基于LCL濾波的光伏并網(wǎng)逆變器的研究*

高秀梅，錢(qián)祥忠

（溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州325027）

基于LCL濾波的光伏并網(wǎng)逆變器的研究*

高秀梅，錢(qián)祥忠*

（溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州325027）

為了減少電力電子器件給光伏并網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)的大量諧波，研究了半周期SVPWM控制的三相雙向雙Buck/Boost變流器可以有效減少開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，在SVPWM控制策略上引入模糊PI控制增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了超調(diào)量，并采用了對(duì)高頻諧波有較強(qiáng)抑制作用的LCL濾波器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單位功率因數(shù)并網(wǎng)。采用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，該閉環(huán)系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和并網(wǎng)電流質(zhì)量，減小了輸出超調(diào)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)魯棒性。

電力電子；逆變器；仿真；空間矢量脈寬調(diào)制；三相雙Buck/Boost；LCL濾波器；光伏并網(wǎng)；模糊PI

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用的是工作在高頻狀態(tài)下的電力電子裝置AC/DC變流器，傳統(tǒng)的三相橋式變流器［1-3］由于每相上下橋臂功率管直接相連，存在直通問(wèn)題，影響工作的可靠性。為避免直通，必須給互補(bǔ)的橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)加入死區(qū)，這就會(huì)引入額外的低頻諧波，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定存在危害，增加了濾波器的體積與成本。

為了降低并網(wǎng)諧波，實(shí)現(xiàn)逆變器的單位功率因數(shù)轉(zhuǎn)換，最常用的是LCL濾波器，但是LCL濾波器的引入會(huì)減低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)的控制要求［4-6］。若根據(jù)研究在電容支路鍵入電阻，就會(huì)增加系統(tǒng)的損耗，并減弱了高頻諧波的抑制能力。

基于上述問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)型的半周期SVPWM控制策略。該控制策略應(yīng)用了三相雙Buck逆變器，解決了功率管的直通問(wèn)題，其上下橋臂功率管沒(méi)有直接相連，無(wú)需設(shè)置死區(qū)，每相采取獨(dú)立滯環(huán)控制，三相間無(wú)耦合關(guān)系，不易相互影響。當(dāng)能量反向流動(dòng)時(shí)三相雙Buck拓?fù)渥兞髌鳎?-8］工作在整流狀態(tài)，此時(shí)可看作三相雙Boost拓?fù)洌虼?，能夠?qū)崿F(xiàn)三相雙Buck/Boost變流器能量的雙向流動(dòng)。本文提出改進(jìn)的半周期SVPWM控制策略，避免SVPWM控制策略完全應(yīng)用于雙Buck/Boost拓?fù)渌鶎?dǎo)致不必要的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。并在SVPWM中加入模糊PID控制［9-10］，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和靈活性，減小輸出超調(diào)量，減小反應(yīng)時(shí)間。由于電力電子器件的引入會(huì)給系統(tǒng)增加大量的諧波，增加系統(tǒng)的功率損耗。本文引入了LCL濾波器［11-12］，降低系統(tǒng)諧波含量，減少功率損耗，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

1　三相雙Buck/Boost變流器

圖1為三相雙Buck/Boost變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示Cin為直流側(cè)電容；S1、S3、S5、S2、S4、S6分別為三相上下橋臂功率管，其對(duì)應(yīng)的外接續(xù)流二極管分別為D2、D4、D6、D1、D3、D5；交流側(cè)為L(zhǎng)CL濾波器，個(gè)電感的電感值相等，工作對(duì)稱(chēng)。由于上下橋臂的功率管與LCL的電感相連，因此不存在直通問(wèn)題，不需要在驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入死區(qū)，從而減小了交流側(cè)低次諧波。

圖1　三相雙Buck/Boost拓?fù)?/p>

2　雙向運(yùn)行控制策略

圖2是一個(gè)雙向AC/DC變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，UDC為直流側(cè)電壓，dup和ddown為SVPWM調(diào)制出的三相上橋臂和下橋臂功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。假定三相交流電壓對(duì)稱(chēng)，則定義開(kāi)關(guān)函數(shù)為：

圖2　雙向功率變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)功率的流動(dòng)，雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器可以分為兩種模式：整流模式和逆變模式。為了方便通常用Park變換，將三相靜止坐標(biāo)系中的交流量轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下。

2.1整流模式

交流電源經(jīng)變流器整流后，直接流入直流電源儲(chǔ)存起來(lái)，通過(guò)橫向流濾波器電容器Cf注入直流總線(xiàn)。以交流側(cè)電感電流ikr和直流側(cè)電壓UDC為狀態(tài)變量，可得方程：

2.2逆變模式

直流電能經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）后轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，再通過(guò)LCL濾波器濾除高次諧波后，接入交流母線(xiàn)。以交流側(cè)電容電壓ek和電感電流ik為狀態(tài)變量，可得方程為：

3　光伏系統(tǒng)

光伏發(fā)電就是通過(guò)利用能量轉(zhuǎn)換器件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。現(xiàn)如今光伏發(fā)電系統(tǒng)常常用于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來(lái)緩解用電高峰期電力系統(tǒng)的壓力。因此并網(wǎng)逆變器就在光伏并網(wǎng)環(huán)節(jié)起到了非常重要的作用，如今使用最廣泛的并網(wǎng)逆變器是三相全橋式逆變器。又由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓會(huì)隨著環(huán)境中溫度和日照的不同而產(chǎn)生波動(dòng)，造成輸出電壓的不穩(wěn)定。并且在實(shí)際運(yùn)用中我們都希望在同樣的溫度和日照的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)電池陣列能夠輸出盡可能多的電能，因此對(duì)太陽(yáng)能電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（Maximum Power Point Tracking）［13-14］的研究和使用就十分必要。其中MPPT使用的是電導(dǎo)增量法MPPT，即使用在最大功率點(diǎn)時(shí)P-V特性曲線(xiàn)我們可以知道，在太陽(yáng)能電池所達(dá)到的功率最大點(diǎn)時(shí)，改P-V曲線(xiàn)的斜率為0的特性。

電導(dǎo)增量法MPPT控制方法交其他MPPT控制方法而言，在外界光照改變的情況下，仍然能夠保證輸出端電壓的穩(wěn)定性。

圖3為太陽(yáng)能電池的發(fā)電系統(tǒng)示意圖。

圖3　太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)

4　LCL濾波器

與單電感濾波相比，LCL濾波的性能更好，它既能夠?qū)崿F(xiàn)低頻段增益，又可以實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的衰減。圖4是等效的單相LCL濾波器的原理圖。其中L1，L2分別是逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電感，R1，R2分別是電感器的內(nèi)阻，Cl是濾波器電容，Rl是阻尼電阻，以避免出現(xiàn)零阻抗諧振。LCL濾波器是運(yùn)用電感和電容對(duì)頻率不同的分量所呈現(xiàn)的阻抗的差異性設(shè)計(jì)的，其中電感對(duì)高頻信號(hào)的阻抗大，而電容則對(duì)頻率高的信號(hào)的阻抗小，而L1與Cl的組合就能有效地較少流入L2的高頻分量。從而可得該濾波器的數(shù)學(xué)模型如下：

圖4　LCL濾波器原理圖

圖5是帶有LCL濾波器的并網(wǎng)三相PWM變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖5可知，左邊虛線(xiàn)框出部分是LC濾波器，右邊陰影部分是傳統(tǒng)的三相PWM整流器。其中電容器電壓為ea，eb，ec，變換器電流為Iconv，電容電流為Icap，變換器功率為Pconv，直流母線(xiàn)電壓為Vdc。由此可通過(guò)Park變換得到的數(shù)學(xué)模型如下：

其中式（9）～式（14）是帶有單級(jí)電感傳統(tǒng)三相PWM變流器在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。式（15）～式（18）帶有單級(jí)電感的LC濾波器的數(shù)學(xué)模型。三相PWM變流器的控制標(biāo)準(zhǔn)就是實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，以及通過(guò)調(diào)節(jié)d-q坐標(biāo)系下的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率以及無(wú)功功率控制。

圖5　帶LCL的并網(wǎng)三相PWM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5　模糊PI

模糊控制器實(shí)時(shí)修正KP、Ti、Td，使PI參數(shù)隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖6為模糊PID原理圖。

圖6　模糊PID原理框圖

以并網(wǎng)電流在d-q坐標(biāo)系下的偏差以及偏差變化率為模糊控制器的輸入變量，PID控制器的參數(shù)由模糊控制器及時(shí)修正。修正公式如下：

對(duì)誤差e、及誤差變化率ec及其控制參數(shù)的模糊集和論域的定義如下：e和ec的模糊集是｛N Z P｝，基本論域是［0.2，0.8］、［0.04，0.1］；ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集是｛N Z P｝，基本論域分別是［-0.2，0.2］，［-0.1，0.1］，1/1 000*［-3，3］；模糊規(guī)則為用m程序?qū)懙?。其中，ΔKp0=22，ΔKi0=200，ΔKd0=0.01。根據(jù)模糊規(guī)則而進(jìn)行的模糊決策（m程序運(yùn)行后）如圖7所示。

圖7　模糊規(guī)則運(yùn)行結(jié)果

6　仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所研究的變流器結(jié)構(gòu)以及控制策略的優(yōu)越性，本文利用Matlab/Simulink搭建了傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)和新型光伏系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)，并就這二者之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。其中傳統(tǒng)和新型主電路的參數(shù)設(shè)置相同，設(shè)置如下：交流側(cè)電壓Us=220 V，L1=3 MH，L2=0.04 MH，Rd=2 Ω，Cl= 5 μF，進(jìn)行仿真，圖9為傳統(tǒng)光伏逆變系統(tǒng)的仿真圖，圖10為新型光伏逆變系統(tǒng)的仿真圖，與圖9相比，圖10中的變流器采用三相雙Buck/Boost變流器，能夠有效地解決上下橋臂功率管的直通問(wèn)題，減小了功率損耗和開(kāi)關(guān)損耗，其仿真圖為圖11；變流器是由帶有模糊控制的改進(jìn)型半周期SVPWM信號(hào)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，降低超調(diào)量，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，其仿真圖如圖12；在變流器后面加入LCL濾波器，濾除高次諧波，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，提高并網(wǎng)電流的質(zhì)量。系統(tǒng)仿真結(jié)果圖如下。

圖8　傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真圖

圖9　SVPWM仿真圖

圖10　新型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真圖

圖11　整流橋仿真圖

圖12　模糊SVPWM仿真圖

圖13為傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)與新型光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)電流比較，由圖13可以看出新型光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)電流的超調(diào)量明顯減少，并且能夠得到穩(wěn)定電流。

圖13　傳統(tǒng)與新型并網(wǎng)電流

圖14為傳統(tǒng)光伏逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)電流電壓波形，圖15為新型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)電流電壓波形，由圖14和圖15可以看出，新型光伏系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，明顯降低了系統(tǒng)的損耗。圖16為傳統(tǒng)光伏逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)電流的FFT分析，圖17為新型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)電流的FFT分析，由圖16和圖17可以看出，新型光伏系統(tǒng)能夠有效減少并網(wǎng)電流的諧波成分。

圖14　傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)電流電壓波形

圖15　新型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)電流電壓波形

圖16　傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)電流的FFT分析

圖17　新型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)電流的FFT分析

7　結(jié)論

本文主要研究了三相雙Buck/Boost變流器，光伏發(fā)電，模糊PID等的工作原理，并在此基礎(chǔ)上研究了一種帶有模糊PI的改進(jìn)型半周期SVPWM三相Buck/Boost變流器，實(shí)現(xiàn)了能量實(shí)時(shí)的雙向傳輸。并給出了仿真和仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該研究的可行性。并且由仿真結(jié)果可以看出這種新型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的交流側(cè)電流相較于傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，能夠輸出穩(wěn)定的交流電流，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，降低了輸出電流的超調(diào)量以及諧波成分，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，減少了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗和功率損耗。

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高秀梅（1989-），女，漢族，安徽省滁州市人，溫州大學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b備信息化，990292549@qq.com；

錢(qián)祥忠（1963-），男，漢族，安徽省六安市人，溫州大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)與逆變技術(shù)、電器狀態(tài)在線(xiàn)檢測(cè)與控制技術(shù)、光機(jī)電一體化技術(shù)等，xzhqian@263.net。

Study of New PVGC Inverter Based on LCL Filter*

GAO Xiumei，QIAN Xiangzhong*
（College of Physics and Electronic Information Engineer，Wenzhou University，Wenzhou Zhejiang 325027，China）

In order to reduce amount of harmonics produced by the power electronic devices to photovoltaic grid sys?tem.In this paper a half-cycle SVPWM control with bidirectional dual Buck/Boost Converter is proposed.This study of the switching losses and conduction losses can be effectively reduced.In order to reduce the overshoot and in?crease the stability of the SVPWM control strategy，the fuzzy PI control system is introduced.LCL filter is used to suppress the high frequency harmonic and achieve unity power factor.Matlab/Simulink simulation is used to verify the closed-loop system can effectively achieve unity power factor and network，improve the quality and stability of the grid current system，reducing the overshoot output，and enhance the system robustness.

power electronics；inverter；simulation；SVPWM；bidirectional dual Buck/Boost；LCL filter；PV gridconnected；fuzzy PI

TM464

A

1005-9490（2016）02-0412-08

EEACC：1290B；127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.034

項(xiàng)目來(lái)源：浙江省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012R10006-12）

2015-05-07修改日期：2015-06-04