基于光伏并网逆变器的有源阻尼控制技术分析

崔战涛

（国网宁夏电力公司石嘴山供电公司，宁夏753000）

基于光伏并网逆变器的有源阻尼控制技术分析

崔战涛

（国网宁夏电力公司石嘴山供电公司，宁夏753000）

针对光伏并网逆变器在滤波过程中产生谐波的问题，提出了有源阻尼控制的解决方案，讨论了其抑制效果和对系统的影响，给出了有源阻尼控制的具体算法，并通过仿真实验证实了有源阻尼控制算法对谐振抑制的有效性。

光伏；逆变器；阻尼；谐振

1 引言

随着人们环保意识的不断增强，人们逐渐意识到传统化石能源对环境的严重污染。近年来，以风电、光伏、生物质能、核电等为代表的我国新能源行业蓬勃发展，尤其是2015年我国已将新能源产业确定为国家重点培育发展的战略新兴产业。作为新能源产业之一的光伏发电行业近年来快速发展，为促进分布式光伏产业的健康发展，我国政府也相继推出了一系列的扶持政策：2014年1月，国家能源局发布了《关于下达2014年光伏发电年度新增建设规模的通知》，提出2014年全国光伏备案目标为14吉瓦，其中分布式为8吉瓦，大型电站为6吉瓦。2014年3月，国家发改委出台了《能源行业加强大气污染防治工作方案》，进一步提出了分布式光伏发电中期目标：2015年达到20吉瓦，2017年达到35吉瓦。为支持国内分布式光伏产业的发展，国家发改委、国家能源局、国家电网和国家税务总局等部门相继出台了多项分布式光伏细则，完善分布式相关政策制度。

光伏发电系统主要由以下几部分组成：光伏组件、光伏汇流箱、光伏逆变器、升压变压器等组成，其中光伏逆变器是光伏发电系统的关键核心部件。逆变器的作用一方面是交直流变换，另一方面是最大限度地发挥太阳电池的功能和系统保护功能。为了实现交直流变换功能，光伏逆变器都带有滤波电路，其设计需要综合考虑。

2 光伏并网逆变器LCL滤波器存在的谐振问题

下面以典型的单相LCL滤波器为例进行分析。图1为光伏逆变器中采用的LCL滤波器电路［1］，其中V为逆变器输出电压，E为网侧电压。

图1 LCL滤波器电路

若把电网电压当作系统的干扰量，则可得到滤波器的输入电压到输出电流的转移函数，即转移导纳为：

在某一频率范围内，系统产生谐振时有Z=0，则s3LCLg+s（L+Lg）=0，其中s=jω，则可得到谐振频率为：

将630kW光伏逆变器参数L=140μH，Lg=40 μH，C=720 μF代入（1）式，可画出滤波器的伯德图如图2所示。由伯德图可知系统在1.12kHz产生谐振（事实上在示波器中通过对谐振电流波形的谐振周期进行测量后可确定出谐振频率为660Hz左右，因为主回路中电感和电容的参数存在误差，所以计算得到的谐振频率只是理论值，实际谐振频率以测量值为准），所以影响了系统的稳定性能。事实上，LCL滤波器的谐振特性是由于其较低的系统阻尼所致的，因此需要在光伏逆变器系统控制中加入阻尼控制方案［2］。

图2 LCL滤波器的伯德图

3 LCL滤波器谐振问题的解决方案

采用电容电流反馈的有源阻尼控制方案后，系统仿真结果可以达到预期的效果，但是电容电流需要通过电流传感器采样或者估算得到。由于估算电容电流事实上比较困难，只能通过电流传感器采样得到，对于逆变器来说需要增加硬件进而造成成本大幅增加，且整改周期可能较长，所以采用电容电压反馈比较合理。电容电压可以通过将电网电压采集用霍尔传感器移至滤波电容处获得，或者通过网侧电压估算而获得，不用增加额外的电压传感器就可以达到预期的要求。图3为电容电压反馈式有源阻尼控制方案框图。

图3 电容电压反馈式有源阻尼控制方案框图

4 实验测试方法及结果分析

4.1 实验接线及方法

图4 630kW逆变器带光伏阵列接线图

图5 630kW逆变器环流试验接线图

图4为630kW逆变器带光伏阵列的接线图［3］。图5为630kW逆变器环流试验接线图。逆变器桥臂侧电感L=140 μH，网侧电感Lg=40 μH，电容为三角形接法（3×240 μF），转换为星形接法后每相电容值为720 μF，网侧电压采样点在网侧电感输出端。630kW逆变器调理板电压采样通道二阶低通滤波器截止频率为690Hz。通过以上实验接线，主要测试内容如下表所示，并对谐振抑制的效果进行对比。

表1 630kW光伏逆变器测试内容

4.2 实验结果及分析

（1）谐振频率确定：将L=140 μH，Lg=40 μH，C=720 μF代入（2）式得谐振频率为1063Hz，通过示波器测得的谐振频率为660Hz左右。 实测谐振频率比理论计算的谐振频率小很多，可能原因为网侧电感或者变压器漏感较大所致，在有源阻尼控制算法参数整定时应以实测的660Hz为准。调理板硬件电压采样通道为二阶低通滤波器，其截止频率为690Hz，实际谐振频率660Hz小于截止频率690Hz，则说明低通滤波器对谐振频率的信号没有滤波作用，这是发生谐振的较恶劣的一种工况。

（2）有源阻尼控制算法参数整定

a）对采样电压相位补偿的确定：电压采样经过二阶低通滤波器后相位滞后2.4°，本次中断周期的采样电压值到下一个中断周期才可参与控制，因此采样的电压相位又滞后了一个中断周期对应的相位，中断频率为2kHz，中断周期为500 μs，则一个中断周期滞后的相位为500＊0.018°= 9°。补偿相位应为2.4°+9°=11.4°，但考虑相位裕量，补偿相位应取值为13°，为此可在超前校正环节进行相位补偿，超前校正环节的传递函数为：式中，Kd为电容电压的调制系数，Td、α为超前校正环节参数，且α＜1。

c）参数Td、Ts、Kd的确定：由于谐振频率fres= 660Hz，则ωres=4145rad/s，

由中断频率2kHz可计算出采样周期Ts=0.0005s，由测试结果可知Kd=0.12时抑制效果较佳。

（3）通过以上参数设置，630kW逆变器带光伏阵列谐振频率为660Hz时，不加有源阻尼控制算法与加有源阻尼控制算法的对比测试情况如图6所示。

图6 不加有源阻尼控制算法时启动波形图

图6是不加有源阻尼控制算法时网侧电压和网侧电流的波形图，可见当时发生谐振峰时触发了过压保护，使逆变器发生故障而停机。

图7 加有源阻尼控制算法时启动波形图

图7是加有源阻尼控制算法时网侧电流的波形图，由图中可看出电流谐振峰在较大程度上被衰减，之后逆变器正常运行，没有再出现谐振峰。

通过实验对比发现：加有源阻尼控制算法后电压振荡一个电网电压周期后开始衰减，在两个电网电压周期后电压振荡消除。

图8是30%额定功率加有源阻尼控制算法的谐振抑制波形图，图9是100%额定功率加有源阻尼控制算法的谐振抑制波形图。从这两个图形可以看出，逆变器正常运行，没有发生谐振现象，验证了有源阻尼控制算法在大功率运行控制中的有效性。

图8 30%额定功率加有源阻尼控制算法的谐振抑制波形图

图9 100%额定功率加有源阻尼控制算法的谐振抑制波形图

（4）用MATLAB与CCS软件联合仿真验证在低电压穿越不平衡跌落中［4］，有源阻尼控制算法对谐振的抑制情况，并与未加阻尼控制时的波形进行对比。

图10不加有源阻尼控制时仿真波形图

图11加有源阻尼控制时仿真波形图

我们对低电压穿越中网侧B相电压跌落至20%Un时是否加有源阻尼控制的仿真波形进行对比，仿真对比波形图分别如图10、图11所示。

通过上述仿真验证可知：不加有源阻尼控制算法时系统在谐振频率附近产生了严重的谐振问题，使网侧电压和电流有较大的谐振峰值，可能触发过压保护或过流保护，使逆变器发生故障而停机；加入有源阻尼控制算法之后可以抑制系统在谐振频率附近所产生的谐振峰，使电压和电流波形得到改善，能使系统可靠稳定运行。通过MATLAB与CCS联合仿真实验验证了系统在低电压穿越不平衡跌落时，有源阻尼控制算法能对谐振进行有效抑制。

5 结束语

本文对光伏产业中的关键核心部件光伏逆变器的基本原理进行了分析，对LCL滤波电路产生的谐振问题进行了讨论，提出了解决方案，通过仿真实验验证了有源阻尼控制算法对谐振抑制的有效性，对相关科研技术人员具有较好的借鉴意义。

［1］雷 一，赵争鸣，鲁思兆.LCL滤波的光伏并网逆变器有源阻尼与无源阻尼混合控制［J］.电力自动化设备，2012，（11）.

［2］韩 刚，蔡 旭.LCL并网变流器反馈阻尼控制方法的研究［J］.电力系统保护与控制，2014，42（17）：72-78.

［3］陈启亮，徐 亮，孙 杰.集群技术在光伏电站数据监控系统中的应用［J］.中国科技博览，2012，（27）.

［4］田海涛，王 璐，梁建宾.采用计算机通讯的混合储能系统在光伏电站低电压穿越中的应用［J］.电测与仪表，2015，52（4）：123-128.

Analysis of active damping control technology based on photovoltaic grid inverter

CUI Zhan-tao
（Shizuishan Power Supply Company，State Grid Ningxia Electric Power Company，Shizuishan 753000，China）

The harmonics problems that happen during the photovoltaic grid inverter wave filtering are analyzed.The solution，the inhibition effect and the influence to the system are put forward.The active damping control algorithm and its effectiveness for harmonic suppression are presented.

photovoltaic；inverter；damping；resonance

TM461

A

1005—7277（2016）03—0017—04

崔战涛（1981-），男，工程师，宁夏石嘴山供电公司职工，先后从事继电保护等技术工作和调度及配电网运行维护等技术管理工作。

2016-04-12