光伏并入配电网的逆变器控制策略研究

江 锐 江 涛 许 蕾

（国网安徽省电力公司六安供电公司，安徽 六安 237000）

光伏并入配电网的逆变器控制策略研究

江 锐 江 涛 许 蕾

（国网安徽省电力公司六安供电公司，安徽 六安 237000）

本文介绍了光伏逆变系统的拓扑结构，建立了基于滤波器逆变器的数学模型，为了便于分析，将abc三相静止坐标系中的方程化简为d-q两相旋转坐标系下的数学方程，对逆变器的控制结构和控制参数设计进行了简单介绍。从滤波器的原理入手，对单L型和LCL型滤波器原理进行对比分析，在设计方法上，对比传统的分步设计法，本文选择了基于粒子群算法的新型LCL型滤波器的参数设计方法，最后通过仿真分析验证了LCL型滤波器的参数设计及所研究的光伏并入配电网的逆变器电压控制策略的正确性。

光伏并网；逆变器；控制策略；LCL滤波器

在并网的光伏发电系统中，除去光伏电池阵列作为发电装置，并网逆变器是实现整个光伏发电系统运行的重要器件，是电能能否优质馈送电网的核心环节，其控制策略的优化对于提升整个光伏系统的发电效率具有重大的意义。目前逆变器分类主要有直流电压电源型和直流电流电源型、隔离型和非隔离型等[1]。目前在应用领域较多采用的是电压型并网逆变器。逆变器在工作时，由于开关处的动作将会产生谐波，并网的输出电流将会被注入额外的谐波[2-3]。为了保证并网的电能质量，必须对谐波进行处理，已有的解决方式是在并网侧与逆变器之间加装滤波器[4]，而常见的滤波器有L型和LCL型，如何选择及确定滤波器具体的设计方法也成为目前光伏系统控制方面研究的重点。

本文针对光伏发电系统的数学拓扑和逆变器控制策略以及光伏逆变器LCL滤波器参数的设计方法进行了研究，优化了电压电流双闭环的逆变器控制策略，并对滤波器的滤波原理和性能进行分析。按照规定的滤波器参数设计要求，对滤波器参数设计进行了优化，最后建立了光伏发电系统的仿真平台，为本文的理论验证提供了仿真实现。

1 光伏发电系统的组成

光伏发电系统一般是由以下几个部分构成的，如图1所示。

图1 光伏发电系统的组成

1.1 光伏阵列

光伏电池的种类一般可按材料的不同划分，一类是选取硅作为为原材料，另一类是选用聚合物作为原材料。在实际使用中，转化效率的高低因材料的不同而迥异，为了获得更多的电能，通常选用转化效率高的电池组，而淘汰转化效率低的电池组。光伏电池的工作机理是利用光生伏特效应，将光照直接转化为电能的组件，单个的光伏电池板所能供出的电流、电压都不是很大，所以一般而言并不单独使用。在使用中将单个模块串并联封装之后构成光伏发电组件模块组，通过一系列的连接组合得到光伏阵列。

1.2 DC/DC变换器

DC/DC变换器的功能是变换直流/直流电压，比较常见的类型有Buck变换电路和Boost变换电路[5]。在光伏并网发电系统中，对电压指标的要求是输出的电压幅值比光伏电池产生的电压幅值要高，采用Boost型变压电路恰好能够对电压提升的要求，逆变器单元的输出效率也因此得到很大提升。除此之外，Boost变压电路还能对光伏电池的最适宜工作的坐标点进行追踪，使得输出的功率在其最大点附近选取，这一过程就是已有文献所涉及的最大功率跟踪技术，简称MPPT技术[6]。

1.3 逆变器

光伏发电系统的核心装置是并网光伏逆变器，也称作变流器。其基本作用是将光伏阵列所提供的直流电，经过逆变器的变流作用，转化成接入电网时的工频交流电。这是因为在日常的生产生活中的用电设备，几乎都是采用交流形式进行供电运行的。所以，为了满足用户的用电需求和并网要求，采用逆变器将光伏整列产生的直流电转化成交流电，最终接入到电网[7]。在光伏并网发电中，逆变器的种类一般分为两类：一种是直接接触型，另一种是非直接接触型。在本课题中，选择直接接触型，以DC/AC型为代表进行研究。

1.4 滤波器

光伏发电系统中，经过DC/AC变换以后，就会得到变换之后的交流电。经过逆变器的变换，虽然得到了工频同相的电流，但是在控制逆变器的开关时，不可避免地会产生谐波。这些高次、畸变的谐波如果不经过滤除，将会直接注入电网，对电能质量造成不良影响，增加电网器件和附近设备的额外损耗，发电输电的使用效率因此大打折扣，更为严重的后果将导致继电器的绝缘失效、旋转设备产生机械震动。滤波器作为光伏发电系统接入电网的最后一道环节，其作用就是剔除有害的谐波，最终获得高质量的电能。

2 滤波器的选择

并网逆变器是光伏发电的核心部件，其分类主要有直流电压电源型和直流电流电源型、隔离型和非隔离型等[8]。逆变器在逆变过程中会不可避免的产生谐波，影响其逆变效果，为了保证并网的电能质量，必须对谐波进行处理，已有的解决方式是在并网侧与逆变器之间加装滤波器。常见的滤波器形式有单L和LCL型。

单L型滤波器由于结构简单易行，在光伏发电系统的理论分析时常用。在实际的并网大功率场合中效率和滤波效果并不理想，为了达到并网要求，往往需要大幅度增加电感值。使得单L型滤波器只适用于开关频率低、动态性能要求不高、对设备体积重量不加考虑的场合。

LCL型滤波器的滤波效果要优于单 L型滤波器，对并网的高次谐波可以进行有效的过滤。基于这种优点，LCL适用于大功率并网逆变器的工作要求。但是LCL型滤波器相比其他滤波器，其设计参数的过程相对繁琐。为了使电子设备能有良好的滤波效果、工作效率，在满足设计要求的限制下，需要寻求网侧电感、滤波电容和逆变器侧电感三者之间的最优组合。

3 光伏并网逆变器的电压控制策略

3.1 逆变器的双闭环电压控制策略

在大功率领域，逆变器工作时的开关频率一般都不会太高，在低频工作时LCL滤波器与L滤波器两者的输出特性也没有很大的区别。对于器件工作时基频分量，二者的滤波作用效果是大体一致的，也就是同样的滤波效果，LCL滤波器更经济。这种情况下LCL滤波器可以被等效为单L滤波器，也就是意味着iinv=ig。设计时可将LCL型滤波器看作是总电感值LT=L1+L2的单L型滤波器。经过以上化简，上述模型可以等效成：

进而推出LCL滤波器逆变器在S域的模型如图2所示。系统框图清楚显示，经转换后，在d轴、q轴上的分量彼此存在着相互制约，其中之一的控制量并不能单独作用而不受另一个控制量的影响。所以，如果对这种两者之间的相互耦合效应不加以考虑，整个系统的性能和运行将偏离预期的要求。最严重的情况是，当系统受到影响或者干扰时，无法维持稳定，甚至失去平衡状态。

图2 滤波器的S域模型

经过刚才的分析得知，d轴和 q轴上的分量不仅存在耦合关系，而且电网电压分量也掺杂其中，产生附加影响。针对这种干扰带来的影响，进行控制器的参数设计时，在控制端引入直流母线电压进行前馈解耦，引入有功、无功电流分量进行前馈解耦，从而消除由各种物理量之间的耦合效应产生的不良影响的干扰。具体控制器物理量之间的解耦控制如图3所示。

图3 逆变器控制器的解耦示意图

由以上分析可知，解耦过程中存在两个控制变量的控制环节。分为电流内环控制和电压外环控制。具体而言，所谓电流内环控制是并网点处的电流作为反馈，其d轴与q轴分量分别对应电流的有功分量和无功分量。如果要控制并网侧的有功无功，只要设计恰当的PI控制参数，就能实现所谓的电流内环控制调整功率的目的。在进行了电流内环控制解耦成两个相互不影响的控制环节之后，为了对直流侧的电压幅值进行追踪控制，采用直流电压反馈作为电压外环控制，并且通过PI调节器进行参数设置之后，输出量又可以作为电流内环控制的给定参考电流值，再进行电流控制，从而实现电压外环电流内环的双闭环控制环节。

3.2 系统控制器内外环参数设计

由上分析的解耦过程之后，d轴和 q轴电流环的工作过程的是一致的，可以只取d轴的控制器PI参数调节进行设计。具体的电流内环控制框图如图4所示。

图4 电流内环控制框图

图4 中，KPWM为比例放大系数，KP为比例系数，KI为积分系数，Ts为取样的开关周期，1/(1+TsS)为取样延迟，1/(1+0.5TsS)为小惯性延迟环节。根据前面介绍的并网逆变器数学模型，具体的PI控制器的参数设计以此为依据进行计算。电流内环采用的是电压前馈作为控制量，其结果是对电网电压造成的扰动影响进行平抑削弱。经化简可得电流内环的开环传递函数为

由典型Ⅰ型系统的二阶最佳整定法，取ζ=0.707，得到

整理得

式（5）就是PI控制器电流内环参数的整定公式。

电压外环取直流侧电容电压作为控制量。电压外环的控制框图如图5所示。

图5 电压外环控制框图

由于 1 (1 + TVS)作为取样延迟，出现在采用KV( 1 + TVS ) TVS 表示的 PI环节中，出于分析的方便，小惯性时间常数通常合成为一个时间常数，合并 TV和 Gci(s)可得简化后的电压外环控制框图，如图6所示。

图6 电流内环简化控制框图

按典型II型系统控制器参数整定原则化简得到

这就是电压外环的 PI控制器的整定参数计算式，经过仿真过程中的修正调整以后，设置Kp=0.23，Ki=2.91。

3.3 粒子群算法数学过程

粒子群算法的数学过程描述如下：在粒子群算法中，首先对粒子群进行随机初始化，通过待优化问题的变量的个数来确定搜索空间的维数。待优化问题的解可以看做是搜索空间中的一只鸟。每只鸟以一定的速度在空间中飞行，进行搜索。在搜索空间中，每个粒子都有一个适应值，该适应值由目标函数确定。每个粒子也要通过适应值来存储当前自己搜索到的最优位置即个体最优值（Pbest）。个体最优值代表的是每个粒子的飞行经验。除了个体最优值外，还有全局最优值（Gbest），全局最优值是粒子群的最优位置。

4 仿真分析

4.1 滤波器的参数设计

在这个模型中，为了便于分析LCL滤波器，将光伏阵列输出的直流输入电压用直流电压源代替，利用 PSCAD软件建立光伏系统的仿真模型，仿真参数设定如下：额定有功功率为5kW，直流母线电压为700V，电网线电压有效值为380V，器件的开关频率为10.5kHz。根据第4章介绍的LCL滤波器参数设计的限制条件和传统分步设计法，所得出的参数如下：逆变器侧电感L1为1.28mH，网侧电感L2为0.43mH，滤波电容C为27μF；采用的粒子群算法中，我们选取的适应度函数为谐波含量，因此选取适应度函数取值最小值进行仿真，经算法迭代最终得到 LCL滤波器参数如下：逆变器侧电感 L1为1.16mH，网侧电感L2为0.3mH，滤波电容C为29μF，适应度为 0.0319。分别将两组参数带入仿真模型中得到并网逆变器一侧输出的电流波形如图7所示。

图7 分布设计法和粒子群算法的电流波形

由图可以看出，传统分步设计法得到的LCL滤波器参数，逆变器输出的电流波形还是明显含有一定量的谐波。如果不对滤波器参数进行优化，那么得到的并网电流不仅会产生额外的损耗，而且对设备的正常工作也会产生不良影响。由图可以明显看出，经过参数优化的LCL滤波器，逆变器并网一侧输出的电流波形相比分步式方法参数设计的滤波器输出的电流波形正弦度更好，即使开关频率处的谐波抑制效果更为明显，总电感量LT也较分步设计法的得到的LT更小。

输出电流的波形上可直观的看出两种方法设计的滤波器参数在仿真环境中对并网谐波的过滤效果的优劣。进一步验证，通过频谱分析模块来对两种设计方法的滤波效果，以总谐波畸变率的多少，来表征两种方法的优劣。

具体而言针对分步式方法和粒子群算法得到的滤波器参数，经过逆变器的并网电流，其谐波的频谱分析图如图8所示。

图8 分步设计法和粒子群算法的频谱分析

由图8可以看出，分步式方法得到的网侧电流的谐波畸变率较高，其THD为3.72%。高频谐波并没有得到很好的滤除；由图可知，粒子群算法设计的LCL滤波器，在开关频率处的谐波含量明显要比分步式算法设计的LCL滤波器的谐波含量少。计算谐波畸变率，滤波后的网侧电流的THD为0.82%，谐波畸变率明显减少，达到了比较明显的谐波抑制效果，说明了LCL滤波器参数优化设计的可行性和有效性。

4.2 光伏发电系统的并网电流与电压波形分析

对a相的并网电流和相应的电网电压关系进行波形分析。两者波形如图9所示。

图9 输出电流与电网电压波形图

由图可以明显看出系统具有良好的响应，黑色的并网电流波形和灰色的电网电压波形基本保持了相位相同、频率相同。并且实际的跟踪效果由具体的功率因数清晰显示：光伏并网系统中并网电能的功率因数接近 1，说明并网逆变器输出电流的质量越好，验证了系统控制策略和PI调节器设计的可行性和正确性。

5 结论

本文针对光伏发电系统的数学拓扑和逆变器控制策略以及光伏逆变器LCL滤波器参数的设计方法进行了研究，优化了电压电流双闭环的逆变器控制策略，并对滤波器的滤波原理和性能进行分析。按照规定的滤波器参数设计要求，对滤波器参数设计进行了优化，最后通过仿真分析验证了LCL型滤波器的参数设计及所研究的光伏并入配电网的逆变器电压控制策略的正确性。

[1] 杨威, 范波, 赵伟刚, 等. 基于LCL滤波器参数优化的 PWM 整流控制方法研究[J]. 电源技术, 2014,38(1)： 149-151.

[2] 殷进军, 刘邦银, 段善旭. LCL滤波并网逆变器双环控制参数设计与优化[J]. 电力系统自动化, 2013,37(9)： 123-128.

[3] 赵平, 严玉廷. 并网光伏发电系统对电网影响的研究[J]. 电气技术, 2009, 10(3)： 41-44.

[4] 戴训江, 晁勤. 基于 LCL滤波的光伏并网逆变器电流滞环控制[J]. 电力电子技术, 2009, 43(7)： 33-35,57.

[5] 胡雪峰, 韦徵, 陈轶涵, 等. LCL滤波并网逆变器的控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(27)： 142-148.

[6] 刘飞, 查晓明, 段善旭. 三相并网逆变器 LCL滤波器的参数设计与研究[J]. 电工技术学报, 2010(3)：110-116.

[7] 马瑞钰. 低谐波LCL滤波器的光伏并网逆变器的研究[D]. 淮南： 安徽理工大学, 2014.

[8] 李潇潇, 赵争鸣, 田春宁, 等. 不可调度式光伏并网逆变系统综述[J]. 电气技术, 2012, 13(1)： 1-5.

Research on Inverter Control Strategy of PV Integrated into Distribution Network

Jiang Rui Jiang Tao Xu Lei
(State Grid Anhui Electric Power Company Lu’an Power Supply Company, Lu’an, Anhui 237000)

The topology of the photovoltaic inverter system has been introduced in this paper,based on mathematical model of the inverter filter, and in order to facilitate analysis, ABC in the three-phase static coordinate equation was simplified d-q mathematical equation under the two phase rotating coordinate system, structure and control parameters and control of the inverter design has carried on the simple introduction and from the principle of filter, principle of single type L and type LCL filter, this paper compares and analyzes on the design method, compared the traditional design method of step by step, this paper chose based on particle swarm optimization algorithm of parameter design method of new type LCL filter, and finally type LCL filter is verified by the simulation analysis of parameter design and the research of photovoltaic (PV) into the correctness of the inverter voltage control strategy of the distribution network.

PV grid-connected; inverter; control strategy; LCL filterr

江 锐（1976-），男，安徽六安人，本科，高级工程师，研究方向为运维检修。