基于LCL型濾波器的光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計方案

1 引言

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

為了抑制逆變環(huán)節(jié)中高頻功率開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波，并網(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)，容易產(chǎn)生諧振尖峰，引起振蕩，甚至會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以必須改善對系統(tǒng)的控制策略，對其諧振問題進行有效的抑制，提高光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外學者對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)。本文主要通過在對基于直接功率控制策略(DPC)原理研究分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制策略，提出改進的準DPC控制策略，既保留了LCL型濾波器在高頻波段內(nèi)使諧波能快速削減的能力的優(yōu)點，又能從根本上解決諧振問題。

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(shù)，更低的THD(總諧波畸變率)，以及優(yōu)良的動態(tài)性能和結(jié)構(gòu)簡單等眾多優(yōu)點，從1991年Tokuo Onhishi提出將直接功率控制應(yīng)用于對變流器的控制以來，逆變器的直接功率控制受到了國內(nèi)外的學者的廣泛關(guān)注。

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

為解決前面說的問題，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(diào)節(jié)的動態(tài)性，又固定了開關(guān)頻率，不過這樣無法實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的直接控制。后來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現(xiàn)，控制起來比較復雜。

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(nèi)環(huán)用電流環(huán)進行控制，對并網(wǎng)的電流進行直接的控制，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(tǒng)的控制性能既有了基于電流控制的優(yōu)點，又有了基于直接功率控制的優(yōu)良性能。控制系統(tǒng)包括對直流母線的控制環(huán)節(jié)、有源功率阻尼環(huán)節(jié)、對功率進行控制的環(huán)節(jié)以及電流的控制環(huán)節(jié)等。

其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)瞬時功率的理論計算逆變器并網(wǎng)側(cè)瞬時有功功率和無功功率，光伏并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)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。

將上面的瞬時有功功率p 和q 無功功率，和設(shè)定的功率的參考值 p*和q*進行比較，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行分析調(diào)節(jié)，然后得到并網(wǎng)電流的參考信號，同時和實際檢測的并網(wǎng)電流信號比較，經(jīng)過重復PR電流控制器的調(diào)節(jié)和變換，利用SPWM 調(diào)制技術(shù)，控制逆變器的功率開關(guān)管的開斷。其中系統(tǒng)的有功功率參考值p*,是由直流側(cè)的電壓經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)的控制的輸出和直流母線的電壓相乘得到的，為了實現(xiàn)并網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的運行，所以設(shè)置無功功率參考值q*為0.

3.1 功率的控制器設(shè)計

因為光伏發(fā)電系統(tǒng)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(guī)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對控制器參數(shù)進行整定和優(yōu)化﹑控制。

3.2 電流的控制器設(shè)計

電流的控制器的外環(huán)是用重復PR控制進行，重復控制來控制并網(wǎng)系統(tǒng)的電流，而PR控制的作用是增強在第一個周期內(nèi)對并網(wǎng)的電流的控制能力，提高系統(tǒng)重復控制的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

重復PR控制對于系統(tǒng)諧波抑制特性的改善效果基本不受參數(shù)的影響，只要把重復控制的補償函數(shù)設(shè)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(tǒng)的M a t l a b \Simulink仿真驗證分析

仿真的結(jié)果以及分析如圖2、圖3所示：

由上面的仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應(yīng)，并網(wǎng)的電流在第一個周期內(nèi)就可以得到穩(wěn)定的控制，當系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)的電網(wǎng)電壓同頻、同相位，實現(xiàn)了光伏逆變器單位功率因數(shù)并網(wǎng)運行。

5 結(jié)語

本文在分析基于直接功率控制策略的原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于LCL型濾波器的光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計方案，該方案中所設(shè)計的控制系統(tǒng)外環(huán)功率環(huán)采用模糊控制策略，內(nèi)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，既保證了并網(wǎng)電流波形的正弦度又提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過仿真測試表明該逆變器對LCL型濾波器的諧振問題進行有效抑制并且提高對光伏并網(wǎng)電壓電流的控制能力。