光伏發電系統逆變器并聯運行諧波環流的抑制研究

席盼博

（中核匯能（甘肅）能源有限公司，甘肅蘭州，730070）

0 前言

隨著世界工業化文明程度的提高，各國對能源的依賴程度越來越高，而對能源的依賴當中尤其以煤炭、石油和天然氣為主，正因于此，所以造成了資源越來越匱乏和能源消耗帶來的環境污染等問題。為了保證經濟發展和人們對于能源的需求，我們需要新的能源來替代傳統能源進行發電,太陽能是現在各國公認的最滿意的清潔能源，其具有經濟、環保等優點[1]。

文獻[2]主要是對LC 濾波器的參數進行確定和對傳統下垂控制的方案進行改進，使得下垂控制的適用環境進一步擴大，但是對于系統諧波環流的抑制效果并不是特別優越，特別是在系統出現嚴重諧波的時候，其濾波環節的濾波效果較差；文獻[3]主要討論了傳統下垂控制當中由于逆變器線路當中線路出現不匹配時，造成系統的不穩定和引起無功功率不能進行均分的問題，通過引入虛擬復阻抗和將逆變器輸出端和母線端的電壓偏差量作為反饋量對傳統下垂控制進行改進，此研究盡管對系統穩定性能有所改善，但是對于非線性負載出現對于系統的影響并沒有極大的改善；文獻[4]主要是對三相孤島模式電網當中不對稱負載出現對于系統電壓穩定性的研究分析，采用分層優化控制對系統的穩定性能有一定的改善，但是改善效果還是存在一定的缺陷，不能對諧波產生很好地抑制。

因此，對逆變器并聯系統的拓撲結構和其控制策略進行研究分析，對其拓撲結構和控制策略進行一定的改進和優化會使得光伏發電逆變器并聯系統實現更好地功率均分控制，同時會使得光伏發電逆變器并聯系統的整體性得到很大的改觀 ，提高系統帶負載的能力，對于光伏發電和能源發展需求具有重要的意義。

1 光伏發電逆變器并聯運行原理

1.1 逆變器并聯運行系統的拓撲結構和等效模型

兩臺三相逆變器并聯當中的電壓型拓撲結構如圖1 所示，其在現代發電系統當中扮演著極其重要的作用，其拓撲結構當中的參數約束和單相的基本相同，主要濾波環節還是采取LCL 進行，輸電傳送距離是其重要的一個影響因素[5]。

圖1 兩臺三相變壓型逆變器并聯系統拓撲結構

對兩臺逆變器并聯的模型進行建立與分析，等效模型如圖2 所示。

圖2 逆變器并聯系統的等效模型

第一臺和第二臺逆變器的輸出電壓分別用U11φ∠ 、、U2∠φ2來表示，電流矢量用i1和i2來表示，輸出的電壓矢量以u3進行表示，兩臺逆變器的輸出阻抗分別以R0、X0、R1、X1進行表示，公共負載用Z表示[6]。根據圖2 可得逆變器并聯系統的等效模型為：

在實際當中，并聯系統輸出端的電抗值跟電阻值相比起來，其值要大的多，繼而可得R0＜＜X0,R1＜＜X1,因此可將式(2)改寫為下式：

由以上的表達式，我們可以更加直觀的看到，在負載電流的主要成分當中主要包括兩部分，一部分是系統自身的負載電流，另一部分是并聯逆變器之間的環流。根據并聯的特點，正常運行狀態下，系統的負載電流在其并聯的逆變器中是均分的，唯一有差異的就是環流，因為環流的大小取決于并聯逆變器的狀態，主要受其輸出端電壓的相位和幅值影響[7]。

1.2 逆變器并聯運行諧波環流的分析

根據環流的一般定義和式(3)，可得到下式：

由式(2)，我們可以得到諧波環流產生的主要原因：

由式(6)可得，組成環流的兩部分:輸出端的電壓和等效的阻抗皆會因為其自身的變化來影響諧波環流。

由式(7)可得，在輸出端的電壓保持相等時，等效的阻抗單獨變化也會影響諧波環流。

由式(8)可得，此時的諧波環流將會受阻抗和電壓的共同影響。

通過上面的分析，輸出端電壓和線路當中的阻抗是影響諧波環流的關鍵因素。

2 LCL 濾波器的設計

2.1 電路中電感的規劃

在濾波電路中，電感的取值下限值一般都是由電路中的電流紋波來進行決定的，一般在額定電流中紋波電流會限定在10%～20%左右，在本論文中取其上限值20%。各個參數的簡介如下：I1代表電流的額定數值，V1代表母線側的直流電壓數值，V是電網側的電壓有效數值，ω代表來自電網側的基波的角頻率，f代表電網側的頻率，f1代表在實際運行過程中器件開通與關閉的次數。

設計的電感的約束條件為：

2.2 電路中電容值的規劃

電容值在實際的規劃當中是按照其與電路當中的總諧波失真呈現反比的關系進行規劃，而在實際的運行當中，電容又會對無功進行產出，進而電容的規劃又與其無功的產出情況呈現正比的關系。在實際的并聯系統中，對系統的要求是：其功率因數不應過小，因此對電容的要求是：其對無功的吸納控制在5%以下。

電路的無功可以表示為：

起到濾波作用的電容C 滿足的要求為：

2.3 電路中對于濾波環節的約束

對于濾波環節諧振頻率約束：

根據電容的規劃要求可得：

由所歸納的要求和L1/L2=10 的約束，本次濾波器的參數選擇是：L1=20mH，L2=2mH，C=22μF。

對其要求頻率的驗證如下：

具體參數為：V=220V，V1=600V，W=100п，P=20kW，f=50Hz，f1=20kHz。

根據L1=20mH，L2=2mH，C=22μF 可得：

經驗證符合諧振頻率要求，進而所規劃的濾波環節符合要求。

3 改進后的下垂控制算法

根據傳統下垂控制特點，當系統間的連接阻抗完全是純感性時其發揮的效果是最好的。當系統間的阻抗是非純感性時，其效果就就會大幅縮減。為了解決系統連接阻抗為其他形式阻抗時控制出現的問題，需要對傳統的下垂控制進行改進。通過對傳統下垂控制的分析，我們得出在系統間連接阻抗中感性多一點的時候，電壓的幅值受無功影響較大，電壓的頻率受有功影響較大；當系統間的連接阻抗中阻性較多時，電壓幅值受有功影響較大，電壓頻率受無功影響較大。基于此分析，可以建設A=R/Z,B=X/Z對由于連線阻性和感性的存在對逆變器端的輸出電壓的頻率和幅值的干擾程度?；诖耍瑢鹘y的下垂控制的表達式改進如下：

上式中的m，n，m1，n1表示的是逆變器端的輸出電壓的頻率和幅值對應的有功和無功的下垂系數。改進后的下垂控制系數可以參照傳統下垂控制系數的獲取，對各逆變器間的連接阻抗進行假設Z1=Z2=Z由于在分析中得出，φi一般較小，所以可令cosφi≈ 1。在系統間的連接阻抗是純電阻特性時，并聯的逆變器輸出端的功率表示如下：

由此式得出無功的下垂系數：

由上式可以獲得有功的下垂系數如下：

當并聯系統之間的連接阻抗屬性為純電感時，按照以上方法可得：

4 逆變器并聯系統仿真分析

4.1 實驗平臺系統搭建

為了更好地驗證所提策略的實用性和科學性，在SIMULINK 仿真平臺進行LCL 濾波環節的下垂控制系統模型搭建[8]如圖3 所示。

圖3 LCL 濾波環節加下垂控制模型

4.2 仿真結果

通過仿真系統可以看出通過對LCL 環節的設計改進和下垂控制的改進，系統可以更好地解決諧波環流存在的問題，對故障下非線性元件的出現給系統造成的沖擊和危害可以起到一定的保護作用。系統中功率變化如圖4 所示，加入濾波和無濾波的有功、無功變化如圖5、6 所示，系統無功增加后電壓和電流的變化如圖7 所示，系統突加非線性負載的有功、無功和頻率的變化如圖8、9 所示。

圖4 系統中無功和有功曲線圖

圖5 系統中無濾波和有濾波的有功曲線對比

圖6 系統中無濾波和有濾波的無功對比曲線

圖7 系統中無功增加后的輸出電壓、電流波形

圖8 系統中突加負載的有功、無功曲線

圖9 系統中突加負載的頻率變化曲線

5 總結

通過實驗結果分析可得，在擁有下垂控制和LCL 濾波環節的系統中，系統輸出的無功和有功曲線會更加平滑的穩定在負載周圍如圖4；系統的有功和無功在經過濾波環節之后其波形更加光滑如圖5、6；系統的三相輸出電壓和電流波形更加光滑如圖7；系統在突加非線性負載之后，在LCL濾波環節和下垂控制的雙重機制之下，輸出的有功功率、無功功率和頻率，盡管在一定范圍內會增加，但是會被控制在允許范圍之內，抑制了諧波環流，系統更加穩定如圖8、9。通過對設計改進的濾波器和下垂控制的驗證，得出其對并聯系統出現的諧波環流可以起到很好的抑制作用，可以更好地保護系統，使系統的穩定性更好，濾波效果更加優越，同時也更好地驗證了這種成比例調整濾波環節和控制環節的科學性。