电网谐波背景下风电并网逆变器的PRI控制方法

唐凡森，林辉品，王鹿军，吕征宇

（浙江大学电力电子国家专业实验室，杭州310027）

电网谐波背景下风电并网逆变器的PRI控制方法

唐凡森，林辉品，王鹿军，吕征宇

（浙江大学电力电子国家专业实验室，杭州310027）

针对分布式发电接入的配电网常常因负荷影响而含有大量的低次谐波问题，分析了分布式发电中电网电压对逆变器并网电流的影响，提出了一种兼具谐波补偿和直流扰动抑制功能的比例谐振积分（PRI）控制器。与传统比例谐振（PR）控制器相比，积分环节的引入有效地提高了控制器的低频增益，特别对直流分量的扰动具有明显的抑制效果。最后在1台50 kW的三相三电平并网逆变器上进行了样机实验。实验结果表明，PRI控制器不但可以在稳态时大幅减小并网电流的谐波含量，而且在动态过程中可以迅速地抑制并网电流的直流扰动。PRI控制器非常适合作为分布式发电并网逆变器的控制方法。

谐波；分布式发电；并网逆变器；比例谐振积分控制器

引言

近年来，随着能源短缺和环境危机等问题的日益严峻，以风能、太阳能为代表的新能源发电得到了广泛关注。当前，在我国除了少部分地区的风能和太阳能可以集中利用外，大部分地区的新能源发电都是以分布式发电的形式存在的［1］。分布式发电不以远距离输电为目的，其灵活分散的特点缓解了电力负荷与新能源富集地区距离较远的矛盾，在一定程度上节省了升级长距离输电网所需的巨大投资［2］。但是由于临近各种各样的用电负荷，分布式发电接入的低压配电网常常含有大量低次谐波，严重影响了分布式发电并网逆变器的并网电流质量［3-4］。同时并网逆变器往往工作在较偏远地区，其工作环境中电网脆弱，电网电压畸变的现象较为严重，电网畸变会导致并网系统中电流谐波的增大[5]。

由于LCL滤波器所需总电感量比L和LC滤波器小得多，不仅能降低成本，减小滤波器的体积和质量，还能提高动态响应能力，对谐波的抑制效果佳，因此大功率并网逆变器通常采用LCL滤波器滤除高次谐波[6]。

提高并网电流的控制带宽是抑制电网谐波的有效方法，然而由于大功率并网逆变器通常采用LCL滤波器滤除高次谐波，LCL的谐振特性限制了并网电流的控制带宽［7］。为了减小LCL滤波器谐振尖峰对带宽的限制，文献［8］提出用分裂电容的方法将LCL滤波器在控制上简化为L滤波器，此方法虽然在一定程度上可以提高电流控制环的带宽，但是需要提前得知准确的LCL参数，而实际系统中LCL滤波电容两侧的电感值不但受配电网等效电感的影响，甚至在不同功率等级下也不一样；文献［9-10］提出用电容电流反馈的方法来抑制LCL的谐振，此方法多了一个电容电流控制环路，控制参数的整定变得复杂，一般还需要额外的传感器来准确检测电容电流，增加了系统的成本；文献［11］提出用重复控制的方法来改善并网电流波形，此方法虽然可以在稳态时减小并网电流的谐波含量，但其动态响应较差，而风电、太阳能等分布式电源随机性较大，需要并网逆变器有较好的动态响应；文献［12］提出增加前馈通道的方法来抑制电网谐波对并网逆变器的影响；文献［13］指出，只有电网电压前馈具有实用性，而且直接对电网电压做一个比例变换补偿到控制环路，并不能完全抑制电网谐波对并网电流的影响。近年来，一种在静止坐标系下的比例谐振控制器 PR（proportional resonont controller）得到了广泛关注［14-15］。在静止坐标系下，αβ坐标轴分量是不耦合的正弦信号，而PR控制器正好可以对正弦电流参考信号进行无静差跟踪，PR控制器还可以非常方便地进行谐波补偿。但是PR控制器本质上是一个带通滤波器，只在基波和需要抑制的谐波附近具有较高增益，对低频扰动的抑制能力很低。若并网电流含有直流分量时，PR控制器并不能很快调整过来，而直流分量会引起电力系统中的变压器或互感器趋近饱和、变电站接地网腐蚀等问题［16］。

本文在传统PR控制器的基础上进行了低频补偿，提出了比例谐振积分控制器PRI（proportional resonant integral controller），引入积分环节有效地提高了控制器的低频增益，特别是针对在初加负载的暂态过程中产生的直流分量扰动具有明显的快速抑制能力。首先以三电平并网逆变器为例简要描述了分布式发电并网逆变器的系统结构，并用控制框图定量推导了电网电压对并网电流的影响，然后详细介绍了PRI控制器的控制特性，最后通过实验验证了PRI控制器不仅能有效抑制电网谐波的扰动，而且还可以抑制并网电流的直流扰动。

图1 三电平并网逆变器系统结构Fig.1 Structure of three-level grid-connected inverter

1 系统结构及控制方法

1.1 系统结构

典型分布式发电并网逆变器的系统结构如图1所示，主电路输入是直流电压源，输出通过LCL连接电网。控制系统主要采集的电量信号为电网电压、直流母线电压和逆变器侧输出电流。采集电网电压是为了锁相和孤岛检测等应用；采集直流母线电压一方面是因为输出电流的参考信号一般根据母线电压计算得到，另一方面是为了过压和欠压保护；采集逆变器侧输出电流而非网侧电流作为主要控制量，主要是因为单环控制时前者的系统稳定性更好［17］，而且采样能更迅速地进行过流保护。控制系统的输出为 12路脉宽调制信号PWM（pulse width modulation）分别控制12个IGBT。由于三电平逆变器在高压大功率的应用场合比两电平逆变器有明显的优势［18］，所以搭建了1台三相三电平并网逆变器作为实验样机。在控制系统中，三电平逆变器的空间矢量脉宽调制SVPWM （space vector pulse width modulation）算法比两电平逆变器的算法更加复杂，并需要进行直流母线电容均压控制，但两者对并流电流的控制方法是一致的。本文提出的PRI控制器同样适用于两电平逆变器。

1.2 电网电压的影响

在静止坐标系下，图1所示系统中输出电流ia的控制框图如图2所示。图2中iref、iL1、iL2、Vs分别表示在αβ坐标轴下的参考电流、滤波电感L1的电流、滤波电感L2的电流和电网电压，Gc（s）为控制器的传递函数，K为开关平均后逆变器的等效传递函数。iref为给定电流，是一个正弦信号，其相位通过锁相得到。本文的锁相采用同步坐标系下的PQ锁相方法，并通过一个低通滤波器来滤除电网谐波的影响［19］。

由图2可以看到，图2（a）中输出电压电流在点②处存在耦合，需要将其进行化简。将图2（a）中相加点②前移至相加点①并与相加点①合并，然后化简回路1得图2（b）所示框图。将图2（b）中相加点③前移至相加点①并与相加点①合并，然后化简回路2得图2（c）所示框图。图2中传递函数G1（s）和G2（s）分别为

式中：Lf1为LCL滤波器逆变侧电感；Lf2为LCL滤波器电网侧电感；Rf和Cf分别为LCL滤波器内阻和电容。

图2 输出电流控制框图Fig.2 Block diagram of output current

分析图2（c）中电网电压对输出电流的影响。可得通道N（s）和环路增益D（s）分别为

分析式（1）～式（4）可知，由于在低频处的控制增益与LCL中电感和电容的取值相比非常大，电网电压对并网电流的扰动非常大，若要抑制电网电压扰动则控制系统需要有非常高的增益。

1.3 PRI控制器

理想的PR控制器在谐振频率附近具有无穷大增益，但带宽非常窄，本质上是一个带宽很窄的带通滤波器。由于电网频率是在一定范围内波动的，所以在实际应用中，常使用准谐振变换器。

本文提出的PRI控制器的传递函数为

式中：KP为比例常数；KR为谐振常数；KI为积分常数；ωC为截止频率。

文献［20］详细介绍了其取值方法，在此不再赘述。传统PR控制器的波特图如图3所示，加入低频补偿后的PRI控制器的波特图如图4所示。可以看到，加入低频补偿后的波特图不仅在谐波频率处保持了高增益以抑制电网电压扰动，还在低频处补偿了原控制器低频增益不足的问题。

图3 PR控制器波特图Fig.3 Bode plots of PR controller

图4 PRI控制器波特图Fig.4 Bode plots of PRI controller

2 实验验证

为了验证PRI控制方法的有效性，在1台50 kW三电平并网逆变器上分别进行了谐波抑制和直流扰动抑制实验。

逆变器输入BUS电压Udc为680 V，输出线电压为380 V，输出功率为50 kVA，效率预设为95%，功率因数接近于1，开关频率为10 kHz。IGBT选择三菱公司的CM150DY－34A，耐压1 700 V，电流150 A。二极管选择SKKD75F12，耐压1 200 V，电流75 A。驱动模块选取Powerex生产的m57962k，自带短路保护功能。实验平台如图5所示。

图5 实验平台Fig.5 Experiment platform

2.1 谐波抑制实验

图6为含有谐波的、去掉了基波分量的三相电网电压波形及其傅里叶分析。由图6的电网电压波形可以看出，电网电压已出现明显畸变；根据其傅里叶分析可以看到，电网中5、7次谐波非常多，经计算其THD含量约为5.24%。

图6 畸变的电网电压波形及其FFT分析Fig.6 Waveform of distortion grid voltage and FFT analysis

谐波补偿前后的并网电压、电流波形分别如图7、图8所示。从图7可以非常直观地发现，在电网电压基本不变的情况下，未进行谐波补偿时的并网电流谐波含量较大，经计算，其THD为12.39%，未达到并网标准；而进行谐波补偿后，并网电流的电流曲线非常平滑，谐波含量大大减小。

进一步对谐波补偿后的并网电流进行傅里叶分析，图形如图9所示。由图计算得到其THD值为1.89%，相较于谐波补偿前的并网电流，该指标已大为降低，并达到并网标准。通过对比可以证明，PRI控制器可以在稳态时大幅减小并网电流中的谐波含量，有效提升了输出电流质量。

图7 未进行谐波补偿时的并网电压电流波形Fig.7 Waveforms of grid current and voltage without harmonics compensation

图8 电流谐波补偿后的并网电压电流波形Fig.8 Waveforms of grid current and voltage after harmonics compensation

图9 电流谐波补偿后的并网电流FFT分析Fig.9 FFT analysis of distortion grid current after harmonics compensation

2.2 直流扰动抑制实验

尽管在理想情况下，逆变器不存在直流分量注入的问题，但由于开关管特性不完全一致、上下开关管的离散性和驱动信号的不一致，以及电流、电压检测和转换环节的零点漂移等多种原因，导致实际过程中不可避免地存在一定的直流分量［21］。

应该说明的是，PR控制器同样具有抑制直流扰动的能力，只是抑制能力较弱，所以在稳态工作时，很难比较出PRI控制器的优越性。但在过渡过程中，直流扰动将有较大的变化幅度，可比较2种控制器抑制直流扰动的能力。

图10 直流扰动抑制实验波形Fig.10 Waveforms of DC bias suppressing experiment

本文比较了输出电流的幅值从0 A阶跃到15 A时，2种控制器的输出电流波形，如图10所示。由图可以看到，在10 ms时刻，电流参考指令开始突变，在PR控制器下直流扰动大约要到60 ms时才可以消除，而PRI控制器只需到40 ms就可以消除直流扰动，调整时间减少了40%。PR控制器下电流幅值的超调量约为4.5 A，PRI控制器下电流幅值的超调量约为2.5 A，PRI控制器下电流幅值超调量减少了44%。通过对比不难得出，在电流因动态过程的影响而具有较大直流扰动时，PRI控制器比PR控制器更有优越性。

3 结语

针对电网背景谐波情况下，并网电流谐波含量较高的问题，本文推导了电网电压对并网电流的影响关系式，并提出了一种兼具谐波补偿和直流扰动抑制能力的PRI控制器。实验结果表明PRI控制器不但可以在稳态时大幅减小并网电流的谐波含量，而且在动态过程中可以迅速的抑制直流扰动。由于分布式发电所接入的配电网离负载较近，常常由于非线性负载的影响而含有大量谐波，所以PRI控制器非常适合作为分布式发电并网逆变器的控制方法。应该说明的是，电网谐波对并网逆变器的影响还体现在电流基准的给定上面，如何在电网电压具有谐波情况下既快又准的锁相是一个难题，且在电网出现故障时非常重要。本文实验中所用的锁相方法并未考虑应对电网可能出现故障时的情况，后续研究中将加以完成。

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PRI Control Methodology for Wind Power Grid-connected Inverters in Harmonic Distorted Grid Utility

TANG Fansen，LIN Huipin，WANG Lujun，LYU Zhengyu
（State Key Laboratory of Power Electronics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

For the problem of low order harmonics caused by nonlinear loads，the impacts of grid voltage on grid current in distributed generation grid-connected inverters are analyzed，and a control strategy that can compensate harmonics and suppress DC bias is proposed.In comparison with traditional PR controller，the proposed PRI controller with an additional integral part obtains a higher gain in low frequency，and the controller has an apparent effort especially for suppressing DC bias.Finally，the PRI controller is verified in a 50 kW three-level inverter.The experimental results show that the PRI controller not only can reduce harmonics of grid current in the steady state but also can suppress DC bias rapidly in a dynamic process.The PRI controller is suitable for DGs since they typically contain low order harmonics which caused by nonlinear loads.

harmonic；distributed generation；grid－connected inverter；proportional resonant integral controller

唐凡森

唐凡森（1991－），通信作者，男，硕士研究生，研究方向：电力电子数字控制，电力电子高速通讯技术，E-mail：tangfansen@zju.edu.cn。

林辉品（1987-），男，博士研究生，研究方向：DC-DC谐振变换器，E-mail：linhuipin@126.com。

王鹿军（1985-），男，博士研究生，研究方向：分布式发电并网技术，E-mail：wanglujun@zju.edu.cn。

吕征宇（1957-），男，教授，博士生导师，研究方向：电力电子功率变换与系统控制变拓扑柔性变流器理论等，E-mail：fly5905@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.4.8

：TM 464

：A

2015-04－20

国家自然科学基金资助项目（51177148）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51177148）