基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器控制策略研究

引言

隨著全球?qū)?a href="/tags/可再生能源" target="_blank">可再生能源需求的持續(xù)增長，光伏和風電等新能源發(fā)電技術迅速崛起。并網(wǎng)逆變器作為連接分布式能源與電網(wǎng)的關鍵設備，其性能直接影響到整個新能源系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。為了抑制逆變環(huán)節(jié)中高頻功率開關產(chǎn)生的高頻諧波，提高并網(wǎng)電流的質(zhì)量，LCL型濾波器被廣泛應用于并網(wǎng)逆變器中。然而，LCL濾波器作為三階系統(tǒng)，容易產(chǎn)生諧振尖峰，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，研究基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器控制策略，對于提升新能源發(fā)電系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。

LCL濾波器的基本原理與特性

LCL濾波器全稱為電感電容電感濾波器，是一種廣泛應用于三相并網(wǎng)逆變器中的濾波裝置。其主要由兩個電感和一個電容組成，通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接在逆變器和電網(wǎng)之間。LCL濾波器的主要作用是抑制逆變器輸出電流中的高頻諧波，從而降低對電網(wǎng)的污染，同時改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

然而，LCL濾波器也存在一些固有的問題。首先，LCL濾波器是一個三階系統(tǒng)，具有較復雜的動態(tài)特性，容易產(chǎn)生諧振尖峰。其次，LCL濾波器的參數(shù)設計較為復雜，需要綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、濾波效果和成本等因素。因此，在實際應用中，需要通過有效的控制策略來克服這些問題。

基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器控制策略

1. 傳統(tǒng)控制策略的分析

目前，針對LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器控制策略主要分為三種類型：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)。

基于電流的控制策略：通過直接控制逆變器的輸出電流，使其快速跟蹤電網(wǎng)電流的參考值，從而抑制諧波。然而，這種方法對系統(tǒng)的動態(tài)響應性能要求較高，且難以有效抑制LCL濾波器的諧振問題。

基于虛擬同步電機控制策略：通過模擬同步電機的運行特性，使逆變器在并網(wǎng)過程中表現(xiàn)出類似同步電機的動態(tài)行為，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但這種方法實現(xiàn)復雜，計算量大，且對系統(tǒng)的參數(shù)變化較為敏感。

基于直接功率控制策略(DPC)：通過直接控制逆變器的輸出功率，實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的快速調(diào)節(jié)。DPC策略具有控制簡單、響應速度快等優(yōu)點，但同樣面臨LCL濾波器諧振問題的挑戰(zhàn)。

2. 改進的準DPC控制策略

為了克服傳統(tǒng)控制策略的不足，本文提出了一種基于準直接功率控制(準DPC)的并網(wǎng)逆變器控制策略。該策略結(jié)合了電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構，既保留了DPC策略在快速調(diào)節(jié)功率方面的優(yōu)勢，又通過電流內(nèi)環(huán)的引入，有效抑制了LCL濾波器的諧振問題。

控制策略設計

電流內(nèi)環(huán)：負責快速跟蹤并網(wǎng)電流的參考值，通過精確控制逆變器的輸出電流，實現(xiàn)對諧波的抑制。電流內(nèi)環(huán)的設計需要充分考慮LCL濾波器的動態(tài)特性，確保系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

功率外環(huán)：直接控制逆變器的輸出功率，根據(jù)電網(wǎng)的需求和逆變器的運行狀態(tài)，實時調(diào)整輸出功率的大小和相位，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。功率外環(huán)的設計需要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度，確保在負載變化和電網(wǎng)擾動時，系統(tǒng)能夠快速恢復穩(wěn)定。

控制算法實現(xiàn)

為了實現(xiàn)上述控制策略，需要設計相應的控制算法。在算法實現(xiàn)過程中，需要采用高精度的傳感器和控制器，以實時獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并根據(jù)控制策略的要求進行精確的控制。同時，還需要對控制算法進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的計算效率和穩(wěn)定性。

仿真驗證

為了驗證所提控制策略的有效性，本文利用MATLAB/Simulink工具進行了仿真實驗。仿真結(jié)果表明，采用準DPC控制策略的并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。具體而言，該策略能夠有效抑制LCL濾波器的諧振問題，降低并網(wǎng)電流的諧波含量，提高電能質(zhì)量。同時，該策略還具有較快的響應速度和較強的抗干擾能力，能夠適應復雜的電網(wǎng)環(huán)境。

結(jié)論與展望

基于LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器控制策略是新能源發(fā)電系統(tǒng)中的一個重要研究方向。本文提出了一種基于準DPC的并網(wǎng)逆變器控制策略，通過電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構，有效解決了LCL濾波器諧振問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。仿真實驗結(jié)果表明，該策略具有良好的控制性能和實際應用價值。

然而，本文的研究仍存在一定的局限性。未來可以進一步探索更加高效的LCL濾波器設計方法，以及開發(fā)更加先進的控制算法，以進一步提升并網(wǎng)逆變器的性能和穩(wěn)定性。同時，隨著電力電子技術和控制理論的不斷發(fā)展，雙環(huán)控制策略在并網(wǎng)逆變器中的應用前景將更加廣闊。