀察法，電網(wǎng)電壓峰值為311 V，三相逆變器的額定容量為30 kW，開關(guān)頻率10 kHz，采用上述的控制策略以及空間矢量脈寬調(diào)制方式。濾波器采用LCL型，將電容電流和電感電流分別作為控制回路的內(nèi)環(huán)和外環(huán)，既可提高并網(wǎng)電能的質(zhì)量，又可抑制低頻諧振。控制器采用PI控制，將三相交流信號(hào)經(jīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到dq軸上后，經(jīng)過解耦，輸出在跟隨輸入時(shí)可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。在相同條件下，采用LCL濾波器比LC濾波有較小的并網(wǎng)電流諧波畸變率和較少的高次諧波含量，并能較好地提高并網(wǎng)電流的質(zhì)量。

3 結(jié)果分析

根據(jù)以上理論和模型，仿真得到如圖8所示的并網(wǎng)波形，圖中顯示的是電網(wǎng)電壓A相波形和并網(wǎng)電流A相波形，且并網(wǎng)電流幅值放大了5倍，以便在同一圖形中比較?？梢?，單位功率因素并網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)，電流波形光滑，能滿足基本的并網(wǎng)要求。

圖8 LCL濾波時(shí)的電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形

相比之下，若采用LC濾波器，控制環(huán)由逆變器輸出電壓和電感電流組成，控制器仍由相同參數(shù)的PI控制器組成，在相同的條件下仿真，得到如圖9所示的結(jié)果。顯而易見，當(dāng)采用LC濾波器時(shí)，雖能滿足單位功率因素并網(wǎng)的要求，但是并網(wǎng)波形帶有毛刺，諧波含量較大。由此可見，濾波器采用LCL，控制環(huán)由電容電流和電感電流構(gòu)成，相比普通LC濾波器有較好的并網(wǎng)波形。

圖9 LC濾波的電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論對(duì)并網(wǎng)效果的影響，需要知道并網(wǎng)電流的諧波畸變率和高次諧波的含量。分別對(duì)LC型和LCL型的并網(wǎng)電流進(jìn)行傅里葉變換，記錄各自奇數(shù)高次諧波的百分比含量，并且顯示在同一柱狀圖中，如圖10所示。

圖10 兩種濾波器下的高次諧波含量

相比之下，LC型并網(wǎng)電流中的高次諧波的含量明顯偏高，此時(shí)經(jīng)FFT變換得到的總諧波失真(THD)為4.82%；而LCL型THD為2.05%，高次諧波含量較少，并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的污染程度較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符，本文提出的電容電流和電感電流控制策略對(duì)并網(wǎng)性能有一定的改善，減少了并網(wǎng)電流中高次諧波的含量，并且抑制了LCL電路的諧振，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為背景，基于LCL濾波器，采用電容電流控制策略，既有效提高了并網(wǎng)電能的質(zhì)量，減少了高次諧波的含量，降低了THD;又抑制了LCL電路的諧振，在提高并網(wǎng)質(zhì)量的同時(shí)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。結(jié)合PI控制、解耦，使光伏發(fā)電系統(tǒng)保證并網(wǎng)穩(wěn)定性的同時(shí)，減小穩(wěn)態(tài)誤差。最后通過對(duì)LC型和LCL型仿真對(duì)比，對(duì)并網(wǎng)電流的波形和高次諧波的含量進(jìn)行定量分析，驗(yàn)證本文提出方法的正確性和可行性。

[10] 楊玉林,龔躍玲,張玲.光伏并網(wǎng)逆變器的仿真研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(20):22-26.

[11] 陳曦.三相光伏并網(wǎng)逆變器的研制及并網(wǎng)控制策略研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2013.

[12] 易映萍,蘆開平,王林.基于LCL濾波器的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,31(12): 54-58.

[13] 彭秋波,盤宏斌,劉勇,等.LCL型三相并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)解耦控制器設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(4): 103-110.

Study of the PV Grid-connected Generation System Based on Capacitive Current Control with LCL Filter

In PV grid-connected power generation system,the grid-connected current contains many high order harmonics and larger harmonic distortion values.By using LCL type of capacitive current control method,the unit power factor can be controlled,and the grid-connected quality can be improved; in addition,the low frequency resonance caused by LCL filter can also be suppressed.The dual closed-loop control constituted by LCL capacitive current and inductive current can even prevent the unsteadiness of the single closed-loop control loop.The decoupling model of LCL circuit is given to further optimize the grid-connected energy quality.The LC filter and LCL filter are mainly compared in experimental simulation,the grid-connected output waveform and harmonic distortion value in simulation result are also compared; the correctness of the LCL current control is verified.

PV grid connected LCL filtering Capacitive current High order harmonics Harmonic distortion

上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)技術(shù)高新技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：14511101200)；

上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：13ZR1417800)；

上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：14110500700)。

馮成臣(1989-)，男，現(xiàn)為上海電力學(xué)院電機(jī)與電器專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601019

上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(編號(hào)：13DZ2273800)；

修改稿收到日期：2015-05-05。