分布式發電系統中LCL濾波的并網變換器控制策略研究

摘 要 作為可再生能源，分布式發電系統，尤其是光伏發電與風力發電越來越收到人們的重視。如今風機或太陽能電池接入電網通常采用電力電子變流器作為接口，通過對并網變換器的有效控制，就可以實現微電網與接入電網的完美銜接。研究了分布式發電系統中LCL濾波的并網變換器幾種控制策略，分析了微電網并網PWM整流器的數學模型和系統結構，為微電網控制系統的實踐意義與應用推廣提供了參考。

關鍵詞 分布式發電;控制策略;微電網;并網變換器

引言

隨著經濟社會的發展，煤礦、石油、天然氣、原子能等能源存儲量越來越少，空氣污染和溫室效應越來越嚴重，開發更多的可再生能源受到人們的重視。在可再生能源中，目前發展最快的是風能和太陽能，風力發電機裝置和太陽能板能夠避免長距離的高壓傳輸電能，且可再生能源不會產生CO2、SO2等有害氣體，考慮到電能傳輸和環境影響等經濟效益，越來越多的科學家和經濟學家認為，風能和太陽能作為可再生能源，在未來幾年會比傳統能源更有經濟優勢[1]。

風能、太陽能等可再生能源轉化成的電能是極其不穩定的，產生的電能質量也不符合直接并網的規定要求，如果直接接入電網，會引起電網品質的下降，如果接入電網的電能能量很大時，甚至會對電網的頻率電壓造成沖擊，嚴重時造成整個電網的癱瘓。如今，風力發電或太陽能發電廠產生的電能在并網前，系統中引入電力變換裝置。在變流器中，三相整流器具有功率因數可調節、輸入電流諧波小、直流電壓波動小、能量雙向流動靈活的優點[2]，國內外學者開展了大量的理論研究和實踐應用，并先后發表了很多有很高應用價值的文章分享他們的研究成果。

由于PWM整流器可以完成“綠色電能轉換”，整流器的網側表現為受控電流源特性，因此PWM整流器及其控制策略受到了更深的探究和發展。在電力系統中可用于靜止同步補償器（STATCOM）、統一潮流控制（UPFC）、超導儲能（SMES）、高壓直流輸電（HVDC）、有源電力濾波（APF）以及太陽能、風能等可再生能源的并網發電等。傳統的三相電壓源型整流器交流側每相接入單電感濾波器進行實現濾波。電網側濾波電感的值越大，電流諧波可以相應減小，提高濾波效果，而同時濾波電感值的增加會對整套系統的動態性能產生影響。J.Svensson和M.Lindgren首先提出了用LCL濾波裝置代替傳統的單電感濾波裝置，三階LCL濾波器可以使用較小的電感電容實現濾波，既能夠保持系統的穩定性，又能夠實現較好的濾波效果[1]。

1分布式發電系統LCL濾波的并網變換器控制策略概述

風能、太陽能等可再生能源產生的電能不能直接接入電網，需要整流器來提高電能質量。PWM整流器經單電感濾波裝置接入電網，但是單L濾波器在電感值較小時濾波效果欠佳，增大電感值濾波效果會變好，但是會影響系統的快速性和穩定性。

基于LCL濾波的PWM整流器在整個并網系統中，能夠有效抑制諧波，但是由于系統中增加了電容回路，整流器的數學模型從而由一階變成三階，并且LCL濾波器會產生諧振，控制方法更加復雜。Frede Blaabjerg和Marco Liserre提出了LCL濾波器的設計方法，在電容設計合理的情況下，L濾波器的波德圖和LCL濾波器的波德圖是重合的，證明了在低頻信號輸入下，電容的作用可以忽略。基于這種理論，Marco Liserre和Frede Blaabjerg設計了將基于LCL濾波的PWM整流器等效成基于L濾波器的PWM整流器的控制策略。目前，應用于基于LCL濾波的PWM整流器的控制策略大多數是矢量控制，只是在原有的矢量控制基礎上增加了阻尼作用來消除高次諧波，或者研究基于矢量控制的無阻尼控制策略[2]。

2LCL濾波并網整流器直接功率控制

由于直接功率控制具有原理簡單、動態響應速度快等特點，近年來已被越來越多的應用于并網電能變換器的控制中。但是傳統的直接功率控制策略采用的是有源阻尼方法，并沒有涉及電流內環。L.A.Serpa，J.W.Kolar，S.Ponnaluri和P.M.Barbosa提出了基于虛擬磁鏈的LCL濾波的PWM整流器直接功率控制策略。

經過直流側電壓和交流側電流的檢測值來估算整套并網系統的虛擬磁鏈，從而算出系統的有功無功功率值，并與給定值相減，結果發給開關器件，從而產生控制脈沖。傳統的有源阻尼方法基于給定的電壓或電流的參考值，然而由于直接功率控制沒有電流內環，該修正方法將其變換為功率參考給定值，將有功和無功功率分別減去相應的阻尼分量值后，有效避免了諧振問題[3]。

直接功率控制的優點，就是在靜止坐標系下，對功率和阻尼量進行控制計算，不需開展煩瑣的解耦控制和坐標變換，對系統的無功功率完成直接的控制，無論算法還是控制系統的結構都比較簡單;能夠有效避免PWM算法，對開關的狀態使用查表技術實現脈沖控制，動態響應速度快;在使用虛擬磁鏈定向的控制策略，避免了傳動電壓傳感器的使用。網側虛擬磁鏈估算中，學者將PWM整流器交流側電流根據電網側的電流和電容電流進行估算，節省了交流側電流傳感器的使用。

3LCL濾波并網整流器無差拍控制

在PWM整流器矢量控制數字化研究中，Jan Svensson和Michael Lindgren提出了基于LCL濾波的并網變換器的無差拍控制策略。在接下來的研究中，Felipe Espinosa等人提出了改進型無差拍矢量控制策略。改進型無差拍控制系統的電壓和電流值只需要一組電壓傳感器和一組電流傳感器，整套控制系統的擾動用無源阻尼來完成衰減，控制策略中的其他的量通過狀態觀測器獲得。改進型無差拍控制策略整流器側的電壓給定計算中，增加了電容電壓的反饋，使得整個控制系統的控制效果更佳。

LCL濾波器的矢量模型歐拉變換離散化為：

在無差拍控制系統中，只有選擇合適的，，參數，合理修正無差拍控制的增益，才能保證系統的穩定性和動態響應。無差拍控制系統的電流內環采用無差拍算法跟蹤系統電流給定值，電壓外環采用常規PI調節器實現控制。其優點是只需要一組電壓傳感器和一組電流傳感器，整套控制系統的擾動用無源阻尼來完成衰減，控制策略中的其他的量通過狀態觀測器獲得。后續學者研究中，狀態觀測器中加入了史密斯預測器，在觀測器中采用了輸出電流用來補償計算延遲，從而優化了無差拍算法。

與傳統的SVPWM整流器相比，無差拍控制系統中的開關器件的輸出脈沖寬度，根據整個系統的實時電路狀態進行跟蹤，具有優越的動態性能。將常規的PI控制方法與無差拍算法結合起來，使得整個系統既具備PI控制系統魯棒性強的優點，又具備誤差控制系統快速動態響應優點，使得整套系統具備良好的靜態性能和動態性能[4]。

4LCL濾波并網整流器三閉環控制

在電網系統運行中，三相電壓的幅值相位不可能完全對稱，因此在電網中存在低頻電流諧波，許多學者對電網不平衡下的控制策略進行了研究。基于L濾波器的相似的原理，Jan Svensson和Fainan.A.Magueed提出了改進的正負序電流獨立控制策略。Donald Grahame Holmes和Erika Twining提出了LCL濾波并網整流器三閉環控制策略，這是首次針對不平衡電網電壓提出的換流器控制策略，也是一種較為新穎的換流器不平衡控制策略。新加坡的P. Ch. Loh在三閉環控制的基礎上，又提出了多環控制的概念。在三閉環控制策略中，電流控制采用雙內環的控制結構，內環一是采用網側電流控制作為內環，內環二是采用的是電容電流控制作為內環，電壓外環可以直接控制直流側的電壓，電壓外環的電壓調節器的輸出值當作網側電流有功分量的給定。三相電容電流的反饋值是把變流器交流側電流和網側電流進行合成，同時電網側電流調節器的輸出在d-q坐標系中經坐標變換后作為三相電容電流的給定。最后，電容電流反饋值和給定值的偏差經過三個比例調節器當作SVPWM的開關器件的電壓控制脈沖信號。，，提供坐標變換需要的旋轉角度。因此，整套三閉環控制系統，是在矢量控制的基礎上，引入了一個電容電流內環，從而有利于提高整個系統的穩定性能[5]。為了研究消除不平衡電網電壓引起的諧波電流，提出了諧振阻抗的概念，見式。

從三閉環控制系統中，可以看到諧波阻抗的值是隨著整套系統的頻率的減小而增大的，隨著PI調節器的比例值的增大，諧振阻抗會隨著增大。可通過增加使Z（s）增大，實現整個系統電網電壓產生的低頻諧波電流的減少[5]。三閉環控制該方法具備矢量控制系統較強的魯棒性，但是，由于三閉環控制系統需要在直流側增加電壓傳感器，并且需要兩組電流傳感器分別測量電容電流和網測電流值，因此傳感器比較多是其缺點。

5結束語

基于LCL濾波的PWM整流器并網控制方法分析可知，無差拍控制有利于PWM整流器矢量控制數字化實現，但是無差拍控制傳感器需求量較多，系統控制較為復雜，因此實現無傳感器的研究作為了很多學者下一步的研究重點。三閉環控制該方法具備矢量控制系統較強的魯棒性，但是，由于三閉環控制系統需要在直流側增加電壓傳感器，并且需要兩組電流傳感器分別測量電容電流和網測電流值，因此傳感器比較多是其缺點。直接功率控制，不需開展煩瑣的解耦控制和坐標變換，對系統的無功功率完成直接的控制，無論算法還是控制系統的結構都比較簡單，但其開關頻率不固定和死區效應帶來的影響給濾波器參數選擇造成了一定的麻煩[6]。

分布式發電系統，作為一種可再生綠色能源，越來越收到人們的重視，如何實現綠色電網的有效并網，也受到很多學者的關注。作為微網穩定運行和優化控制的重要環節，本文通過對分布式發電系統并網變換器的分析，研究了基于LCL濾波的PWM整流器并網控制方法，闡述了分布式發電系統并網變換器幾種控制策略，分析了微電網并網PWM整流器的數學模型和系統結構，并對控制策略的優缺點進行了比較探討，為微電網并網技術提供了堅實的理論基礎。

參考文獻

[1] 丁明，田龍剛，潘浩，等.交直流混合微電網運行控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2015，43（9）：1-8.

[2] 唐磊，曾成碧，苗虹，等.交直流混合微電網中AC/DC雙向功率變流器的新控制策略[J].電力系統保護與控制，2013，41（14）：13-18.

[3] 陸曉楠，孫凱，GUERRERO J，等.適用于交直流混合微電網的直流分層控制系統[J].電工技術學報，2013，28（4）：35-42.

[4] 蔣平，熊華川.混合儲能系統平抑風力發電輸出功率波動控制方法設計[J].電力系統自動化，2013，37（1）：122-127.

[5] 桑丙玉，王德順，楊波，等.平滑新能源輸出波動的儲能優化配置方法[J].中國電機工程學報，2014，34（22）：3700-3706.

[6] 李小葉，李永麗，張瑋亞.基于多功能并網逆變器的電能質量控制策略[J].電網技術，2015，39（2）：556-562.

作者簡介

高吉榮，女，山東濟寧人;講師;畢業院校：中國礦業大學，專業：電力電子與電力傳動，學歷：碩士研究生，職稱：講師，現就職單位：山東理工職業學院，研究方向：分布式發電與智能微電網。