基于LCL型濾波器的光伏并網(wǎng)逆變器的設計方案

1 引言

近年來(lái)，新能源發(fā)電迅速崛起，光伏和風(fēng)電并網(wǎng)成為一個(gè)重要的研究方向，作為并網(wǎng)核心器件的逆變器成為電力電子領(lǐng)域研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)。

為了抑制逆變環(huán)節中高頻功率開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波，并網(wǎng)系統引入LCL型濾波器，可以消除注入電網(wǎng)的高次諧波成分，但是它有不足之處，為三階系統，容易產(chǎn)生諧振尖峰，引起振蕩，甚至會(huì )影響整個(gè)系統的穩定性，所以必須改善對系統的控制策略，對其諧振問(wèn)題進(jìn)行有效的抑制，提高光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

目前，國內外學(xué)者對LCL型濾波器提出了很多種控制策略，主要可以分為三種類(lèi)型：基于電流的控制策略、基于虛擬同步電機控制策略和基于直接功率控制策略(DPC)。本文主要通過(guò)在對基于直接功率控制策略(DPC)原理研究分析的基礎上，優(yōu)化控制策略，提出改進(jìn)的準DPC控制策略，既保留了LCL型濾波器在高頻波段內使諧波能快速削減的能力的優(yōu)點(diǎn)，又能從根本上解決諧振問(wèn)題。

2 直接功率控制策略

相對基于電流和虛擬同步電機控制策略，直接功率控制具有更高的功率因數，更低的THD(總諧波畸變率)，以及優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能和結構簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)，從1991年Tokuo Onhishi提出將直接功率控制應用于對變流器的控制以來(lái)，逆變器的直接功率控制受到了國內外的學(xué)者的廣泛關(guān)注。

直接功率控制一般采用都是開(kāi)關(guān)矢量表查詢(xún)法(L-DPC)，開(kāi)關(guān)矢量表是系統控制的核心，所以研究開(kāi)關(guān)矢量表是研究直接功率控制的一個(gè)重要的方向。有些學(xué)者對此也提出了不同空間劃分和優(yōu)化開(kāi)關(guān)表設計方法，這種對開(kāi)關(guān)表的改進(jìn)大大提高了直接功率控制的系統動(dòng)態(tài)性能。然而，L-DPC開(kāi)關(guān)頻率不固定，不利于輸出濾波器的設計。

為解決前面說(shuō)的問(wèn)題，人們提出了恒頻直接功率控制，基于恒頻直接功率控制的幾種方法，不但兼顧了功率調節的動(dòng)態(tài)性，又固定了開(kāi)關(guān)頻率，不過(guò)這樣無(wú)法實(shí)現對并網(wǎng)電流的直接控制。后來(lái)又有人提出了基于虛擬磁鏈和有源阻尼控制的直接功率控制方法，但是兩種控制算法比較難以實(shí)現，控制起來(lái)比較復雜。

3 基于準DPC光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略

為此本文提出了一種基于準直接功率控制(DPC)的光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略，內環(huán)用電流環(huán)進(jìn)行控制，對并網(wǎng)的電流進(jìn)行直接的控制，功率環(huán)作為外環(huán)，直接控制并網(wǎng)逆變器的輸出功率，這樣系統的控制性能既有了基于電流控制的優(yōu)點(diǎn)，又有了基于直接功率控制的優(yōu)良性能?？刂葡到y包括對直流母線(xiàn)的控制環(huán)節、有源功率阻尼環(huán)節、對功率進(jìn)行控制的環(huán)節以及電流的控制環(huán)節等。

其系統的結構如圖1所示。

根據瞬時(shí)功率的理論計算逆變器并網(wǎng)側瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率，光伏并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側復功率可定義為：

上式中us和is分別是電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的空間矢量，usα﹑usβ﹑isα ﹑isβ分別為坐標系下的電網(wǎng)電壓和電流的分量。

將上面的瞬時(shí)有功功率p 和q 無(wú)功功率，和設定的功率的參考值 p*和q*進(jìn)行比較，并且減去有源阻尼功 pd 和qd ,從而得到功率的誤差，然后將誤差信號送給模糊功率控制器進(jìn)行分析調節，然后得到并網(wǎng)電流的參考信號，同時(shí)和實(shí)際檢測的并網(wǎng)電流信號比較，經(jīng)過(guò)重復PR電流控制器的調節和變換，利用SPWM 調制技術(shù)，控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷。其中系統的有功功率參考值p*,是由直流側的電壓經(jīng)過(guò)PI 調節的控制的輸出和直流母線(xiàn)的電壓相乘得到的，為了實(shí)現并網(wǎng)側單位功率因數的運行，所以設置無(wú)功功率參考值q*為0.

3.1 功率的控制器設計

因為光伏發(fā)電系統輸出的功率隨光照、溫度等條件不斷變化，所以功率控制器采用常規的控制很難達到理想的控制效果，就提出一種基于模糊的功率環(huán)控制策略。模糊控制器是運用模糊推理機制在線(xiàn)對控制器參數進(jìn)行整定和優(yōu)化﹑控制。

3.2 電流的控制器設計

電流的控制器的外環(huán)是用重復PR控制進(jìn)行，重復控制來(lái)控制并網(wǎng)系統的電流，而PR控制的作用是增強在第一個(gè)周期內對并網(wǎng)的電流的控制能力，提高系統重復控制的穩定性和動(dòng)態(tài)性能。

重復PR控制對于系統諧波抑制特性的改善效果基本不受參數的影響，只要把重復控制的補償函數設計得合理，便可以獲得比較好的諧波抑制特性。

4 準D P C控制策略系統的M a t l a b Simulink仿真驗證分析

仿真的結果以及分析如圖2、圖3所示：

由上面的仿真結果可以看出，系統具有較快的動(dòng)態(tài)響應，并網(wǎng)的電流在第一個(gè)周期內就可以得到穩定的控制，當系統穩定之后，并網(wǎng)的各相相電流的正弦波形很良好，而且并網(wǎng)電流的總諧波的畸變率也滿(mǎn)足并網(wǎng)要求，電流的頻譜分布也比較的集中。

A相并網(wǎng)電流和電壓的關(guān)系如圖4所示：

由圖4可以看出，并網(wǎng)電流與相應的電網(wǎng)電壓同頻、同相位，實(shí)現了光伏逆變器單位功率因數并網(wǎng)運行。

5 結語(yǔ)

本文在分析基于直接功率控制策略的原理的基礎上，提出了一種基于LCL型濾波器的光伏并網(wǎng)逆變器的設計方案，該方案中所設計的控制系統外環(huán)功率環(huán)采用模糊控制策略，內環(huán)電流環(huán)釆用重復控制策略，該控制方法可以兼顧電流控制和直接功率控制的優(yōu)點(diǎn)，既保證了并網(wǎng)電流波形的正弦度又提高了系統的動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)仿真測試表明該逆變器對LCL型濾波器的諧振問(wèn)題進(jìn)行有效抑制并且提高對光伏并網(wǎng)電壓電流的控制能力。