基于光伏并網(wǎng)逆變器的有源阻尼控制技術(shù)分析

崔戰(zhàn)濤

（國網(wǎng)寧夏電力公司石嘴山供電公司，寧夏753000）

基于光伏并網(wǎng)逆變器的有源阻尼控制技術(shù)分析

崔戰(zhàn)濤

（國網(wǎng)寧夏電力公司石嘴山供電公司，寧夏753000）

針對光伏并網(wǎng)逆變器在濾波過程中產(chǎn)生諧波的問題，提出了有源阻尼控制的解決方案，討論了其抑制效果和對系統(tǒng)的影響，給出了有源阻尼控制的具體算法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了有源阻尼控制算法對諧振抑制的有效性。

光伏；逆變器；阻尼；諧振

1 引言

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，人們逐漸意識到傳統(tǒng)化石能源對環(huán)境的嚴(yán)重污染。近年來，以風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)能、核電等為代表的我國新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展，尤其是2015年我國已將新能源產(chǎn)業(yè)確定為國家重點(diǎn)培育發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。作為新能源產(chǎn)業(yè)之一的光伏發(fā)電行業(yè)近年來快速發(fā)展，為促進(jìn)分布式光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，我國政府也相繼推出了一系列的扶持政策：2014年1月，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于下達(dá)2014年光伏發(fā)電年度新增建設(shè)規(guī)模的通知》，提出2014年全國光伏備案目標(biāo)為14吉瓦，其中分布式為8吉瓦，大型電站為6吉瓦。2014年3月，國家發(fā)改委出臺了《能源行業(yè)加強(qiáng)大氣污染防治工作方案》，進(jìn)一步提出了分布式光伏發(fā)電中期目標(biāo)：2015年達(dá)到20吉瓦，2017年達(dá)到35吉瓦。為支持國內(nèi)分布式光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家發(fā)改委、國家能源局、國家電網(wǎng)和國家稅務(wù)總局等部門相繼出臺了多項(xiàng)分布式光伏細(xì)則，完善分布式相關(guān)政策制度。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：光伏組件、光伏匯流箱、光伏逆變器、升壓變壓器等組成，其中光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件。逆變器的作用一方面是交直流變換，另一方面是最大限度地發(fā)揮太陽電池的功能和系統(tǒng)保護(hù)功能。為了實(shí)現(xiàn)交直流變換功能，光伏逆變器都帶有濾波電路，其設(shè)計(jì)需要綜合考慮。

2 光伏并網(wǎng)逆變器LCL濾波器存在的諧振問題

下面以典型的單相LCL濾波器為例進(jìn)行分析。圖1為光伏逆變器中采用的LCL濾波器電路［1］，其中V為逆變器輸出電壓，E為網(wǎng)側(cè)電壓。

圖1 LCL濾波器電路

若把電網(wǎng)電壓當(dāng)作系統(tǒng)的干擾量，則可得到濾波器的輸入電壓到輸出電流的轉(zhuǎn)移函數(shù)，即轉(zhuǎn)移導(dǎo)納為：

在某一頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)產(chǎn)生諧振時有Z=0，則s3LCLg+s（L+Lg）=0，其中s=jω，則可得到諧振頻率為：

將630kW光伏逆變器參數(shù)L=140μH，Lg=40 μH，C=720 μF代入（1）式，可畫出濾波器的伯德圖如圖2所示。由伯德圖可知系統(tǒng)在1.12kHz產(chǎn)生諧振（事實(shí)上在示波器中通過對諧振電流波形的諧振周期進(jìn)行測量后可確定出諧振頻率為660Hz左右，因?yàn)橹骰芈分须姼泻碗娙莸膮?shù)存在誤差，所以計(jì)算得到的諧振頻率只是理論值，實(shí)際諧振頻率以測量值為準(zhǔn)），所以影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。事實(shí)上，LCL濾波器的諧振特性是由于其較低的系統(tǒng)阻尼所致的，因此需要在光伏逆變器系統(tǒng)控制中加入阻尼控制方案［2］。

圖2 LCL濾波器的伯德圖

3 LCL濾波器諧振問題的解決方案

采用電容電流反饋的有源阻尼控制方案后，系統(tǒng)仿真結(jié)果可以達(dá)到預(yù)期的效果，但是電容電流需要通過電流傳感器采樣或者估算得到。由于估算電容電流事實(shí)上比較困難，只能通過電流傳感器采樣得到，對于逆變器來說需要增加硬件進(jìn)而造成成本大幅增加，且整改周期可能較長，所以采用電容電壓反饋比較合理。電容電壓可以通過將電網(wǎng)電壓采集用霍爾傳感器移至濾波電容處獲得，或者通過網(wǎng)側(cè)電壓估算而獲得，不用增加額外的電壓傳感器就可以達(dá)到預(yù)期的要求。圖3為電容電壓反饋式有源阻尼控制方案框圖。

圖3 電容電壓反饋式有源阻尼控制方案框圖

4 實(shí)驗(yàn)測試方法及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)接線及方法

圖4 630kW逆變器帶光伏陣列接線圖

圖5 630kW逆變器環(huán)流試驗(yàn)接線圖

圖4為630kW逆變器帶光伏陣列的接線圖［3］。圖5為630kW逆變器環(huán)流試驗(yàn)接線圖。逆變器橋臂側(cè)電感L=140 μH，網(wǎng)側(cè)電感Lg=40 μH，電容為三角形接法（3×240 μF），轉(zhuǎn)換為星形接法后每相電容值為720 μF，網(wǎng)側(cè)電壓采樣點(diǎn)在網(wǎng)側(cè)電感輸出端。630kW逆變器調(diào)理板電壓采樣通道二階低通濾波器截止頻率為690Hz。通過以上實(shí)驗(yàn)接線，主要測試內(nèi)容如下表所示，并對諧振抑制的效果進(jìn)行對比。

表1 630kW光伏逆變器測試內(nèi)容

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）諧振頻率確定：將L=140 μH，Lg=40 μH，C=720 μF代入（2）式得諧振頻率為1063Hz，通過示波器測得的諧振頻率為660Hz左右。 實(shí)測諧振頻率比理論計(jì)算的諧振頻率小很多，可能原因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)電感或者變壓器漏感較大所致，在有源阻尼控制算法參數(shù)整定時應(yīng)以實(shí)測的660Hz為準(zhǔn)。調(diào)理板硬件電壓采樣通道為二階低通濾波器，其截止頻率為690Hz，實(shí)際諧振頻率660Hz小于截止頻率690Hz，則說明低通濾波器對諧振頻率的信號沒有濾波作用，這是發(fā)生諧振的較惡劣的一種工況。

（2）有源阻尼控制算法參數(shù)整定

a）對采樣電壓相位補(bǔ)償?shù)拇_定：電壓采樣經(jīng)過二階低通濾波器后相位滯后2.4°，本次中斷周期的采樣電壓值到下一個中斷周期才可參與控制，因此采樣的電壓相位又滯后了一個中斷周期對應(yīng)的相位，中斷頻率為2kHz，中斷周期為500 μs，則一個中斷周期滯后的相位為500＊0.018°= 9°。補(bǔ)償相位應(yīng)為2.4°+9°=11.4°，但考慮相位裕量，補(bǔ)償相位應(yīng)取值為13°，為此可在超前校正環(huán)節(jié)進(jìn)行相位補(bǔ)償，超前校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：式中，Kd為電容電壓的調(diào)制系數(shù)，Td、α為超前校正環(huán)節(jié)參數(shù)，且α＜1。

c）參數(shù)Td、Ts、Kd的確定：由于諧振頻率fres= 660Hz，則ωres=4145rad/s，

由中斷頻率2kHz可計(jì)算出采樣周期Ts=0.0005s，由測試結(jié)果可知Kd=0.12時抑制效果較佳。

（3）通過以上參數(shù)設(shè)置，630kW逆變器帶光伏陣列諧振頻率為660Hz時，不加有源阻尼控制算法與加有源阻尼控制算法的對比測試情況如圖6所示。

圖6 不加有源阻尼控制算法時啟動波形圖

圖6是不加有源阻尼控制算法時網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流的波形圖，可見當(dāng)時發(fā)生諧振峰時觸發(fā)了過壓保護(hù)，使逆變器發(fā)生故障而停機(jī)。

圖7 加有源阻尼控制算法時啟動波形圖

圖7是加有源阻尼控制算法時網(wǎng)側(cè)電流的波形圖，由圖中可看出電流諧振峰在較大程度上被衰減，之后逆變器正常運(yùn)行，沒有再出現(xiàn)諧振峰。

通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)：加有源阻尼控制算法后電壓振蕩一個電網(wǎng)電壓周期后開始衰減，在兩個電網(wǎng)電壓周期后電壓振蕩消除。

圖8是30%額定功率加有源阻尼控制算法的諧振抑制波形圖，圖9是100%額定功率加有源阻尼控制算法的諧振抑制波形圖。從這兩個圖形可以看出，逆變器正常運(yùn)行，沒有發(fā)生諧振現(xiàn)象，驗(yàn)證了有源阻尼控制算法在大功率運(yùn)行控制中的有效性。

圖8 30%額定功率加有源阻尼控制算法的諧振抑制波形圖

圖9 100%額定功率加有源阻尼控制算法的諧振抑制波形圖

（4）用MATLAB與CCS軟件聯(lián)合仿真驗(yàn)證在低電壓穿越不平衡跌落中［4］，有源阻尼控制算法對諧振的抑制情況，并與未加阻尼控制時的波形進(jìn)行對比。

圖10不加有源阻尼控制時仿真波形圖

圖11加有源阻尼控制時仿真波形圖

我們對低電壓穿越中網(wǎng)側(cè)B相電壓跌落至20%Un時是否加有源阻尼控制的仿真波形進(jìn)行對比，仿真對比波形圖分別如圖10、圖11所示。

通過上述仿真驗(yàn)證可知：不加有源阻尼控制算法時系統(tǒng)在諧振頻率附近產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧振問題，使網(wǎng)側(cè)電壓和電流有較大的諧振峰值，可能觸發(fā)過壓保護(hù)或過流保護(hù)，使逆變器發(fā)生故障而停機(jī)；加入有源阻尼控制算法之后可以抑制系統(tǒng)在諧振頻率附近所產(chǎn)生的諧振峰，使電壓和電流波形得到改善，能使系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。通過MATLAB與CCS聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)在低電壓穿越不平衡跌落時，有源阻尼控制算法能對諧振進(jìn)行有效抑制。

5 結(jié)束語

本文對光伏產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵核心部件光伏逆變器的基本原理進(jìn)行了分析，對LCL濾波電路產(chǎn)生的諧振問題進(jìn)行了討論，提出了解決方案，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有源阻尼控制算法對諧振抑制的有效性，對相關(guān)科研技術(shù)人員具有較好的借鑒意義。

［1］雷 一，趙爭鳴，魯思兆.LCL濾波的光伏并網(wǎng)逆變器有源阻尼與無源阻尼混合控制［J］.電力自動化設(shè)備，2012，（11）.

［2］韓 剛，蔡 旭.LCL并網(wǎng)變流器反饋?zhàn)枘峥刂品椒ǖ难芯浚跩］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（17）：72-78.

［3］陳啟亮，徐 亮，孫 杰.集群技術(shù)在光伏電站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國科技博覽，2012，（27）.

［4］田海濤，王 璐，梁建賓.采用計(jì)算機(jī)通訊的混合儲能系統(tǒng)在光伏電站低電壓穿越中的應(yīng)用［J］.電測與儀表，2015，52（4）：123-128.

Analysis of active damping control technology based on photovoltaic grid inverter

CUI Zhan-tao
（Shizuishan Power Supply Company，State Grid Ningxia Electric Power Company，Shizuishan 753000，China）

The harmonics problems that happen during the photovoltaic grid inverter wave filtering are analyzed.The solution，the inhibition effect and the influence to the system are put forward.The active damping control algorithm and its effectiveness for harmonic suppression are presented.

photovoltaic；inverter；damping；resonance

TM461

A

1005—7277（2016）03—0017—04

崔戰(zhàn)濤（1981-），男，工程師，寧夏石嘴山供電公司職工，先后從事繼電保護(hù)等技術(shù)工作和調(diào)度及配電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)等技術(shù)管理工作。

2016-04-12