分布式發(fā)電系統(tǒng)中LCL濾波的并網(wǎng)變換器控制策略研究

摘 要 作為可再生能源，分布式發(fā)電系統(tǒng)，尤其是光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電越來越收到人們的重視。如今風(fēng)機(jī)或太陽能電池接入電網(wǎng)通常采用電力電子變流器作為接口，通過對(duì)并網(wǎng)變換器的有效控制，就可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與接入電網(wǎng)的完美銜接。研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)中LCL濾波的并網(wǎng)變換器幾種控制策略，分析了微電網(wǎng)并網(wǎng)PWM整流器的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的實(shí)踐意義與應(yīng)用推廣提供了參考。

關(guān)鍵詞 分布式發(fā)電;控制策略;微電網(wǎng);并網(wǎng)變換器

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，煤礦、石油、天然氣、原子能等能源存儲(chǔ)量越來越少，空氣污染和溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重，開發(fā)更多的可再生能源受到人們的重視。在可再生能源中，目前發(fā)展最快的是風(fēng)能和太陽能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置和太陽能板能夠避免長(zhǎng)距離的高壓傳輸電能，且可再生能源不會(huì)產(chǎn)生CO2、SO2等有害氣體，考慮到電能傳輸和環(huán)境影響等經(jīng)濟(jì)效益，越來越多的科學(xué)家和經(jīng)濟(jì)學(xué)家認(rèn)為，風(fēng)能和太陽能作為可再生能源，在未來幾年會(huì)比傳統(tǒng)能源更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[1]。

風(fēng)能、太陽能等可再生能源轉(zhuǎn)化成的電能是極其不穩(wěn)定的，產(chǎn)生的電能質(zhì)量也不符合直接并網(wǎng)的規(guī)定要求，如果直接接入電網(wǎng)，會(huì)引起電網(wǎng)品質(zhì)的下降，如果接入電網(wǎng)的電能能量很大時(shí)，甚至?xí)?duì)電網(wǎng)的頻率電壓造成沖擊，嚴(yán)重時(shí)造成整個(gè)電網(wǎng)的癱瘓。如今，風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電廠產(chǎn)生的電能在并網(wǎng)前，系統(tǒng)中引入電力變換裝置。在變流器中，三相整流器具有功率因數(shù)可調(diào)節(jié)、輸入電流諧波小、直流電壓波動(dòng)小、能量雙向流動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)[2]，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用，并先后發(fā)表了很多有很高應(yīng)用價(jià)值的文章分享他們的研究成果。

由于PWM整流器可以完成“綠色電能轉(zhuǎn)換”，整流器的網(wǎng)側(cè)表現(xiàn)為受控電流源特性，因此PWM整流器及其控制策略受到了更深的探究和發(fā)展。在電力系統(tǒng)中可用于靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、統(tǒng)一潮流控制（UPFC）、超導(dǎo)儲(chǔ)能（SMES）、高壓直流輸電（HVDC）、有源電力濾波（APF）以及太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等。傳統(tǒng)的三相電壓源型整流器交流側(cè)每相接入單電感濾波器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)濾波。電網(wǎng)側(cè)濾波電感的值越大，電流諧波可以相應(yīng)減小，提高濾波效果，而同時(shí)濾波電感值的增加會(huì)對(duì)整套系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響。J.Svensson和M.Lindgren首先提出了用LCL濾波裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單電感濾波裝置，三階LCL濾波器可以使用較小的電感電容實(shí)現(xiàn)濾波，既能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能夠?qū)崿F(xiàn)較好的濾波效果[1]。

1分布式發(fā)電系統(tǒng)LCL濾波的并網(wǎng)變換器控制策略概述

風(fēng)能、太陽能等可再生能源產(chǎn)生的電能不能直接接入電網(wǎng)，需要整流器來提高電能質(zhì)量。PWM整流器經(jīng)單電感濾波裝置接入電網(wǎng)，但是單L濾波器在電感值較小時(shí)濾波效果欠佳，增大電感值濾波效果會(huì)變好，但是會(huì)影響系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。

基于LCL濾波的PWM整流器在整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)中，能夠有效抑制諧波，但是由于系統(tǒng)中增加了電容回路，整流器的數(shù)學(xué)模型從而由一階變成三階，并且LCL濾波器會(huì)產(chǎn)生諧振，控制方法更加復(fù)雜。Frede Blaabjerg和Marco Liserre提出了LCL濾波器的設(shè)計(jì)方法，在電容設(shè)計(jì)合理的情況下，L濾波器的波德圖和LCL濾波器的波德圖是重合的，證明了在低頻信號(hào)輸入下，電容的作用可以忽略?；谶@種理論，Marco Liserre和Frede Blaabjerg設(shè)計(jì)了將基于LCL濾波的PWM整流器等效成基于L濾波器的PWM整流器的控制策略。目前，應(yīng)用于基于LCL濾波的PWM整流器的控制策略大多數(shù)是矢量控制，只是在原有的矢量控制基礎(chǔ)上增加了阻尼作用來消除高次諧波，或者研究基于矢量控制的無阻尼控制策略[2]。

2LCL濾波并網(wǎng)整流器直接功率控制

由于直接功率控制具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，近年來已被越來越多的應(yīng)用于并網(wǎng)電能變換器的控制中。但是傳統(tǒng)的直接功率控制策略采用的是有源阻尼方法，并沒有涉及電流內(nèi)環(huán)。L.A.Serpa，J.W.Kolar，S.Ponnaluri和P.M.Barbosa提出了基于虛擬磁鏈的LCL濾波的PWM整流器直接功率控制策略。

經(jīng)過直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流的檢測(cè)值來估算整套并網(wǎng)系統(tǒng)的虛擬磁鏈，從而算出系統(tǒng)的有功無功功率值，并與給定值相減，結(jié)果發(fā)給開關(guān)器件，從而產(chǎn)生控制脈沖。傳統(tǒng)的有源阻尼方法基于給定的電壓或電流的參考值，然而由于直接功率控制沒有電流內(nèi)環(huán)，該修正方法將其變換為功率參考給定值，將有功和無功功率分別減去相應(yīng)的阻尼分量值后，有效避免了諧振問題[3]。

直接功率控制的優(yōu)點(diǎn)，就是在靜止坐標(biāo)系下，對(duì)功率和阻尼量進(jìn)行控制計(jì)算，不需開展煩瑣的解耦控制和坐標(biāo)變換，對(duì)系統(tǒng)的無功功率完成直接的控制，無論算法還是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單;能夠有效避免PWM算法，對(duì)開關(guān)的狀態(tài)使用查表技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;在使用虛擬磁鏈定向的控制策略，避免了傳動(dòng)電壓傳感器的使用。網(wǎng)側(cè)虛擬磁鏈估算中，學(xué)者將PWM整流器交流側(cè)電流根據(jù)電網(wǎng)側(cè)的電流和電容電流進(jìn)行估算，節(jié)省了交流側(cè)電流傳感器的使用。

3LCL濾波并網(wǎng)整流器無差拍控制

在PWM整流器矢量控制數(shù)字化研究中，Jan Svensson和Michael Lindgren提出了基于LCL濾波的并網(wǎng)變換器的無差拍控制策略。在接下來的研究中，F(xiàn)elipe Espinosa等人提出了改進(jìn)型無差拍矢量控制策略。改進(jìn)型無差拍控制系統(tǒng)的電壓和電流值只需要一組電壓傳感器和一組電流傳感器，整套控制系統(tǒng)的擾動(dòng)用無源阻尼來完成衰減，控制策略中的其他的量通過狀態(tài)觀測(cè)器獲得。改進(jìn)型無差拍控制策略整流器側(cè)的電壓給定計(jì)算中，增加了電容電壓的反饋，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果更佳。

LCL濾波器的矢量模型歐拉變換離散化為：

在無差拍控制系統(tǒng)中，只有選擇合適的，，參數(shù)，合理修正無差拍控制的增益，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。無差拍控制系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)采用無差拍算法跟蹤系統(tǒng)電流給定值，電壓外環(huán)采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)控制。其優(yōu)點(diǎn)是只需要一組電壓傳感器和一組電流傳感器，整套控制系統(tǒng)的擾動(dòng)用無源阻尼來完成衰減，控制策略中的其他的量通過狀態(tài)觀測(cè)器獲得。后續(xù)學(xué)者研究中，狀態(tài)觀測(cè)器中加入了史密斯預(yù)測(cè)器，在觀測(cè)器中采用了輸出電流用來補(bǔ)償計(jì)算延遲，從而優(yōu)化了無差拍算法。

與傳統(tǒng)的SVPWM整流器相比，無差拍控制系統(tǒng)中的開關(guān)器件的輸出脈沖寬度，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電路狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，具有優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能。將常規(guī)的PI控制方法與無差拍算法結(jié)合起來，使得整個(gè)系統(tǒng)既具備PI控制系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具備誤差控制系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)，使得整套系統(tǒng)具備良好的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能[4]。

4LCL濾波并網(wǎng)整流器三閉環(huán)控制

在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中，三相電壓的幅值相位不可能完全對(duì)稱，因此在電網(wǎng)中存在低頻電流諧波，許多學(xué)者對(duì)電網(wǎng)不平衡下的控制策略進(jìn)行了研究?；贚濾波器的相似的原理，Jan Svensson和Fainan.A.Magueed提出了改進(jìn)的正負(fù)序電流獨(dú)立控制策略。Donald Grahame Holmes和Erika Twining提出了LCL濾波并網(wǎng)整流器三閉環(huán)控制策略，這是首次針對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓提出的換流器控制策略，也是一種較為新穎的換流器不平衡控制策略。新加坡的P. Ch. Loh在三閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，又提出了多環(huán)控制的概念。在三閉環(huán)控制策略中，電流控制采用雙內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)一是采用網(wǎng)側(cè)電流控制作為內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)二是采用的是電容電流控制作為內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)可以直接控制直流側(cè)的電壓，電壓外環(huán)的電壓調(diào)節(jié)器的輸出值當(dāng)作網(wǎng)側(cè)電流有功分量的給定。三相電容電流的反饋值是把變流器交流側(cè)電流和網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行合成，同時(shí)電網(wǎng)側(cè)電流調(diào)節(jié)器的輸出在d-q坐標(biāo)系中經(jīng)坐標(biāo)變換后作為三相電容電流的給定。最后，電容電流反饋值和給定值的偏差經(jīng)過三個(gè)比例調(diào)節(jié)器當(dāng)作SVPWM的開關(guān)器件的電壓控制脈沖信號(hào)。，，提供坐標(biāo)變換需要的旋轉(zhuǎn)角度。因此，整套三閉環(huán)控制系統(tǒng)，是在矢量控制的基礎(chǔ)上，引入了一個(gè)電容電流內(nèi)環(huán)，從而有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能[5]。為了研究消除不平衡電網(wǎng)電壓引起的諧波電流，提出了諧振阻抗的概念，見式。

從三閉環(huán)控制系統(tǒng)中，可以看到諧波阻抗的值是隨著整套系統(tǒng)的頻率的減小而增大的，隨著PI調(diào)節(jié)器的比例值的增大，諧振阻抗會(huì)隨著增大?？赏ㄟ^增加使Z（s）增大，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的低頻諧波電流的減少[5]。三閉環(huán)控制該方法具備矢量控制系統(tǒng)較強(qiáng)的魯棒性，但是，由于三閉環(huán)控制系統(tǒng)需要在直流側(cè)增加電壓傳感器，并且需要兩組電流傳感器分別測(cè)量電容電流和網(wǎng)測(cè)電流值，因此傳感器比較多是其缺點(diǎn)。

5結(jié)束語

基于LCL濾波的PWM整流器并網(wǎng)控制方法分析可知，無差拍控制有利于PWM整流器矢量控制數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，但是無差拍控制傳感器需求量較多，系統(tǒng)控制較為復(fù)雜，因此實(shí)現(xiàn)無傳感器的研究作為了很多學(xué)者下一步的研究重點(diǎn)。三閉環(huán)控制該方法具備矢量控制系統(tǒng)較強(qiáng)的魯棒性，但是，由于三閉環(huán)控制系統(tǒng)需要在直流側(cè)增加電壓傳感器，并且需要兩組電流傳感器分別測(cè)量電容電流和網(wǎng)測(cè)電流值，因此傳感器比較多是其缺點(diǎn)。直接功率控制，不需開展煩瑣的解耦控制和坐標(biāo)變換，對(duì)系統(tǒng)的無功功率完成直接的控制，無論算法還是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但其開關(guān)頻率不固定和死區(qū)效應(yīng)帶來的影響給濾波器參數(shù)選擇造成了一定的麻煩[6]。

分布式發(fā)電系統(tǒng)，作為一種可再生綠色能源，越來越收到人們的重視，如何實(shí)現(xiàn)綠色電網(wǎng)的有效并網(wǎng)，也受到很多學(xué)者的關(guān)注。作為微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和優(yōu)化控制的重要環(huán)節(jié)，本文通過對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變換器的分析，研究了基于LCL濾波的PWM整流器并網(wǎng)控制方法，闡述了分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變換器幾種控制策略，分析了微電網(wǎng)并網(wǎng)PWM整流器的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較探討，為微電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介

高吉榮，女，山東濟(jì)寧人;講師;畢業(yè)院校：中國礦業(yè)大學(xué)，專業(yè)：電力電子與電力傳動(dòng)，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：講師，現(xiàn)就職單位：山東理工職業(yè)學(xué)院，研究方向：分布式發(fā)電與智能微電網(wǎng)。