LCL滤波型风电并网变流器的研究*

张 瑛，张 扬

(上海电科电器科技有限公司，上海 200063)

0 引言

现有的并网型风力发电和并网型太阳能发电系统中，均要求通过能量转换，将风能或者太阳能高效转化成满足电网要求的电能，从而可以并入电网。通常，并网型变流器中均采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术，不可避免的是，功率开关器件的高开关频率将产生高次谐波，这将大大降低并入电网的电能质量。另外，对于变流器注入电网的电流，IEEE Std.929—2000和IEEE Std.P1547标准均要求馈入电网的电流波形要接近正弦波，总谐波含量THD＜5%。为减少这些谐波污染，并网变流器采用L型或LCL型滤波方式，两者均能很好地抑制电流谐波，但前者需很大的电感量才能达到一样的滤波效果。研究LCL滤波型变流器的数学模型及控制策略，是本文分析的主要内容。

1 LCL滤波风电并网变流器的拓扑结构及控制系统分析

1.1 拓扑结构及数学模型分析

LCL滤波型风电并网变流器主电路拓扑结构如图1所示，其拓扑结构与传统的三相有源整流器结构基本相同，只是在前端加入了T型滤波结构，再并入电网。图1中，L1代表变流器侧滤波电感，R1为变流器侧寄生电阻;同样，L2及R2分别为网侧滤波电感及寄生电阻参数;udc代表并网变流器直流母线电压;ei(i=a，b，c)为三相电网电压。当并网变流器工作时保持直流母线电压不变，控制绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transister，IGBT)的开关状态，使其在变流器侧产生相应的PWM电压。它与电网电压共同作用于滤波电感上，产生正弦电流，通过控制变流器输出电压的幅值和相位，即可获得所需要的功率因数及并网变流器不同的工作状态。

基于图1所示的主电路拓扑图，假定三相电网电压平衡，主电路开关器件可认为理想开关，并忽略直流母线电压的波动，由KCL、KVL定理可得出LCL滤波型变流器数学模型如式(1)～式(4)所示:du

式中:假设i1k，i2k分别是逆变器侧电流和网侧电流，其正方向都是整流时的电流流向，其中C为直流母线电容，sk(k=a，b，c)为三相桥臂的开关函数。sk=1表示相应桥臂上管导通，下管关断;sk=0表示相应桥臂下管导通，上管关断。iload表示直流母线电压负载电流。i1k，i2k，ick(k=a，b，c)分别代表变流器侧电流、网侧电流及滤波电容电流;ugk，uck，ek(k=a，b，c)分别代表变流器侧三相电压、滤波电容压降及电网电压。

图1 主电路拓扑结构

1.2 控制系统分析

根据以上分析，可设计控制系统结构框图，采用电网电流反馈闭环控制，实现电网侧电流闭环的有功、无功功率解耦控制，从而使整流器运行于单位功率因数。

图2给出了控制系统结构框图。采用电网电流反馈控制结构时，将电网侧三相电流经过坐标变换，从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系，再通过旋转坐标变换，得到有功电流分量和无功电流分量。当需要变流器运行在单位功率因数时，使无功电流给定值i*1q=0，有功电流给定值由电压外环控制器的输出决定。另外，采用SPLL电网电压锁相环获得电网电压定向角，作为Park变换的角度信号。

图2 控制策略仿真框图

2 系统仿真及样机试验波形

根据以上的分析及控制系统框图，可以建立基于MATLAB(R2010a)的仿真模型，如图3所示。在双馈风力发电系统中，网侧变流器需要根据发电机的运行状态而工作在整流或者逆变状态，由于网侧变流器在整流和逆变运行时的控制策略是相同的，仅是能量的流动方向发生了变化，因此这里只仿真变流器工作在整流状态时的情况，这里借助MATLAB/Simlink仿真平台，采用固定开关频率的空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)方法，进行仿真研究，具体仿真参数如表1所示。

图3 Simulink仿真模型

表1 仿真参数

图4 电网侧和变流器侧谐波分析

系统仿真过程中，给定网侧电压为三相平衡电压，载波频率为3 kHz，SVPWM方式，母线电压指令值600 V，使其单位功率因数并且额定功率运行，得到图4所示的仿真波形。图4(a)为仿真模型中BUS0处的并网电流波形，利用MATLAB傅里叶分析工具得到电流谐波频谱，横轴为谐波频率，电流总谐波畸变THD为0.53%，满足并网要求;图4(b)为仿真模型中BUS2中的电流波形，可看出电流总谐波畸变THD为4.34%。波形表明，LCL滤波器对高频谐波部分的衰减效果较好;另外，在BUS0处开关频率附近的谐波成分明显少于BUS2处。

图5 样机测试波形

将上述控制算法在与仿真参数一样的试验平台上进行验证，设定母线电压600 V，开关频率4 kHz，网侧线电压380 V，试验结果如图5所示。其中，图5(a)为采用电感滤波的PWM逆变器系统在发出无功电流时的电压电流及母线电压波形;图5(b)为对应的电流谐波快速傅里叶变换分析，可以看出，在开关频率附近存在着较多成分的谐波;图5(c)为采用T型滤波器时系统中的电网侧电流波形，可以看出高阶滤波器滤除了高次谐波，相同电流等级下电流谐波畸变率有所减小。

3 结语

通过对LCL滤波型风电变流器的拓扑和数学模型进行分析，提出了电网电流反馈的控制策略，并将其控制策略进行仿真验证和样机测试，得出该控制策略对风电并网变流器的无功和有功分量进行有效控制;与L型滤波器相比，能更好地滤除开关频率附近的高频谐波，使系统并网端的谐波含量降低。

［1］张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］张宪平，李亚西，许洪华.新型拓扑滤波器的双馈风电网侧变流器阻尼策略［J］.中国电机工程学报，2009，29(21):1-6.

［3］张强，张崇巍，张兴，等.风力发电用大功率并网逆变器研究［J］.中国电机工程学报，2007，27(16):54-59.