基于有源濾波的并網(wǎng)逆變器仿真研究

孔維功，李麗榮

(邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，河北 邢臺 054035)

基于有源濾波的并網(wǎng)逆變器仿真研究

孔維功，李麗榮

(邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，河北 邢臺 054035)

光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電能要想并入電網(wǎng)使用，就必須要經(jīng)過逆變器的逆變。有源濾波電路的拓撲結(jié)構(gòu)和并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)又十分相似，因此可以根據(jù)有源濾波和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在拓撲結(jié)構(gòu)和控制方式上的相似性，將二者統(tǒng)一起來共同控制，這樣既可以實現(xiàn)光伏并網(wǎng)作用，又可以達到濾除諧波的功能。這樣可以通過比較和分析LCL濾波電路在光伏并網(wǎng)和有源濾波上的不同工作方式，然后拿出一套可以滿足二者共同需求的LCL濾波電路設(shè)計方法，達到逆變之后濾波的目的。闡述了LCL電路相比其他濾波方式的優(yōu)勢，并且對LCL電路的設(shè)計以及參數(shù)的選擇進行了仿真，使其達到優(yōu)化光伏并網(wǎng)逆變的目的。

光伏發(fā)電； 并網(wǎng)； LCL濾波； 逆變器

0 引 言

新能源的研究開發(fā)和利用已經(jīng)是必然趨勢。而太陽能發(fā)電要大規(guī)模的引入電網(wǎng)，就必須要進行光伏并網(wǎng)，而光伏并網(wǎng)過程其實就是一個逆變的過程，并網(wǎng)逆變的拓撲結(jié)構(gòu)及控制方式在一定程度上又與有源濾波相似，因此二者可以集于一體，在光伏發(fā)電迅速發(fā)展的今天，為今后的能源工業(yè)帶來革命性變化[1-3]。

有源濾波的優(yōu)勢首先在于它的動態(tài)補償效果，即它可以補償大小和頻率都變化的無功功率和諧波電流。它的響應(yīng)速度很快，能很敏銳地捕捉到補償對象的變化[1-2]；其次它較為穩(wěn)定，電網(wǎng)阻抗對它的干擾不會造成諧振等問題。但有源濾波的缺點是在實際應(yīng)用時所需的成本較高，無法完成多樣性的功能，而受到一定的制約。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為獨立的負載和大電網(wǎng)提供電能，緩解了用電高峰期的缺電率，起到了對電網(wǎng)進行調(diào)峰的作用，同時也提高了電力系統(tǒng)運行的可靠性[4-7]。大城市的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模較大，對于光伏并網(wǎng)產(chǎn)生的交流電不會對大電網(wǎng)的整個電能質(zhì)量產(chǎn)生太大影響。但在偏遠農(nóng)村地區(qū)，如果直接將光伏并網(wǎng)負載到電網(wǎng)內(nèi)，逆變產(chǎn)生的各次諧波會污染電網(wǎng)的電能質(zhì)量，威脅到供電的可靠性。因此在偏遠地區(qū)構(gòu)建光伏陣列時，需要一定的諧波補償設(shè)備，即有源濾波器(APF)[8-10]。

單獨在構(gòu)建電網(wǎng)時設(shè)置有源濾波設(shè)備會增加很多不必要的成本。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)單獨應(yīng)用會被很多外界因素所制約，效率不高。而且比較二者的電路結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)它們的主電路結(jié)構(gòu)是相同的，都是電壓型逆變主電路，不僅能實現(xiàn)光伏并網(wǎng)，也能完成有源濾波的功能，可以利用它們結(jié)構(gòu)上的相似性，在不改變原裝置的前提下實現(xiàn)光伏并網(wǎng)與諧波抑制雙重功能，同時也節(jié)省了額外成本[11-13]。

因此可設(shè)計出具有有源濾波功能的光伏并網(wǎng)逆變器工作模式：當太陽光照充足時，系統(tǒng)穩(wěn)定工作在并網(wǎng)模式，產(chǎn)生足夠的太陽能用以注入電網(wǎng)；當天氣等因素導(dǎo)致光伏陣列輸出的直流電能有功功率較小時，可適當減少光伏發(fā)電的容量，分出并網(wǎng)系統(tǒng)的一部分容量進行諧波補償?shù)墓ぷ?，同時實現(xiàn)光伏并網(wǎng)與諧波補償；當夜晚或陰天光伏陣列無法正常工作時，則可使設(shè)備全部工作在諧波補償狀態(tài)，提高設(shè)備的利用率。

本文針對LCL濾波電路進行分析，從諧波補償特性，開關(guān)高頻紋波，諧波電流變化率，有功基波注入，電流閉環(huán)控制器帶寬等方面進行研究，提出一套適用于基波和諧波共同作用的濾波方案，針對某個2.5 kVA的系統(tǒng)，完成從直流到交流的逆變，再進行濾波工作，將LCL濾波應(yīng)用在具有有源濾波功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，以取得更好的逆變效果。

1 基于LCL的PWM逆變器原理

基于LCL濾波的PWM逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[14-15]。電網(wǎng)側(cè)有3個電阻Rs和電感Ls，它們和3個并聯(lián)的濾波電容Cf一起實現(xiàn)對高頻諧波的低阻分流達到濾除諧波的目的。而在逆變器側(cè)則是3個電阻Ri和電感Li，它們的主要作用是濾波和穩(wěn)壓。

圖1 基于LCL濾波的PWM逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

可以得到在普通坐標系下的數(shù)學(xué)模型：

(1)

(2)

(3)

式中：us、uc、ur分別是逆變器側(cè)電壓、電容Cf電壓、網(wǎng)側(cè)電壓，ii、ic、is分別是逆變器電流、電容Cf電流、網(wǎng)側(cè)電流。由以上3式，根據(jù)KCL、KVL可以推出LCL濾波的三相PWM逆變器各相方程，以a相為例：

(4)

(5)

變頻器中的眾多功率性的器件可以承受小幅度的電壓變化，接入的電網(wǎng)電壓瞬時，小幅度降低時，不會對功率器件造成太大影響。為了保護變頻器，在母線電壓持續(xù)過低時，達不到開關(guān)電源起振工作要求，變頻器控制電源無輸出，造成控制系統(tǒng)無秩序運轉(zhuǎn)，功率器件無法關(guān)斷，損壞變頻器。

(6)

式中：usa為a相逆變器側(cè)交流電壓，uca為a相濾波電容電壓，ura為電網(wǎng)側(cè)的a相電壓，iai為三相逆變器側(cè)電流，ias為a相網(wǎng)側(cè)電流。

由以上各式可得LCL濾波器的狀態(tài)方程，然后將狀態(tài)方程從abc坐標系變換到αβ坐標系，再按照轉(zhuǎn)換矩陣，可得αβ坐標系下的LCL濾波器狀態(tài)空間方程為，然后進行從αβ坐標系到dq坐標系的變換。

2 LCL設(shè)計

采用LCL濾波器，相比于傳統(tǒng)的L濾波器它所需求的總的電感量更小，從而使得系統(tǒng)擁有更好的動態(tài)特性，也降低了成本；相比于LC濾波器，它能很好地抑制輸出電流的高頻紋波，由此在具有有源濾波的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計里，應(yīng)當選用LCL濾波器。單相的LCL拓撲結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 單相的LCL拓撲結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)框圖

在高于諧振頻率時，L濾波器通常的衰減速度是-20 dB/dec，而LCL濾波器則是通常以-60 dB/dec衰減的，所以在達到相同的濾波效果時，LCL濾波器總的所使用的電感量遠遠小于L濾波器，而較低的電感量會提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，同時降低成本，不占體積。

當光伏陣列將產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器的逆變工作之后，就會進入LCL濾波器的工作范圍。網(wǎng)側(cè)電感Ls和濾波電容Cf的主要作用是對從Li側(cè)流過來的電流中含有的高頻開關(guān)紋波進行阻抗分流，Cf為電流中的高頻成分提供了一個低阻的通路，這樣就減少了流向Ls側(cè)的高頻紋波，從而到達了抑制開關(guān)頻率附近的高次諧波的目的。

2.1濾波電容值Cf的選擇

在基波應(yīng)用時，在濾波效果一定的情況下，Cf越大時，總電感值的取值(Li+Ls)就會越小。但如果考慮Cf的值太大又會引起并網(wǎng)功率因素變得過小。因此為了避免并網(wǎng)功率因數(shù)太小，需設(shè)置一個界限，即要求Cf吸收的無功功率不能高于系統(tǒng)額定有功功率的5%，通過這個設(shè)置可以確定Cf的一個上限值，即：

(7)

式中：f為電網(wǎng)頻率，U1為相電壓有效值，P為電網(wǎng)額定功率。

使高頻分量盡量多的經(jīng)過濾波電容Cf的支路，從而減少流入電網(wǎng)側(cè)的高次諧波?？梢粤铍娙萑菘筙cf小于電網(wǎng)側(cè)電感Ls感抗的20%，即可得此時對濾波電容Cf的一個限制為：

(8)

(9)

式中：P=2.5 kW，f=50 Hz，fs=10.5 kHz，U1=220 V，可得0.57 μF≤Cf≤2.74 μF，故可取Cf=2.5 μF。

3.2總電感(Li+Ls)值的選擇

LCL濾波器的Li和Ls是一起變化，可以將二者看成是一個參數(shù)進行計算。在基波應(yīng)用即光伏并網(wǎng)時，當總電感較大時，優(yōu)勢在于會消除掉系統(tǒng)的電流紋波，但大電感意味著體積重量的增加，也會增加不必要的設(shè)備成本。而LCL濾波器的總電感值Li+Ls在很大程度上直接影響逆變器的跟蹤速度與精度，也會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。當總電感值較小時，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和電流跟蹤會較快，但是此時由于動態(tài)響應(yīng)較快導(dǎo)致電流的波動很大，容易對系統(tǒng)造成沖擊，影響整個設(shè)備的工作。根據(jù)要求LCL濾波器電感附近的紋波電流不能超過額定電流的15%～25%，由此來確定總電感Li+Ls值范圍的一個下限為：

(10)

式中：Ud為逆變前直流側(cè)的電壓，fs為開關(guān)頻率。

當諧波次數(shù)較高時，LCL濾波器中的電容可以忽略不計，因此僅僅需要考慮電感的影響。在設(shè)計LCL濾波器的電感時，諧波電流的變化率也會對總的電感值有不小的影響，同時由于非線性負載所產(chǎn)生的諧波具有高次的特點，在現(xiàn)如今一般的諧波應(yīng)用場合中，一般需要對25次(1 250 Hz)以內(nèi)的諧波進行補償。因此可取：

(11)

式中，PL為負載處的功率。

當基波與諧波共同作用時需要綜合考慮兩種情況下的限制因素，所以確定的總電感既要滿足電流紋波的要求，又要滿足系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。即所需總電感的取值范圍是：

(12)

代入數(shù)據(jù)，其中Ud=488.46 V，fs=10.5 kHz，PL=2.5 kVA，可得7.68 mH≤Lis≤19.47 mH。

開關(guān)頻率附近的逆變器輸出電流諧波應(yīng)該具有-20 dB/dec的衰減速度，同時在開關(guān)頻率附近的諧波衰減比不能超過0.1，即：

(13)

可得電網(wǎng)側(cè)電感Ls的取值范圍，由此可以確定網(wǎng)側(cè)電感Ls和逆變側(cè)電感Li的值。也可以根據(jù)一般經(jīng)驗，Li/Ls的值一般在5左右，可得滿足設(shè)計條件的一組參數(shù)，Li=10 mH，Ls=2 mH。

2.3諧振頻率fres的選擇

當基波作用時，諧振頻率較高會具有較好的電流跟蹤速度和精度，但是諧振頻率太高會使開關(guān)電流紋波超出限制；而諧振頻率太低，在中低頻段中的電流諧波幅值會增大，這樣電流控制方面的難度會增大以達到相同的濾波效果。在具有APF的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中為了能夠使LCL濾波器更高地濾除掉高次諧波，應(yīng)該使諧振頻率較小，一般可取：

10f≤fres≤fs/2

(14)

當諧波作用時，低頻段的諧波會受到LCL濾波器的諧振頻率的影響。因此在設(shè)計LCL濾波器時要對諧波電流進行補償，即要求LCL濾波器的通頻帶有一定寬度，也應(yīng)該使諧振頻率波動在開關(guān)頻率的1/2，一般可?。?/p>

25f≤fres≤fs/2

(15)

當基波與諧波共同作用時，由于具有有源濾波功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)包含有諧波分量，在確定諧振頻率時為了避免并網(wǎng)系統(tǒng)放大了低頻段的諧波，應(yīng)取基波和諧波的諧振頻率大小相等，并使諧振頻率盡可能的等于開關(guān)頻率的1/2。所以可取：

fres=fs/2=5.25 kHz

(16)

3 仿真及驗證

三相LCL仿真電路如圖3所示。其中直流電源VDC1容量為2.5 kVA，可計算出其大小為488.46 V。此外：

為了測量濾波之后的電壓大小，可以在濾波之后增加兩個100 Ω電阻R1和R2，三角波發(fā)生器通過比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，作為IGBT的驅(qū)動電路。6個IGBT每個的相位延遲為60°。對LCL濾波器，其傳遞函數(shù)為：

根據(jù)該傳遞函數(shù)，利用Matlab可以編寫它的程序如下，并得到LCL濾波電路的Bode圖如圖4所示。

圖3 三相LCL仿真電路

圖4 LCL濾波電路Bode圖

濾波前后的電壓VP1和電壓VP2的波形如圖5、6所示。

(a) VP1

(b) VP2

再進行濾波前后的FFT對比，如圖7所示。

由濾波前后的FFT比較，可知各高次諧波在濾波之后得到了較好的消除。得到了補償。由濾波前后的波形對比，可知LCL濾波器的濾波效果良好，達到了預(yù)期目的。

(a) VP1

(b) VP2

(a) 濾波前

(b) 濾波后

4 結(jié) 語

對LCL濾波電路進行分析，提出一套適用于基波和諧波共同作用的光伏并網(wǎng)逆變方法，并且給出了LCL濾波器參數(shù)的建模和計算，同時仿真分析了濾波前和濾波后的輸出電壓波形以及FFT諧波頻譜。研究結(jié)果表明，采用LCL濾波器所需求的總電感量更小，使得系統(tǒng)擁有更好的動態(tài)特性，同時降低了成本，且很好地抑制輸出電流的高頻紋波，具有較高的工程價值。

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Simulation Research on the Grid-connected System Inverters Based on Active Power Filter

KONGWeigong，LILirong

(Department of Electrical Engineering,Xingtai Polytechnic College,Xingtai 054035,Hebei,China)

The energy crisis has swept the whole earth in the 21st century,and all kinds of traditional fuels have been used out,and the serious pollution of environment has restricted the further development of the world.In this way,the clean and no-pollution renewable energy is very precious.And the solar technology shows great potential in many kinds of renewable energies.So if we want to have a widespread application of solar energy and connect to the grid,the grid-connected technology must be safe and reliable.And the DC power produced by photovoltaic power generation should use the inventers when it connects to the grid.We know that the topology structures of active filter and inverter are very similar.Therefore,using the similarities of them to study the unified control of photovoltaic grid system and harmonic compensation of APF can make it have two functions.This paper puts forward a design method of LCL filter circuit which can be used on both photovoltaic and APF based on summarizing the application under each situation.This paper talks the advantage of LCL circuit compared with other filtering ways,and puts forward the design principle,the choice of parameters and the simulation experiments to get a proper grid-connected photovoltaic system inverter.

photovoltaic power generation; grid-connected; LCL filter; inverters

2016-11-10

河北省教育廳青年基金項目(Q2012132)；河北省科技廳科技支撐項目(13211718)

孔維功(1979-)，男，云南宣威人，碩士，副教授，主要研究方向:從事智能檢測技術(shù)、電機控制研究。

Tel.: 13930959227；E-mail：kwgllrlw@163.com

TM 464

：A

：1006-7167(2017)07-0103-05