三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器設計

摘要：逆變器是光伏發(fā)電實現(xiàn)并網(wǎng)的核心元件，其性能直接影響光伏并網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。針對LCL型濾波器諧振尖峰，研究分析了6種無源阻尼方法。采用電容支路串電阻法抑制諧振尖峰，設計了基于并網(wǎng)電流反饋無源阻尼的三相LCL型光伏逆變器結(jié)構(gòu)，并對各項參數(shù)進行了優(yōu)化設計。最后，仿真驗證了逆變器結(jié)構(gòu)的有效性和參數(shù)設計的合理性，為創(chuàng)新港概念廠項目實施光伏發(fā)電提供了技術(shù)參考和指導。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；LCL型逆變器；并網(wǎng)；無源阻尼；參數(shù)設計

中圖分類號：TM464" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0024-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.006

0" " 引言

面對資源匱乏、能源短缺、環(huán)境污染等一系列問題，光伏、風力等新能源發(fā)電迅猛發(fā)展，成效顯著。隨著國家雙碳政策的出臺，光伏產(chǎn)業(yè)并網(wǎng)發(fā)電受到政策扶持和鼓勵。在雙碳目標的驅(qū)動下，作為耗能大戶的污水處理廠開始著眼于利用光伏發(fā)電實現(xiàn)節(jié)能降耗[1-2]。污水處理廠擁有占地面積大、空間開闊的天然優(yōu)勢，將光伏并網(wǎng)發(fā)電引入污水處理項目，不僅可以降低自身用電成本，還可實現(xiàn)大氣環(huán)境和水環(huán)境污染減排的雙贏，促進污水處理企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的能量傳遞裝置，在向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量電能的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[3]。并網(wǎng)逆變器的逆變器橋輸出電壓中含有豐富的開關(guān)諧波，為抑制開關(guān)諧波導致的并網(wǎng)電流諧波，需要在逆變器中引入濾波器，LCL型濾波器與L型濾波器相比具有更好的諧波抑制能力和衰減特性，因此被廣泛應用。

創(chuàng)新港項目設想采用前瞻的構(gòu)思、獨特的創(chuàng)意和最新的科技成果打造城市污水處理“概念廠”，以探索中國環(huán)境保護未來的發(fā)展方向，改變?nèi)藗儗ξ鬯幚淼睦砟?，由高能耗高物耗向能源化資源化方向發(fā)展。概念廠力求大幅提高污水處理廠能源自給率，實現(xiàn)節(jié)能降耗，充分利用太陽能產(chǎn)能供給廠區(qū)耗能。為指導創(chuàng)新港概念廠項目實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電，本文將設計一種光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，通過建立數(shù)學模型分析濾波器諧振機理，根據(jù)幅頻特性曲線對比L型濾波器和LCL型濾波器的濾波特性，并闡釋LCL型濾波器的諧振現(xiàn)象。為抑制諧振尖峰，研究分析了6種基于無源阻尼的濾波器支路串并聯(lián)電阻方法。采用電容支路串聯(lián)電阻的無源阻尼控制方法抑制諧振尖峰，設計了一種基于并網(wǎng)電流反饋無源阻尼的三相LCL型光伏逆變器結(jié)構(gòu)，并進行了參數(shù)優(yōu)化設計，仿真結(jié)果表明，設計的并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)運行。

1" " 三相LCL型并網(wǎng)逆變器諧振機理分析

三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]，Udc為由光伏電池組件提供的直流輸入電壓，I1為逆變器側(cè)電流，LCL型濾波器由逆變器側(cè)濾波電感L1、濾波電容Cf和網(wǎng)側(cè)濾波電感L2構(gòu)成，VT1～VT6代表三相逆變器的6個IGBT開關(guān)管，I2為電網(wǎng)電流，Ug為電網(wǎng)電壓。

為簡化分析過程，任選圖1中的某一相進行研究，忽略各個電感中的伴生電阻，得到其動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

將電網(wǎng)電壓Ug看成擾動輸入信號us，可得：

繼而可以得到并網(wǎng)電流is（s）與輸出電壓u（s）的傳遞函數(shù)：

同理可得L型濾波器并網(wǎng)電流is（s）與輸出電壓u（s）的傳遞函數(shù)：

為分析LCL型濾波器諧振機理和濾波特性，繪制式（2）和式（3）的幅頻特性曲線，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，諧振點前L型濾波器和LCL型濾波器幅頻特性曲線基本一致，說明兩者在該頻域濾波特性相同。LCL型濾波器在頻率大約為104（諧振點）處產(chǎn)生一個正向諧振尖峰，同時相位發(fā)生180°的跳變。高頻段，LCL型濾波器幅頻特性曲線的衰減速率是L型濾波器的3倍，因此LCL型濾波器抑制高次諧波效果更佳，更適用于并網(wǎng)逆變器。

2" " LCL型濾波器無源阻尼方法

LCL型濾波器存在嚴重的諧振尖峰，需要適當?shù)淖枘岵呗詠硪种浦C振尖峰，避免其可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象[5]。阻尼諧振最直接的方法是在LCL型濾波器電感或電容上串聯(lián)/并聯(lián)電阻，即無源阻尼方法。

無源阻尼方法依據(jù)阻尼電阻不同的放置位置可以分成6種[6-7]，如圖4所示：電感L1串聯(lián)（R11）或并聯(lián)（R12）電阻，電感L2串聯(lián)（R22）或并聯(lián)（R21）電阻，電容C串聯(lián)（R32）或并聯(lián)（R31）電阻。

根據(jù)圖4所示逆變器并網(wǎng)電流與輸出電壓之間的傳遞函數(shù)繪制6種LCL型濾波器無源阻尼法的頻率特性，如圖5所示。

由圖5（a）和（c）可知，逆變器側(cè)或電網(wǎng)側(cè)電感串聯(lián)電阻，電阻大小影響幅頻特性，阻值越大，諧振尖峰抑制效果越明顯，但會導致濾波器低頻段增益降低，削弱對高頻諧波的抑制能力。由圖5（b）和（d）可知，逆變器側(cè)或電網(wǎng)側(cè)電感并聯(lián)電阻，隨著電阻值的減小，阻尼效果更好，諧振尖峰的抑制作用更顯著，然而，高頻段增益的減小影響了高頻諧波衰減能力。由圖5（e）和（f）可知，濾波電容支路串聯(lián)電阻，電阻值越大，阻尼效果越好，當電阻值為電容容抗的4%左右時，基本完全抑制了諧振尖峰；濾波電容并聯(lián)電阻不會影響低頻段和高頻段濾波特性，但阻尼損耗較大。綜上所述，濾波電容串電阻的方法因其簡單且損耗小被廣泛應用，因此本文設計的三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器采用濾波電容串聯(lián)電阻的方法來抑制諧振尖峰。

3" " 三相LCL型并網(wǎng)逆變器參數(shù)設計

3.1" " 逆變器側(cè)濾波電感L1參數(shù)設計

濾波電感L1的大小取決于逆變器側(cè)電流紋波Δi，電流紋波太大會造成電感的損壞過大，一般規(guī)定電流紋波為額定電流的15%到25%，濾波電感L1與電流紋波Δi的函數(shù)關(guān)系[8]：

式中：Udc、Ug、fs和Pn分別為直流電壓、電網(wǎng)電壓、采樣頻率和額定功率。

3.2" " 逆變器側(cè)濾波電容Cf參數(shù)設計

濾波電容能夠抑制逆變器系統(tǒng)輸出電流的諧波，同時產(chǎn)生無功功率。電容Cf越大，產(chǎn)生無功越多，造成的損耗越大。電容Cf較小，則諧波衰減效果不佳，無法滿足并網(wǎng)電流的諧波衰減要求。因此，電容Cf應合理設計。一般而言，電容產(chǎn)生的無功功率應小于系統(tǒng)額定功率的5%，即：

式中：f為電網(wǎng)頻率。

3.3" " 網(wǎng)側(cè)濾波電感L2參數(shù)設計

網(wǎng)側(cè)濾波電感L2的設計要綜合考慮，濾波電感太大會降低逆變器系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，而太小會影響諧振頻率，并且增加整個系統(tǒng)損耗。網(wǎng)側(cè)濾波電感L2與逆變器側(cè)電感L1滿足如下關(guān)系式：

式中：K為系數(shù)，0lt;Klt;1。

不同的K值會使LCL型濾波器呈現(xiàn)不同的幅頻特性，如圖6所示。可以看出，系數(shù)K越小，諧振頻率越大，高頻諧波抑制能力越差。系數(shù)K大到一定程度時，諧振頻率和高頻諧波抑制能力差別并不顯著，故本文選取系數(shù)K=0.5。

3.4" " 濾波電容Cf參數(shù)設計的驗證

一般設計要求諧振頻率fres在10倍電網(wǎng)頻率和0.5倍采樣頻率之間，即：

將設計的L1、L2、C的值代入式（7），得出系統(tǒng)的諧振頻率為：

經(jīng)計算fres=1 450.7 Hz，因f=50 Hz，fs=10 kHz，所以10f≤fres≤0.5fs滿足諧振頻率限制條件。因此，可以驗證逆變器側(cè)電感L1、網(wǎng)側(cè)電感L2和濾波電容Cf的取值是合理、有效的。

3.5" " 阻尼電阻Rd參數(shù)設計

阻尼電阻Rd的取值一般為諧振頻率時容抗的1/3，即：

3.6" " PI控制器參數(shù)設計

當并網(wǎng)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器Gi（s）采用PI調(diào)節(jié)器時，其傳遞函數(shù)可表示為[9]：

式中：Kp和Ki分別為比例和積分增益。根據(jù)PI控制器閉環(huán)傳遞函數(shù)，由勞倫斯穩(wěn)定判據(jù)取值。

4" " 仿真驗證及結(jié)果分析

為驗證圖7電流反饋無源阻尼三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)的有效性，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，其中，光伏電池組用直流電壓代替，電網(wǎng)電壓Ug=380 V、直流電壓Udc=800 V、電網(wǎng)頻率f=50 Hz、阻尼電阻Rd=3.63 Ω、L1=3.3 mH、L2=1.65 mH、Cf=10.9 μF、采樣頻率fs=10 kHz、Kp=10.7、Ki=1 085。

并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的仿真波形如圖8所示，可以看出設計的并網(wǎng)逆變器通過直接電流控制方法使得輸出電流逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波，且波形平滑、無明顯畸變，良好地實現(xiàn)了并網(wǎng)要求。功率因數(shù)仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出通過閉環(huán)控制設計的逆變器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)運行。

5" " 結(jié)語

本文為設計三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器，首先分析了LCL型并網(wǎng)逆變器的諧振機理，針對LCL型濾波器產(chǎn)生的諧振尖峰，研究對比分析了6種基于無源阻尼抑制諧振尖峰的方法。其次，對設計的基于并網(wǎng)電流反饋無源阻尼三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器參數(shù)進行了優(yōu)化設計。最后，通過搭建仿真模型驗證了并網(wǎng)逆變器的有效性和實用性，為概念廠光伏并網(wǎng)發(fā)電提供了技術(shù)支持，可實現(xiàn)光伏系統(tǒng)單位功率因數(shù)并網(wǎng)運行。

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收稿日期：2022-12-02

作者簡介：王佳浩（1993—），男，寧夏靈武人，碩士研究生，助理工程師，主要從事供排水項目分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)相關(guān)工作。