LCL型电流控制的光伏并网系统研究

冯成臣 杨旭红 李浩然

(上海电力学院自动化工程学院，上海 200090)



LCL型电流控制的光伏并网系统研究

冯成臣 杨旭红 李浩然

(上海电力学院自动化工程学院，上海 200090)

对于光伏发电系统，并网电流中含有较多的高次谐波和较大的谐波畸变率值。采用LCL型电容电流控制的方法，既可以控制单位功率因素并网提高并网质量，又可以抑制由于LCL滤波器引起的低频谐振。LCL型电容电流与电感电流结合构成双闭环控制回路，可以防止单闭环控制回路可能出现不稳定等问题。给出LCL电路的解耦模型，进一步优化并网电能质量。实验仿真主要比较LC型滤波器和LCL型滤波器，比较仿真结果中的并网输出波形和谐波畸变率值，验证了LCL型电流控制的正确性。

光伏并网 LCL谐波 电容电流 高次谐波 谐波畸变

0 引言

在当前日益严峻的能源和环境下，可再生能源逐步得到越来越高的关注。大规模并网发电的可再生能源主要是太阳能和风能，与电网电压同幅值同相位且控制入网的电流谐波畸变率(THD)在要求范围之内是可再生能源并入大电网的关键。同幅值同相位经锁相环容易实现，但谐波畸变率不太容易控制。THD值较大，是由于其中的高次谐波含量较高[1]，谐波主要来源于系统中的非线性器件，如逆变器、电感和电容等。为了提高并网电能质量，并网系统中滤波器是必不可少的，主要有L型、LC型和LCL型三类。L型和LC型滤波器简单、方便、易操作，基本能满足要求，但并网电流中依然含有较多的高次谐波[2]，仍然会对公共电网造成污染。本文采用LCL型滤波器和电容电流控制方法，既可有效抑制LCL滤波器的低频谐振，又可增加控制环的稳定性。

1 系统模型

1.1 光伏并网系统

光伏电池作为系统的电源输入，经过逆变器进行并网。本文采用LCL型滤波器以减少并网电流中的高次谐波。LCL型滤波器是三阶滤波电路，三阶电路会降低并网系统的阻尼，产生无阻尼谐振，最终导致并网系统不能稳定运行[3]。为了抑制LCL滤波器带来的谐振，在控制环引入有源阻尼法改善LCL滤波器Bode图中的谐振尖峰，即在控制环引入电容电流，构成有源阻尼法，电容电流既可以增加系统阻尼、抑制系统谐振尖峰、加强系统稳定性[4-5]，还可以构成控制内环，与电感电流外环构成双闭环控制回路，提高控制器的稳定性[6]。为了对控制中的指令实现无误差调节，需要在误差指令之后引入PI控制，但是从PI控制的输入类型来看，只有当输入是直流量的时候，输出才能达到无稳态误差的效果，所以在本设计中，需要将三相交流静止坐标系转换为两相旋转坐标系，转换后，输出电流是直流量，满足无稳态误差调节的要求，并且结合锁相环技术达到无静差调节[7]。由于系统中存在非线性元件，控制环中状态变量之间存在耦合，需要对其进行解耦控制[8]。解耦后得到的脉冲指令经过驱动得到SVPWM脉动波形使逆变器按照指定的控制方式工作。光伏并网系统结构图如图1所示。

图1 光伏并网系统模型

1.2 光伏系统模型的设计

光伏发电系统中，由于光伏电池输出特性受环境影响，为了充分利用太阳能、提高效率、降低发电成本，必须进行最大功率跟踪(MPPT)，使光伏发电系统的输出功率最大，并且具有稳定的输出电压。本文光伏发电系统是两级式电路结构，前级DC/DC直流变换电路实现对光伏最大功率的追踪，即实现MPPT，并且提升电压等级，以满足逆变器的需求；后级DC/AC是并网逆变器，实现并网[9]。

本文采用扰动观察法进行最大功率的追踪，通过对PWM的控制实现对MPPT的控制，将反馈回来的参考电压与锯齿波进行比较，产生PWM波形，即可对DC/DC电路控制获得最大功率点对应的输出电压，送到后级逆变器进行逆变并网。如图2所示，基于Matlab/Simulink搭建的光伏模型，环境温度为25 ℃，光照强度为1 000 W/m2，设置光伏电池的开路电压在100～200 V之间，这样在光伏电池工作在最大功率点时，逆变器的输入电压Udc约为400V，为整个系统提供稳定可靠的电源输入[10]。

图2 光伏电池系统模型

1.3 滤波器的设计

在比较L型滤波器和LC型滤波器之后，选择LCL型滤波器。但是并网电流中仍然含有较多的高次谐波，谐波畸变率(THD)较高，并且在特定频率时滤波器中存在谐振。

在负载平衡的情况下，为简化系统模型，将三相逆变器并网简化为单相并网电路，得到单相并网模型中的LCL滤波器框图如图3所示[11]。

图3 单相LCL滤波器框图

如果将电网电压Us当作扰动输入量，即可得到并网电流is和并网逆变器输出电压u之间的传递函数为：

(1)

由式(1)传递函数可知，滤波器的极点均位于根轨迹图的虚轴上，考虑电感电容的寄生电阻，系统的稳定裕度仍非常小，即系统处于临界稳定状态。上述传函的伯德图如图4所示，作定性分析，在没有任何改善方法时，LCL滤波器存在谐振尖峰，会影响系统稳定运行。

图4 LCL滤波器伯德图

由于谐振的存在，本文以电容电流作为控制内环，构成有源阻尼法，抑制电路中的谐振；并与电感电流外环构成双闭环控制回路，提高系统的稳定性。其传递函数框图如图5所示，kc是电容电流反馈系数，kPWM是逆变器单元的等效增益。

图5 双闭环控制回路框图

同理把us当成扰动量，根据控制框图，可以得到电容电流内环的传递函数为：

(2)

同理，根据仿真模型参数，得到以上有源阻尼下传递函数的伯德图如图6所示，与图4相比较，改进后系统中不存在谐振，控制性能有明显的改善。

图6 有源阻尼LCL滤波器伯德图

控制环中加入电容电流反馈后，LCL滤波器的谐振峰得到很好的抑制，相对无源阻尼控制，有源阻尼控制不会带来输出功率损耗，且不会对系统稳定性造成影响[12]。这是理论上对滤波电路的修正，有待在仿真平台上验证理论的正确性。

1.4 控制环解耦的设计

由于系统中电感、电容和逆变器等非线性元器件的存在，在系统状态方程中电感和电容之间掺有耦合项，按照L1和Cf的次序进行解耦，实现对有功和无功的独立控制[13]，剔除耦合对控制回路的影响。解耦框图如图7所示。

图7 控制环解耦图

2 并网系统仿真

为了验证以上理论的正确性，在Matlab/Simulink环境下搭建光伏并网发电的系统模型，设定光伏电池的环境温度为25 ℃，光照强度为1 000 W/m2，最大功率点的追踪采用扰动观察法，电网电压峰值为311 V，三相逆变器的额定容量为30 kW，开关频率10 kHz，采用上述的控制策略以及空间矢量脉宽调制方式。滤波器采用LCL型，将电容电流和电感电流分别作为控制回路的内环和外环，既可提高并网电能的质量，又可抑制低频谐振。控制器采用PI控制，将三相交流信号经坐标系转换到dq轴上后，经过解耦，输出在跟随输入时可实现无静差调节。在相同条件下，采用LCL滤波器比LC滤波有较小的并网电流谐波畸变率和较少的高次谐波含量，并能较好地提高并网电流的质量。

3 结果分析

根据以上理论和模型，仿真得到如图8所示的并网波形，图中显示的是电网电压A相波形和并网电流A相波形，且并网电流幅值放大了5倍，以便在同一图形中比较。可见，单位功率因素并网得以实现，电流波形光滑，能满足基本的并网要求。

图8 LCL滤波时的电网电压与并网电流波形

相比之下，若采用LC滤波器，控制环由逆变器输出电压和电感电流组成，控制器仍由相同参数的PI控制器组成，在相同的条件下仿真，得到如图9所示的结果。显而易见，当采用LC滤波器时，虽能满足单位功率因素并网的要求，但是并网波形带有毛刺，谐波含量较大。由此可见，滤波器采用LCL，控制环由电容电流和电感电流构成，相比普通LC滤波器有较好的并网波形。

图9 LC滤波的电网电压和并网电流

为了进一步验证理论对并网效果的影响，需要知道并网电流的谐波畸变率和高次谐波的含量。分别对LC型和LCL型的并网电流进行傅里叶变换，记录各自奇数高次谐波的百分比含量，并且显示在同一柱状图中，如图10所示。

图10 两种滤波器下的高次谐波含量

相比之下，LC型并网电流中的高次谐波的含量明显偏高，此时经FFT变换得到的总谐波失真(THD)为4.82%；而LCL型THD为2.05%，高次谐波含量较少，并网时对电网的污染程度较小。实验结果与理论相符，本文提出的电容电流和电感电流控制策略对并网性能有一定的改善，减少了并网电流中高次谐波的含量，并且抑制了LCL电路的谐振，提高了系统稳定性。

4 结束语

本文以光伏并网系统为背景，基于LCL滤波器，采用电容电流控制策略，既有效提高了并网电能的质量，减少了高次谐波的含量，降低了THD;又抑制了LCL电路的谐振，在提高并网质量的同时，提高了系统稳定性。结合PI控制、解耦，使光伏发电系统保证并网稳定性的同时，减小稳态误差。最后通过对LC型和LCL型仿真对比，对并网电流的波形和高次谐波的含量进行定量分析，验证本文提出方法的正确性和可行性。

[10] 杨玉林,龚跃玲,张玲.光伏并网逆变器的仿真研究[J].电子设计工程,2011,19(20):22-26.

[11] 陈曦.三相光伏并网逆变器的研制及并网控制策略研究[D].济南：山东大学,2013.

[12] 易映萍,芦开平,王林.基于LCL滤波器的光伏并网逆变器控制策略[J].电力自动化设备,2011,31(12): 54-58.

[13] 彭秋波,盘宏斌,刘勇,等.LCL型三相并网逆变器双闭环解耦控制器设计[J].电工技术学报,2014,29(4): 103-110.

Study of the PV Grid-connected Generation System Based on Capacitive Current Control with LCL Filter

In PV grid-connected power generation system,the grid-connected current contains many high order harmonics and larger harmonic distortion values.By using LCL type of capacitive current control method,the unit power factor can be controlled,and the grid-connected quality can be improved; in addition,the low frequency resonance caused by LCL filter can also be suppressed.The dual closed-loop control constituted by LCL capacitive current and inductive current can even prevent the unsteadiness of the single closed-loop control loop.The decoupling model of LCL circuit is given to further optimize the grid-connected energy quality.The LC filter and LCL filter are mainly compared in experimental simulation,the grid-connected output waveform and harmonic distortion value in simulation result are also compared; the correctness of the LCL current control is verified.

PV grid connected LCL filtering Capacitive current High order harmonics Harmonic distortion

上海市科技创新行动技术高新技术领域重点基金资助项目(编号：14511101200)；

上海市自然科学基金资助项目(编号：13ZR1417800)；

上海市重点科技攻关计划基金资助项目(编号：14110500700)。

冯成臣(1989-)，男，现为上海电力学院电机与电器专业在读硕士研究生；主要从事光伏并网发电系统控制策略的研究。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601019

上海市电站自动化技术重点实验室开放课题(编号：13DZ2273800)；

修改稿收到日期：2015-05-05。