LCL型電流控制的光伏并網系統研究

馮成臣 楊旭紅 李浩然

(上海電力學院自動化工程學院，上海 200090)

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LCL型電流控制的光伏并網系統研究

馮成臣 楊旭紅 李浩然

(上海電力學院自動化工程學院，上海 200090)

對于光伏發電系統，并網電流中含有較多的高次諧波和較大的諧波畸變率值。采用LCL型電容電流控制的方法，既可以控制單位功率因素并網提高并網質量，又可以抑制由于LCL濾波器引起的低頻諧振。LCL型電容電流與電感電流結合構成雙閉環控制回路，可以防止單閉環控制回路可能出現不穩定等問題。給出LCL電路的解耦模型，進一步優化并網電能質量。實驗仿真主要比較LC型濾波器和LCL型濾波器，比較仿真結果中的并網輸出波形和諧波畸變率值，驗證了LCL型電流控制的正確性。

光伏并網 LCL諧波 電容電流 高次諧波 諧波畸變

0 引言

在當前日益嚴峻的能源和環境下，可再生能源逐步得到越來越高的關注。大規模并網發電的可再生能源主要是太陽能和風能，與電網電壓同幅值同相位且控制入網的電流諧波畸變率(THD)在要求范圍之內是可再生能源并入大電網的關鍵。同幅值同相位經鎖相環容易實現，但諧波畸變率不太容易控制。THD值較大，是由于其中的高次諧波含量較高[1]，諧波主要來源于系統中的非線性器件，如逆變器、電感和電容等。為了提高并網電能質量，并網系統中濾波器是必不可少的，主要有L型、LC型和LCL型三類。L型和LC型濾波器簡單、方便、易操作，基本能滿足要求，但并網電流中依然含有較多的高次諧波[2]，仍然會對公共電網造成污染。本文采用LCL型濾波器和電容電流控制方法，既可有效抑制LCL濾波器的低頻諧振，又可增加控制環的穩定性。

1 系統模型

1.1 光伏并網系統

光伏電池作為系統的電源輸入，經過逆變器進行并網。本文采用LCL型濾波器以減少并網電流中的高次諧波。LCL型濾波器是三階濾波電路，三階電路會降低并網系統的阻尼，產生無阻尼諧振，最終導致并網系統不能穩定運行[3]。為了抑制LCL濾波器帶來的諧振，在控制環引入有源阻尼法改善LCL濾波器Bode圖中的諧振尖峰，即在控制環引入電容電流，構成有源阻尼法，電容電流既可以增加系統阻尼、抑制系統諧振尖峰、加強系統穩定性[4-5]，還可以構成控制內環，與電感電流外環構成雙閉環控制回路，提高控制器的穩定性[6]。為了對控制中的指令實現無誤差調節，需要在誤差指令之后引入PI控制，但是從PI控制的輸入類型來看，只有當輸入是直流量的時候，輸出才能達到無穩態誤差的效果，所以在本設計中，需要將三相交流靜止坐標系轉換為兩相旋轉坐標系，轉換后，輸出電流是直流量，滿足無穩態誤差調節的要求，并且結合鎖相環技術達到無靜差調節[7]。由于系統中存在非線性元件，控制環中狀態變量之間存在耦合，需要對其進行解耦控制[8]。解耦后得到的脈沖指令經過驅動得到SVPWM脈動波形使逆變器按照指定的控制方式工作。光伏并網系統結構圖如圖1所示。

圖1 光伏并網系統模型

1.2 光伏系統模型的設計

光伏發電系統中，由于光伏電池輸出特性受環境影響，為了充分利用太陽能、提高效率、降低發電成本，必須進行最大功率跟蹤(MPPT)，使光伏發電系統的輸出功率最大，并且具有穩定的輸出電壓。本文光伏發電系統是兩級式電路結構，前級DC/DC直流變換電路實現對光伏最大功率的追蹤，即實現MPPT，并且提升電壓等級，以滿足逆變器的需求；后級DC/AC是并網逆變器，實現并網[9]。

本文采用擾動觀察法進行最大功率的追蹤，通過對PWM的控制實現對MPPT的控制，將反饋回來的參考電壓與鋸齒波進行比較，產生PWM波形，即可對DC/DC電路控制獲得最大功率點對應的輸出電壓，送到后級逆變器進行逆變并網。如圖2所示，基于Matlab/Simulink搭建的光伏模型，環境溫度為25 ℃，光照強度為1 000 W/m2，設置光伏電池的開路電壓在100～200 V之間，這樣在光伏電池工作在最大功率點時，逆變器的輸入電壓Udc約為400V，為整個系統提供穩定可靠的電源輸入[10]。

圖2 光伏電池系統模型

1.3 濾波器的設計

在比較L型濾波器和LC型濾波器之后，選擇LCL型濾波器。但是并網電流中仍然含有較多的高次諧波，諧波畸變率(THD)較高，并且在特定頻率時濾波器中存在諧振。

在負載平衡的情況下，為簡化系統模型，將三相逆變器并網簡化為單相并網電路，得到單相并網模型中的LCL濾波器框圖如圖3所示[11]。

圖3 單相LCL濾波器框圖

如果將電網電壓Us當作擾動輸入量，即可得到并網電流is和并網逆變器輸出電壓u之間的傳遞函數為：

(1)

由式(1)傳遞函數可知，濾波器的極點均位于根軌跡圖的虛軸上，考慮電感電容的寄生電阻，系統的穩定裕度仍非常小，即系統處于臨界穩定狀態。上述傳函的伯德圖如圖4所示，作定性分析，在沒有任何改善方法時，LCL濾波器存在諧振尖峰，會影響系統穩定運行。

圖4 LCL濾波器伯德圖

由于諧振的存在，本文以電容電流作為控制內環，構成有源阻尼法，抑制電路中的諧振；并與電感電流外環構成雙閉環控制回路，提高系統的穩定性。其傳遞函數框圖如圖5所示，kc是電容電流反饋系數，kPWM是逆變器單元的等效增益。

圖5 雙閉環控制回路框圖

同理把us當成擾動量，根據控制框圖，可以得到電容電流內環的傳遞函數為：

(2)

同理，根據仿真模型參數，得到以上有源阻尼下傳遞函數的伯德圖如圖6所示，與圖4相比較，改進后系統中不存在諧振，控制性能有明顯的改善。

圖6 有源阻尼LCL濾波器伯德圖

控制環中加入電容電流反饋后，LCL濾波器的諧振峰得到很好的抑制，相對無源阻尼控制，有源阻尼控制不會帶來輸出功率損耗，且不會對系統穩定性造成影響[12]。這是理論上對濾波電路的修正，有待在仿真平臺上驗證理論的正確性。

1.4 控制環解耦的設計

由于系統中電感、電容和逆變器等非線性元器件的存在，在系統狀態方程中電感和電容之間摻有耦合項，按照L1和Cf的次序進行解耦，實現對有功和無功的獨立控制[13]，剔除耦合對控制回路的影響。解耦框圖如圖7所示。

圖7 控制環解耦圖

2 并網系統仿真

為了驗證以上理論的正確性，在Matlab/Simulink環境下搭建光伏并網發電的系統模型，設定光伏電池的環境溫度為25 ℃，光照強度為1 000 W/m2，最大功率點的追蹤采用擾動觀察法，電網電壓峰值為311 V，三相逆變器的額定容量為30 kW，開關頻率10 kHz，采用上述的控制策略以及空間矢量脈寬調制方式。濾波器采用LCL型，將電容電流和電感電流分別作為控制回路的內環和外環，既可提高并網電能的質量，又可抑制低頻諧振。控制器采用PI控制，將三相交流信號經坐標系轉換到dq軸上后，經過解耦，輸出在跟隨輸入時可實現無靜差調節。在相同條件下，采用LCL濾波器比LC濾波有較小的并網電流諧波畸變率和較少的高次諧波含量，并能較好地提高并網電流的質量。

3 結果分析

根據以上理論和模型，仿真得到如圖8所示的并網波形，圖中顯示的是電網電壓A相波形和并網電流A相波形，且并網電流幅值放大了5倍，以便在同一圖形中比較。可見，單位功率因素并網得以實現，電流波形光滑，能滿足基本的并網要求。

圖8 LCL濾波時的電網電壓與并網電流波形

相比之下，若采用LC濾波器，控制環由逆變器輸出電壓和電感電流組成，控制器仍由相同參數的PI控制器組成，在相同的條件下仿真，得到如圖9所示的結果。顯而易見，當采用LC濾波器時，雖能滿足單位功率因素并網的要求，但是并網波形帶有毛刺，諧波含量較大。由此可見，濾波器采用LCL，控制環由電容電流和電感電流構成，相比普通LC濾波器有較好的并網波形。

圖9 LC濾波的電網電壓和并網電流

為了進一步驗證理論對并網效果的影響，需要知道并網電流的諧波畸變率和高次諧波的含量。分別對LC型和LCL型的并網電流進行傅里葉變換，記錄各自奇數高次諧波的百分比含量，并且顯示在同一柱狀圖中，如圖10所示。

圖10 兩種濾波器下的高次諧波含量

相比之下，LC型并網電流中的高次諧波的含量明顯偏高，此時經FFT變換得到的總諧波失真(THD)為4.82%；而LCL型THD為2.05%，高次諧波含量較少，并網時對電網的污染程度較小。實驗結果與理論相符，本文提出的電容電流和電感電流控制策略對并網性能有一定的改善，減少了并網電流中高次諧波的含量，并且抑制了LCL電路的諧振，提高了系統穩定性。

4 結束語

本文以光伏并網系統為背景，基于LCL濾波器，采用電容電流控制策略，既有效提高了并網電能的質量，減少了高次諧波的含量，降低了THD;又抑制了LCL電路的諧振，在提高并網質量的同時，提高了系統穩定性。結合PI控制、解耦，使光伏發電系統保證并網穩定性的同時，減小穩態誤差。最后通過對LC型和LCL型仿真對比，對并網電流的波形和高次諧波的含量進行定量分析，驗證本文提出方法的正確性和可行性。

[10] 楊玉林,龔躍玲,張玲.光伏并網逆變器的仿真研究[J].電子設計工程,2011,19(20):22-26.

[11] 陳曦.三相光伏并網逆變器的研制及并網控制策略研究[D].濟南：山東大學,2013.

[12] 易映萍,蘆開平,王林.基于LCL濾波器的光伏并網逆變器控制策略[J].電力自動化設備,2011,31(12): 54-58.

[13] 彭秋波,盤宏斌,劉勇,等.LCL型三相并網逆變器雙閉環解耦控制器設計[J].電工技術學報,2014,29(4): 103-110.

Study of the PV Grid-connected Generation System Based on Capacitive Current Control with LCL Filter

In PV grid-connected power generation system,the grid-connected current contains many high order harmonics and larger harmonic distortion values.By using LCL type of capacitive current control method,the unit power factor can be controlled,and the grid-connected quality can be improved; in addition,the low frequency resonance caused by LCL filter can also be suppressed.The dual closed-loop control constituted by LCL capacitive current and inductive current can even prevent the unsteadiness of the single closed-loop control loop.The decoupling model of LCL circuit is given to further optimize the grid-connected energy quality.The LC filter and LCL filter are mainly compared in experimental simulation,the grid-connected output waveform and harmonic distortion value in simulation result are also compared; the correctness of the LCL current control is verified.

PV grid connected LCL filtering Capacitive current High order harmonics Harmonic distortion

上海市科技創新行動技術高新技術領域重點基金資助項目(編號：14511101200)；

上海市自然科學基金資助項目(編號：13ZR1417800)；

上海市重點科技攻關計劃基金資助項目(編號：14110500700)。

馮成臣(1989-)，男，現為上海電力學院電機與電器專業在讀碩士研究生；主要從事光伏并網發電系統控制策略的研究。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601019

上海市電站自動化技術重點實驗室開放課題(編號：13DZ2273800)；

修改稿收到日期：2015-05-05。