基于LCL滤波的光伏并网逆变器的研究*

高秀梅，钱祥忠

（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州325027）

基于LCL滤波的光伏并网逆变器的研究*

高秀梅，钱祥忠*

（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州325027）

为了减少电力电子器件给光伏并网系统带来的大量谐波，研究了半周期SVPWM控制的三相双向双Buck/Boost变流器可以有效减少开关损耗和导通损耗，在SVPWM控制策略上引入模糊PI控制增加了系统的稳定性，降低了超调量，并采用了对高频谐波有较强抑制作用的LCL滤波器，实现系统的单位功率因数并网。采用Matlab/Simulink进行仿真实验，仿真结果表明，该闭环系统可以有效地实现单位功率因数并网，提高了系统稳定性和并网电流质量，减小了输出超调量，增强了系统鲁棒性。

电力电子；逆变器；仿真；空间矢量脉宽调制；三相双Buck/Boost；LCL滤波器；光伏并网；模糊PI

光伏并网系统采用的是工作在高频状态下的电力电子装置AC/DC变流器，传统的三相桥式变流器［1-3］由于每相上下桥臂功率管直接相连，存在直通问题，影响工作的可靠性。为避免直通，必须给互补的桥臂驱动信号加入死区，这就会引入额外的低频谐波，对电网运行的安全稳定存在危害，增加了滤波器的体积与成本。

为了降低并网谐波，实现逆变器的单位功率因数转换，最常用的是LCL滤波器，但是LCL滤波器的引入会减低系统的稳定性，增加了系统的控制要求［4-6］。若根据研究在电容支路键入电阻，就会增加系统的损耗，并减弱了高频谐波的抑制能力。

基于上述问题，本文提出了一种改进型的半周期SVPWM控制策略。该控制策略应用了三相双Buck逆变器，解决了功率管的直通问题，其上下桥臂功率管没有直接相连，无需设置死区，每相采取独立滞环控制，三相间无耦合关系，不易相互影响。当能量反向流动时三相双Buck拓扑变流器［7-8］工作在整流状态，此时可看作三相双Boost拓扑，因此，能够实现三相双Buck/Boost变流器能量的双向流动。本文提出改进的半周期SVPWM控制策略，避免SVPWM控制策略完全应用于双Buck/Boost拓扑所导致不必要的开关损耗和导通损耗。并在SVPWM中加入模糊PID控制［9-10］，提高系统的稳态性能和灵活性，减小输出超调量，减小反应时间。由于电力电子器件的引入会给系统增加大量的谐波，增加系统的功率损耗。本文引入了LCL滤波器［11-12］，降低系统谐波含量，减少功率损耗，实现单位功率因数并网。

1　三相双Buck/Boost变流器

图1为三相双Buck/Boost变流器的拓扑结构，如图所示Cin为直流侧电容；S1、S3、S5、S2、S4、S6分别为三相上下桥臂功率管，其对应的外接续流二极管分别为D2、D4、D6、D1、D3、D5；交流侧为LCL滤波器，个电感的电感值相等，工作对称。由于上下桥臂的功率管与LCL的电感相连，因此不存在直通问题，不需要在驱动信号中加入死区，从而减小了交流侧低次谐波。

图1　三相双Buck/Boost拓扑

2　双向运行控制策略

图2是一个双向AC/DC变流器的拓扑结构，UDC为直流侧电压，dup和ddown为SVPWM调制出的三相上桥臂和下桥臂功率管驱动信号。假定三相交流电压对称，则定义开关函数为：

图2　双向功率变流器的拓扑结构

根据功率的流动，双向AC/DC转换器可以分为两种模式：整流模式和逆变模式。为了方便通常用Park变换，将三相静止坐标系中的交流量转换到同步旋转d-q坐标系下。

2.1整流模式

交流电源经变流器整流后，直接流入直流电源储存起来，通过横向流滤波器电容器Cf注入直流总线。以交流侧电感电流ikr和直流侧电压UDC为状态变量，可得方程：

2.2逆变模式

直流电能经空间矢量脉宽调制（SVPWM）后转变为交流电，再通过LCL滤波器滤除高次谐波后，接入交流母线。以交流侧电容电压ek和电感电流ik为状态变量，可得方程为：

3　光伏系统

光伏发电就是通过利用能量转换器件将太阳能转换为电能。现如今光伏发电系统常常用于并网发电系统来缓解用电高峰期电力系统的压力。因此并网逆变器就在光伏并网环节起到了非常重要的作用，如今使用最广泛的并网逆变器是三相全桥式逆变器。又由于光伏发电系统的输出电压会随着环境中温度和日照的不同而产生波动，造成输出电压的不稳定。并且在实际运用中我们都希望在同样的温度和日照的条件下，光伏发电系统的太阳电池阵列能够输出尽可能多的电能，因此对太阳能电池阵列的最大功率点跟踪MPPT（Maximum Power Point Tracking）［13-14］的研究和使用就十分必要。其中MPPT使用的是电导增量法MPPT，即使用在最大功率点时P-V特性曲线我们可以知道，在太阳能电池所达到的功率最大点时，改P-V曲线的斜率为0的特性。

电导增量法MPPT控制方法交其他MPPT控制方法而言，在外界光照改变的情况下，仍然能够保证输出端电压的稳定性。

图3为太阳能电池的发电系统示意图。

图3　太阳能电池发电系统

4　LCL滤波器

与单电感滤波相比，LCL滤波的性能更好，它既能够实现低频段增益，又可以实现高频信号的衰减。图4是等效的单相LCL滤波器的原理图。其中L1，L2分别是逆变器侧和电网侧的电感，R1，R2分别是电感器的内阻，Cl是滤波器电容，Rl是阻尼电阻，以避免出现零阻抗谐振。LCL滤波器是运用电感和电容对频率不同的分量所呈现的阻抗的差异性设计的，其中电感对高频信号的阻抗大，而电容则对频率高的信号的阻抗小，而L1与Cl的组合就能有效地较少流入L2的高频分量。从而可得该滤波器的数学模型如下：

图4　LCL滤波器原理图

图5是带有LCL滤波器的并网三相PWM变流器的拓扑结构。由图5可知，左边虚线框出部分是LC滤波器，右边阴影部分是传统的三相PWM整流器。其中电容器电压为ea，eb，ec，变换器电流为Iconv，电容电流为Icap，变换器功率为Pconv，直流母线电压为Vdc。由此可通过Park变换得到的数学模型如下：

其中式（9）～式（14）是带有单级电感传统三相PWM变流器在d-q坐标系下的数学模型。式（15）～式（18）带有单级电感的LC滤波器的数学模型。三相PWM变流器的控制标准就是实现直流母线电压的调节，以及通过调节d-q坐标系下的电流来实现有功功率以及无功功率控制。

图5　带LCL的并网三相PWM的拓扑结构

5　模糊PI

模糊控制器实时修正KP、Ti、Td，使PI参数随系统结构的变化不断进行调节，图6为模糊PID原理图。

图6　模糊PID原理框图

以并网电流在d-q坐标系下的偏差以及偏差变化率为模糊控制器的输入变量，PID控制器的参数由模糊控制器及时修正。修正公式如下：

对误差e、及误差变化率ec及其控制参数的模糊集和论域的定义如下：e和ec的模糊集是｛N Z P｝，基本论域是［0.2，0.8］、［0.04，0.1］；ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集是｛N Z P｝，基本论域分别是［-0.2，0.2］，［-0.1，0.1］，1/1 000*［-3，3］；模糊规则为用m程序写的。其中，ΔKp0=22，ΔKi0=200，ΔKd0=0.01。根据模糊规则而进行的模糊决策（m程序运行后）如图7所示。

图7　模糊规则运行结果

6　仿真及结果分析

为了验证本文所研究的变流器结构以及控制策略的优越性，本文利用Matlab/Simulink搭建了传统光伏系统和新型光伏系统的仿真结构，并就这二者之间的实验结果进行了比较。其中传统和新型主电路的参数设置相同，设置如下：交流侧电压Us=220 V，L1=3 MH，L2=0.04 MH，Rd=2 Ω，Cl= 5 μF，进行仿真，图9为传统光伏逆变系统的仿真图，图10为新型光伏逆变系统的仿真图，与图9相比，图10中的变流器采用三相双Buck/Boost变流器，能够有效地解决上下桥臂功率管的直通问题，减小了功率损耗和开关损耗，其仿真图为图11；变流器是由带有模糊控制的改进型半周期SVPWM信号控制，能够实现能量的双向流动，降低超调量，增强系统的鲁棒性，其仿真图如图12；在变流器后面加入LCL滤波器，滤除高次谐波，实现单位功率因数并网，提高并网电流的质量。系统仿真结果图如下。

图8　传统光伏并网系统仿真图

图9　SVPWM仿真图

图10　新型光伏并网系统仿真图

图11　整流桥仿真图

图12　模糊SVPWM仿真图

图13为传统光伏系统与新型光伏系统的并网电流比较，由图13可以看出新型光伏系统的并网电流的超调量明显减少，并且能够得到稳定电流。

图13　传统与新型并网电流

图14为传统光伏逆变系统的并网电流电压波形，图15为新型光伏并网系统的并网电流电压波形，由图14和图15可以看出，新型光伏系统能够实现单位功率因数并网，明显降低了系统的损耗。图16为传统光伏逆变系统的并网电流的FFT分析，图17为新型光伏并网系统的并网电流的FFT分析，由图16和图17可以看出，新型光伏系统能够有效减少并网电流的谐波成分。

图14　传统光伏并网系统的并网电流电压波形

图15　新型光伏并网系统的并网电流电压波形

图16　传统光伏并网电流的FFT分析

图17　新型光伏并网系统并网电流的FFT分析

7　结论

本文主要研究了三相双Buck/Boost变流器，光伏发电，模糊PID等的工作原理，并在此基础上研究了一种带有模糊PI的改进型半周期SVPWM三相Buck/Boost变流器，实现了能量实时的双向传输。并给出了仿真和仿真结果，验证了该研究的可行性。并且由仿真结果可以看出这种新型光伏并网系统的交流侧电流相较于传统光伏并网系统，能够输出稳定的交流电流，增强了系统的鲁棒性，降低了输出电流的超调量以及谐波成分，实现了单位功率因数并网，减少了系统的开关损耗和功率损耗。

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高秀梅（1989-），女，汉族，安徽省滁州市人，温州大学硕士，主要研究方向为电力电子装备信息化，990292549@qq.com；

钱祥忠（1963-），男，汉族，安徽省六安市人，温州大学教授，主要研究方向为电气传动与逆变技术、电器状态在线检测与控制技术、光机电一体化技术等，xzhqian@263.net。

Study of New PVGC Inverter Based on LCL Filter*

GAO Xiumei，QIAN Xiangzhong*
（College of Physics and Electronic Information Engineer，Wenzhou University，Wenzhou Zhejiang 325027，China）

In order to reduce amount of harmonics produced by the power electronic devices to photovoltaic grid sys⁃tem.In this paper a half-cycle SVPWM control with bidirectional dual Buck/Boost Converter is proposed.This study of the switching losses and conduction losses can be effectively reduced.In order to reduce the overshoot and in⁃crease the stability of the SVPWM control strategy，the fuzzy PI control system is introduced.LCL filter is used to suppress the high frequency harmonic and achieve unity power factor.Matlab/Simulink simulation is used to verify the closed-loop system can effectively achieve unity power factor and network，improve the quality and stability of the grid current system，reducing the overshoot output，and enhance the system robustness.

power electronics；inverter；simulation；SVPWM；bidirectional dual Buck/Boost；LCL filter；PV gridconnected；fuzzy PI

TM464

A

1005-9490（2016）02-0412-08

EEACC：1290B；127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.034

项目来源：浙江省科技厅科技计划项目（2012R10006-12）

2015-05-07修改日期：2015-06-04