基于有源諧波電導法的光伏逆變器集群諧振抑制策略

谷昕鵬，吳 強，李圣清，李小寶，何元銘，沈志超

（1.湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412000；3.湖南省光伏智能電網控制工程研究中心，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

近年來，隨著可再生能源發電技術的顯著發展，光伏發電總量的比例越來越高，我國分布式光伏系統有著開發規模大、集群并網的特點。在并網運行模式下，光伏集群發電系統是由多個逆變器通過公共連接點（point of common coupling，PCC）接入電網[1-3]，以此提高其發電效率。但是，光伏集群系統大多采用LCL 濾波器和網側阻抗串聯形成高階電網系統，且系統存在固有諧振尖峰，稱其為自身諧振；當逆變器集群接入電網后，多逆變器并聯還會導致系統發生并聯諧振[4]。目前在光伏發電項目中，已有多起因多逆變器并聯引起的諧振而導致大規模光伏并網系統癱瘓的案例。因此，對光伏逆變器集群的并聯諧振抑制的研究有著深遠的意義[5]。

目前，關于光伏逆變器集群并網諧振的抑制手段，已有較多國內外學者對其進行了大量的研究。在逆變器諧振抑制策略方面，LCL 逆變器諧振抑制方法有兩種：無源阻尼[6-7]和有源阻尼[8-10]；相對于無源阻尼，有源阻尼不僅控制相對靈活、簡便，而且對系統損耗有較明顯的降低。文獻[11]運用了有源濾波器并聯的控制方式，對諧波補償的同時再對系統諧振進行抑制；文獻[12]提出以有源電導法抑制逆變器的低次諧波電流，并對系統諧振進行抑制；但文獻[11-12]只對單逆變器光伏系統進行驗證，沒有研究多逆變器下并網產生的諧振。文獻[13]提出了在PCC 點處加入RC 阻尼器，對光伏多逆變器系統諧振尖峰進行抑制，但這種方法增加了經濟運行成本，造成系統產生更大的損耗。綜上所述，針對逆變器系統諧振問題，一般基于單臺逆變器對其進行分析研究，而對于逆變器集群并網諧振問題，目前國內外學者對其抑制有效性的研究探索較少。

因此，為了進一步對光伏逆變器集群的諧振進行研究，本研究從多逆變器并網出發，通過分析系統的傳遞函數得知光伏逆變器集群系統的諧振原因和諧振特性，在雙電流閉環控制下，提出一種有源濾波電導控制方法抑制系統的諧振，最后通過仿真實驗驗證諧振抑制的有效性。

2 光伏逆變器集群系統模型

光伏逆變器集群系統的拓撲結構如圖1所示，采用LCL 型濾波器的光伏集群逆變器系統結構，通過并聯公共并網點匯入大電網系統中[1-3]。

圖1 光伏逆變器集群系統的拓撲結構Fig.1 Topological structure of photovoltaic inverter cluster system

圖1所示光伏逆變器集群并網系統由光伏電源、逆變器、LCL 濾波器、電網這4 部分組成。PV1,PV2,…,PVn為光伏電池陣列；Cd1,Cd2,…,Cdn為直流支撐電容；L1_i、L2_i分別為逆變器交流側電感和并網側電感，i=1,2,…,n；Ci為濾波電容；Lg為并網側電感；Ug、Ig為網側電壓和電流；Ui為輸出電壓；IL1_1、Ip1分別為流過電感L1_1和電感L2_1的電流；Upcc為系統中公共并網點總線電壓；Ip2為第2 臺逆變器并聯后對第1 臺逆變器并網電流的影響。

3 光伏逆變器集群諧振機理及特性分析

3.1 LCL 濾波器諧振頻率分析

為簡化逆變器結構，以單臺光伏并網逆變器的LCL 型濾波器為例進行研究分析，其等效電路圖如圖2所示，該圖為LCL 型濾波器和電網等效阻抗Lg所組成的等效回路。

圖2 單臺光伏逆變器系統的等效電路圖Fig.2 Single photovoltaic inverter system equivalent circuit

由圖2可以得知，LCL 型濾波器下光伏逆變器并網在復頻域下的數學模型為

式中：

根據式（1）（2）可得：

由函數表達式（3）可知，在給定LCL 濾波器參數的條件下，系統并網電流Ig是由逆變器側電壓U1和并網側電壓Ug來確定，因此單個逆變器并網系統輸入為網側電壓、逆變器側電壓；輸出為網側電流系統。把網側電壓視作干擾量，可得出輸入電壓U1(s)到輸出電流Ig(s)的轉移導納Y為

轉移阻抗表達式為

當Z=0時，在特定頻率下逆變器系統會發生諧振，得出諧振頻率為

3.2 光伏逆變器集群并網諧振特性分析

對圖1所示逆變器集群拓撲結構進行特性分析，隨著并聯臺數增多時，流過電網阻抗Lg的電流成倍增加。如果將其等效在單臺逆變器下，折算到每臺逆變器等效電路中相當于線路阻抗成倍增加。由此可知，并聯逆變器臺數的變化會直接影響電網等效阻抗，并對系統的諧振頻率波動產生影響。LCL 型光伏逆變器的等效控制框圖如圖3所示。

圖3 LCL 型逆變器的等效控制框圖Fig.3 Equivalent block diagram of LCL inverter

分析圖3可以得知，并網電流到逆變器輸出電壓的傳遞函數可表示為

式中，Gk（s）的具體函數表達式如下：

將式（2）代入式（7），可得并聯n臺逆變器的諧振頻率為

式（9）中：fLCL為逆變器自身產生的諧振頻率；

fn為并網逆變器集群產生的并聯諧振頻率。

多臺逆變器并網頻率特性曲線如圖4所示。

圖4 逆變器集群并網諧振頻率的特性曲線Fig.4 Inverter cluster grid-connected resonant frequency characteristic curves

由圖4可以看出，當有電網阻抗作用時，系統會出現兩種類型的諧振：一種為LCL 逆變器內部諧振fLCL，由圖4b 可以看出fLCL諧振頻率不會隨著并聯逆變器的臺數和電網阻抗的增加而發生改變；另一種諧振fn是由光伏逆變器集群系統并聯所引起的，它與并聯逆變器臺數、電網阻抗密切相關，由圖4a 可以看出，逆變器并聯臺數增多時，逆變器集群諧振頻率向低頻范圍偏移，其幅值也會隨著減小。

通過式（9），可以得到光伏逆變器集群并聯臺數與并網諧振頻率的關系，如圖5所示。

圖5 逆變器集群并聯臺數與并網諧振頻率的關系曲線Fig.5 Relationship curves between the inverter cluster parallel number and grid-connected resonant frequency

從圖5可以看出，逆變器集群自身諧振頻率固定不變，不會隨著并聯臺數的增加而變化，而并聯諧振的頻率會隨著并聯臺數的增加而減小。

4 光伏逆變器集群諧振抑制策略

4.1 基于單臺逆變器雙閉環控制諧振抑制

本研究首先對單個光伏逆變器進行諧振分析，采用電網電流外環、電容電流內環的雙電流閉環控制策略[14]，其控制框圖如圖6所示。

圖6 雙電流閉環控制框圖Fig.6 Block diagram with dual-loop control

圖6中，Go2(s)為雙電流閉環控制系統的開環傳遞函數，KPWM為逆變橋傳遞增益系數，I*1為系統輸入量，Ip為網側的輸出電流。KC為電容電流反饋系數，GPI(s)為PI 控制器，GPI(s)=KP+KI/s，KP為比例系數，KI為積分系數，可得系統開環傳遞函數為

由式（10）可得系統的開環傳遞函數的波特圖如圖7所示。

圖7 雙電流閉環控制的頻率特征曲線Fig.7 Double current closed loop control frequency characteristic curves

由圖7a 可知，加入雙閉環控制結構后，系統輸出電流的諧振尖峰明顯下降，可見雙電流閉環控制策略對單個逆變器諧振尖峰的抑制效果明顯。

4.2 基于逆變器集群有源諧波電導法諧振抑制

引起逆變器集群并網產生諧振的因素很多，包括逆變器自身的LCL 濾波器、系統運行參數和并網側等效阻抗參數等。對電網側等效阻抗參數進行改變，通常采用增加RC 阻尼器和其他無源阻尼器，此方法雖然對并網逆變器集群諧振有抑制效果，但是會增加系統建造成本，損耗也會增大[15-17]。

本研究提出一種基于雙電流閉環控制的有源諧波電導法，在雙閉環控制基礎上，且不改變逆變器拓撲結構也不增添傳感器的情況下，給諧波電流增加一條電導回路。加入電導回路后的系統結構模型如圖8所示。

圖8 諧波電導法模型拓撲結構Fig.8 Topological structure of the harmonic conductance model

圖8中，YL為并聯的有源諧波電導,當IL1_1通過LCL 濾波器,高次諧波電流可通過C1濾波，YL能抑制低次諧波電流流入L2_1和電網中去，流入電網中的電流諧波含量大幅度減少，因此，有源濾波電導能有效避免諧振尖峰的出現。

雙電流閉環控制的有源諧波電導法控制框圖如圖9所示。

圖9 電導法控制框圖Fig.9 Control block diagram of the conductance method

由圖9的控制框圖可以推導出系統傳遞函數為

式（11）中：

式中：YV(s)=1/YVS。

將式（2）代入式（12）可得：

式（13）中：

由式（13）可得出有源諧波電導法控制傳遞函數波特圖，如圖10所示。

圖10 電導法抑制電路頻率特性曲線Fig.10 Frequency characteristic curves of suppression circuit by the conductance method

由圖10a 可知，在雙電流閉環控制結構的基礎上，未加入有源諧波電導，逆變器諧振尖峰明顯；加入有源諧波電導，逆變器自身諧振和并聯諧振都得到了有效的抑制。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink 中搭建光伏集群逆變器并網系統的仿真模型，模擬并聯光伏逆變器接入電網系統，驗證加入雙電流閉環控制諧波電導法并網諧振抑制效果。系統仿真參數如表1所示。

表1 光伏逆變器集群并網系統仿真參數Table 1 PV inverter cluster grid-connected system simulation parameters

在光伏逆變器集群的三相電網系統中，諧波電流會被分解到dq軸坐標系下，與參考電流、進行計算分析得知，會對控制系統造成影響。因此，系統需要加入濾波器濾掉諧波電流中的交流分量，輸出直流信號，使得IV的dq軸直流分量能準確流入控制系統，控制系統選取了截止頻率很低的高階濾波器。

本研究以兩臺光伏逆變器并網為研究分析對象，并網系統的控制原理如圖11所示。同時，以第二臺逆變器為例分析其性能，在雙電流閉環控制下，對加入有源諧波電導前后三相并網系統電流進行分析，波形變化圖和FFT 分析如圖12和圖13所示。

圖11 光伏集群逆變器并網系統控制原理圖Fig.11 Control schematic diagram of photovoltaic cluster inverter grid-connected system

圖12 加入有源濾波電導前后的三相并網電流Fig.12 Three-phase grid-connected current with the active filter conductance

圖13 加入有源濾波電導前后的總諧波分析Fig.13 Total harmonic analysis with and without the addition of the active filter conductance

由圖12可知，未加前能觀察到網側電流明顯發生畸變現象，而且系統諧振現象比較嚴重；加入有源諧波電導后網側電流波形明顯改善。由圖13可知，經過FFT 分析，改進前總諧波含量THD為9.37%，諧波含量比較高，改進后總諧波含量THD降至2.19%。因此，由仿真結果表明，加入有源諧波電導后，對逆變器系統產生的諧振問題能有效抑制。

6 結語

針對光伏集群逆變器諧振問題，本研究提出了一種基于雙電流閉環控制下，加入有源濾波電導的逆變器集群諧振抑制策略。研究表明，加入有源濾波電導對逆變器側的低次諧波電流有抑制作用，可以有效地防止諧波電流匯入電網系統中，達到抑制光伏集群逆變器諧振的效果。仿真結果表明，本設計的控制策略驗證了對光伏集群諧振抑制的有效性，能使逆變器的輸出信號安全穩定并入電網系統，確保大電網系統供電的可靠性和安全性。