基于LCL 參數(shù)優(yōu)化的新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制方法

樊剛強，楊 勇

（河套學(xué)院機電工程系，巴彥淖爾 015000）

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，因此對能源的開采活動持續(xù)進行，但是面對不可再生的能源資源，開采活動的不間斷進行導(dǎo)致能源嚴(yán)重枯竭[1]。在此背景下，尋求綠色可再生能源成為維持人類社會持續(xù)發(fā)展的唯一出路，以太陽能、風(fēng)能和水能等清潔可再生能源為主的發(fā)電技術(shù)興起并迅速成為當(dāng)下研究的重點。雖然新能源發(fā)電具有廣闊的發(fā)展前景，但由于其發(fā)電方式主要為分布式發(fā)電，導(dǎo)致電力能源得不到充分利用，存在能源浪費現(xiàn)象。因此為解決這一問題，人們選擇將其并聯(lián)到微電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器是并聯(lián)的重要工具，通過該裝置能將新能源轉(zhuǎn)換為合格的入網(wǎng)電能，以供人們用電?；诖耍⒕W(wǎng)逆變器的設(shè)計和控制會直接關(guān)系到并網(wǎng)電流的質(zhì)量[2]。

并網(wǎng)逆變器輸出的電流中存在大量諧波，降低了電流質(zhì)量，針對這一情況，一般會在逆變器輸出側(cè)安裝濾波器。LCL 濾波器是現(xiàn)在最常用的并網(wǎng)電流諧波抑制手段，具有較好的抑制效果。但是由于在諧振頻率處存在諧振突峰，因此對控制參數(shù)的設(shè)計要求較高，若參數(shù)設(shè)計不合理，則不僅達不到預(yù)期的諧波抑制效果，還會增加電流畸變的可能性，導(dǎo)致新能源發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定[1]。文獻[3]提出一種新興電力技術(shù)—分布式能源發(fā)電和微電網(wǎng)，為解決能源緊缺問題開辟一條新路經(jīng)。微電網(wǎng)同傳統(tǒng)的大電網(wǎng)以及分布式能源發(fā)電系統(tǒng)相比較，微電網(wǎng)的優(yōu)勢明顯。微電網(wǎng)接近負(fù)荷側(cè)，不需要建設(shè)遠(yuǎn)距離的輸電線路，可以大大降低線損指標(biāo)，節(jié)約輸電線路建設(shè)開支，但該方法的諧波抑制效果差。文獻[4]提出了一種新的能量供給系統(tǒng)，通過在配電網(wǎng)中輔以FACTS 器件，借助其在交流控制中相應(yīng)速度快且靈活的特點，達成對能量供給系統(tǒng)的管理和升級優(yōu)化，從而充分滿足負(fù)載側(cè)對電能質(zhì)量的要求，但該方法的控制效果差。

基于上述研究問題，本文通過優(yōu)化LCL 參數(shù)來改善新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制效果。研究分為三部分，首先建立基于LCL 濾波器的新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計并優(yōu)化LCL 濾波器參數(shù)，再提出并網(wǎng)逆變器控制策略，最后進行仿真實驗分析，驗證本文基于LCL 參數(shù)優(yōu)化的新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制方法的有效性。結(jié)果表明：本文研究的控制策略達到了預(yù)期的諧波抑制效果，同時保證了發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了本文的研究目的。

1 新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制優(yōu)化方法

濾波器是并網(wǎng)逆變器最好的伴侶，是抑制并網(wǎng)逆變器電流諧波的重要手段。LCL 濾波器是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種濾波器類型，諧波抑制效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于L 型和LC 型濾波器。然而，盡管LCL 濾波器的濾波特性具有許多優(yōu)點，但其諧振問題卻限制LCL濾波器功能的發(fā)揮。本文從LCL 濾波器的相關(guān)參數(shù)著手，解決濾波器本身存在的諧振問題，改善濾波器諧波抑制效果，繼而提高并網(wǎng)逆變器控制效果[4]。

1.1 新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

在新能源發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器一般有多個，組成逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，因此每個逆變單元的輸出特性都會對整體電流輸出造成影響。為方便分析逆變器輸出特性及性能，本文選擇常用的三相LCL 逆變器作為對象，建立其數(shù)學(xué)模型[5-6]。

首先明確基于LCL 濾波器的三相并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。圖1 中，PV 為光伏陣列，Cdc為直流側(cè)電容，Ck（k=a，b，c）為三相濾波電容，udc為輸入側(cè)直流母線電壓，uck（k=a，b，c）為三相濾波電容電壓，ugk（k=a，b，c）為三相電網(wǎng)電壓，uinv為逆變器橋臂輸出電壓，L1k（k=a，b，c）為三相逆變器側(cè)濾波電感，L2k（k=a，b，c）為三相電網(wǎng)側(cè)濾波電感，i1k（k=a，b，c）為三相逆變器側(cè)電流，igk（k=a，b，c）為三相并網(wǎng)電流ick（k=a，b，c）為三相濾波電容電流，VT1-VT6為三相逆變器開關(guān)管。

圖1 基于LCL 濾波器的三相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of three-phase grid-connected inverter based on LCL filter

假定ugk穩(wěn)定且三相對稱，以i1k、igk和uck為狀態(tài)變量，通過基爾霍夫電壓電流定律（KVL、KCL）可以列出逆變系統(tǒng)的a、b、c 相狀態(tài)空間方程為

式中，dk為逆變系統(tǒng)的數(shù)據(jù)節(jié)點。

由式（1）建立LCL 濾波器的模型，如圖2 所示。此處省略了三相符號k，下文亦是如此。

圖2 LCL 濾波器模型Fig.2 Model of LCL filter

當(dāng)ug作為擾動輸入量時，得到LCL 濾波器ig和uinv之間的開環(huán)傳遞函數(shù)為

通過式（2）可以看出，uinv（s）到輸出量ig（s）的傳遞函數(shù)在諧振頻率處仍存在諧振尖峰，其最終輸出量即入網(wǎng)電流也易發(fā)生諧振。

通過以上分析可知，LCL 濾波器的三階系統(tǒng)會在諧振頻率處發(fā)生諧振，從而無法有效抑制逆變器的電流諧波，導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響，因此解決諧振問題是提高并網(wǎng)逆變器控制質(zhì)量的主要途徑。

1.2 設(shè)計LCL 濾波器參數(shù)

根據(jù)第1.1 節(jié)的分析，濾波器的參數(shù)直接決定了濾波性能，進而影響新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制效果，因此從LCL 濾波器參數(shù)設(shè)計問題著手，以期解決其諧振尖峰問題。

在LCL 濾波器中，主要有3 個參數(shù)影響濾波效果。從這3 個方面著手，進行LCL 濾波器參數(shù)設(shè)計[7]。

（1）總電感L 參數(shù)選擇

LCL 濾波器總電感L（L=L1＋L2）可以通過濾波器的輸入電流紋波給出，紋波越小，總電感越大[8-9]。并網(wǎng)逆變器要求電感兩端的電流紋波控制在額定輸出的15%～25%，本文選取電流紋波為20%，由此可以得到總電感L 的下限為

式中：fsw為開關(guān)頻率；us為電網(wǎng)相電壓有效值；udc為直流側(cè)電壓；Ppv為光伏陳列輸出功率。

（2）濾波電容Ck參數(shù)選擇

電容的選取不能過大，也不能過小。過大，則對高頻分量的濾波處理效果較差；過小，雖然濾波效果較好，但會加大系統(tǒng)功率損耗[10]。因此，可以選取電容無功容量占逆變器總?cè)萘康陌俜直葋碛嬎汶娙葜?，這個百分比一般為不大于系統(tǒng)額定功率的5%，由此確定濾波電容Ck上限取值為

式中：P 為逆變器額定功率；f1為電網(wǎng)基波頻率。

（3）LCL 的諧振頻率fres參數(shù)選擇

為不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，LCL 濾波器諧振頻率應(yīng)該設(shè)置在10 倍基波頻率與1/2 的開關(guān)頻率之間，即

式中，fs為開關(guān)頻率。

1.3 新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制策略

取各個頻率段，并結(jié)合遺傳算法BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合實現(xiàn)故障診斷。通過優(yōu)化LCL濾波器參數(shù)可提高濾波器的濾波性能，但是若想在提高濾波性能、抑制諧波的同時保證系統(tǒng)穩(wěn)定，則需要抑制諧振尖峰。穩(wěn)定控制就須增加系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，而諧振尖峰影響系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，因此增加系統(tǒng)穩(wěn)定裕度必須對LCL 型濾波器諧振尖峰進行抑制[11-12]。根據(jù)已有研究可知，存在諧振尖峰的原因是LCL 濾波器的諧振沒有阻尼，因此可以通過給LCL 濾波器直接加入阻尼電阻來抑制諧振，這種方式就是無源阻尼方式。而在大功率應(yīng)用場合，加入實際的阻尼電阻會導(dǎo)致能量損耗的增加，且由于功率較大，引起阻尼電阻的發(fā)熱問題，需要對阻尼電阻加上專門的散熱裝置，增加了成本[13-15]。對LCL 濾波器進行諧振阻尼，還可以通過反饋濾波器電容、電感上的電流和電壓，增加阻尼內(nèi)環(huán)的方式進行有源阻尼，為此，本節(jié)圍繞阻尼抑制諧振尖峰來探討新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制策略。根據(jù)阻尼是否有源，可分為有源阻尼控制策略和無源阻尼控制策略，二者對比如表1 所示。

表1 有源阻尼控制策略和無源阻尼控制策略對比分析Tab.1 Comparative analysis of active and passive damping control strategies

有源阻尼控制策略和無源阻尼控制策略各有優(yōu)缺點，因此本文提出一種采用有源阻尼與無源阻尼協(xié)同的新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制方法，以彌補兩種方法各自存在的缺點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。有源阻尼和無源阻尼協(xié)同控制的流程如下。

步驟1初始化濾波器參數(shù)L1、L2、Ck以及電網(wǎng)電感Lg。

步驟2設(shè)置總阻尼系數(shù)ζ，其中有源阻尼系數(shù)為ζAD和無源阻尼系數(shù)ζPD。

步驟3計算有源阻尼的電流反饋系數(shù)λ 和阻尼電阻Rd。

步驟4判斷阻尼系數(shù)ζ 是否隨著電網(wǎng)電感Lg變化。若變化，則回到步驟2；否則，進入下一步。

步驟5檢驗阻尼設(shè)計是否符合本系統(tǒng)。若符合，則輸出設(shè)計參數(shù)；否則，回到步驟2。

這時，有源阻尼和無源阻尼協(xié)同控制下的LCL濾波器的傳遞函數(shù)為

混合阻尼系統(tǒng)總的阻尼系數(shù)為

利用混合阻尼協(xié)同控制新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵在于，以阻尼系數(shù)為對象，通過阻尼系數(shù)的不斷調(diào)節(jié)實現(xiàn)控制。

2 仿真分析

為驗證基于LCL 參數(shù)優(yōu)化的新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制方法的可行性，用Matlab/Simulink 仿真軟件搭建仿真平臺，進行仿真實驗。

2.1 仿真實驗平臺

搭建的仿真實驗平臺如圖3 所示，主要由直流電源、Boost 電路、逆變橋和LCL 濾波器等組成。

圖3 基于LCL 濾波器的并網(wǎng)逆變器實驗平臺Fig.3 Experimental platform for grid-connected inverter based on LCL filter

2.2 基于LCL 濾波器的并網(wǎng)逆變器仿真參數(shù)

基于LCL 濾波器的并網(wǎng)逆變器仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 基于LCL 濾波器的并網(wǎng)逆變器仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of grid-connected inverter based on LCL filter

2.3 LCL 濾波器參數(shù)

在確定開關(guān)頻率和電網(wǎng)電壓等條件之后，計算得到LCL 濾波器參數(shù)，結(jié)果如表3 所示。

表3 LCL 濾波器參數(shù)Tab.3 Parameters of LCL filter

2.4 諧波抑制效果分析

分別采用單一有源阻尼控制方法、單一無源阻尼控制方法以及本文所提方法進行諧波控制，控制結(jié)果如圖4～圖6 所示。

根據(jù)圖4～圖6 可以看出：采用其他兩種方法控制并網(wǎng)逆變器時，并網(wǎng)電流波形都明顯存在畸變，單一有源控制和單一無源控制的并網(wǎng)電流THD 分別為8.12%和7.58%，總諧波畸變率較高，不符合國家規(guī)定的并網(wǎng)電流諧波含量THD＜5%的指標(biāo)；而采用本文方法控制后，并網(wǎng)電流的THD 僅為0.51%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國家規(guī)定的指標(biāo)，說明本方法消除了LCL 濾波器的高頻諧振尖峰，降低了并網(wǎng)電流總諧波畸變率，提高了并網(wǎng)逆變器輸出的電能質(zhì)量。

圖4 單一有源阻尼控制方法諧波控制結(jié)果Fig.4 Harmonic control results of the single active damping control method

圖5 單一無源阻尼控制方法諧波控制結(jié)果Fig.5 Harmonic control results of the single passive damping control method

圖6 本文方法諧波控制結(jié)果Fig.6 Harmonic control results of the proposed method

3 結(jié)語

綜上所述，LCL 型濾波器是幫助并網(wǎng)逆變器提高輸出電能質(zhì)量的主要手段，但由于LCL 型濾波器本身存在的諧振突峰問題，導(dǎo)致諧波抑制效果往往達不到要求，甚至還會增加電流畸變的可能性。為此，本文提出一種基于LCL 參數(shù)優(yōu)化的新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器控制方法，經(jīng)測試，該方法能有效抑制諧波，降低總諧波畸變率。本研究取得了一定成效，但是受研究水平的限制，僅在仿真平臺對所提方案進行了驗證，沒有進行實際物理實驗分析，因此下一步希望能夠搭建實際實驗平臺，進行進一步研究。