分布式发电系统中LCL滤波的并网变换器控制策略研究

摘 要 作为可再生能源，分布式发电系统，尤其是光伏发电与风力发电越来越收到人们的重视。如今风机或太阳能电池接入电网通常采用电力电子变流器作为接口，通过对并网变换器的有效控制，就可以实现微电网与接入电网的完美衔接。研究了分布式发电系统中LCL滤波的并网变换器几种控制策略，分析了微电网并网PWM整流器的数学模型和系统结构，为微电网控制系统的实践意义与应用推广提供了参考。

关键词 分布式发电;控制策略;微电网;并网变换器

引言

随着经济社会的发展，煤矿、石油、天然气、原子能等能源存储量越来越少，空气污染和温室效应越来越严重，开发更多的可再生能源受到人们的重视。在可再生能源中，目前发展最快的是风能和太阳能，风力发电机装置和太阳能板能够避免长距离的高压传输电能，且可再生能源不会产生CO2、SO2等有害气体，考虑到电能传输和环境影响等经济效益，越来越多的科学家和经济学家认为，风能和太阳能作为可再生能源，在未来几年会比传统能源更有经济优势[1]。

风能、太阳能等可再生能源转化成的电能是极其不稳定的，产生的电能质量也不符合直接并网的规定要求，如果直接接入电网，会引起电网品质的下降，如果接入电网的电能能量很大时，甚至会对电网的频率电压造成冲击，严重时造成整个电网的瘫痪。如今，风力发电或太阳能发电厂产生的电能在并网前，系统中引入电力变换装置。在变流器中，三相整流器具有功率因数可调节、输入电流谐波小、直流电压波动小、能量双向流动灵活的优点[2]，国内外学者开展了大量的理论研究和实践应用，并先后发表了很多有很高应用价值的文章分享他们的研究成果。

由于PWM整流器可以完成“绿色电能转换”，整流器的网侧表现为受控电流源特性，因此PWM整流器及其控制策略受到了更深的探究和发展。在电力系统中可用于静止同步补偿器（STATCOM）、统一潮流控制（UPFC）、超导储能（SMES）、高压直流输电（HVDC）、有源电力滤波（APF）以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。传统的三相电压源型整流器交流侧每相接入单电感滤波器进行实现滤波。电网侧滤波电感的值越大，电流谐波可以相应减小，提高滤波效果，而同时滤波电感值的增加会对整套系统的动态性能产生影响。J.Svensson和M.Lindgren首先提出了用LCL滤波装置代替传统的单电感滤波装置，三阶LCL滤波器可以使用较小的电感电容实现滤波，既能够保持系统的稳定性，又能够实现较好的滤波效果[1]。

1分布式发电系统LCL滤波的并网变换器控制策略概述

风能、太阳能等可再生能源产生的电能不能直接接入电网，需要整流器来提高电能质量。PWM整流器经单电感滤波装置接入电网，但是单L滤波器在电感值较小时滤波效果欠佳，增大电感值滤波效果会变好，但是会影响系统的快速性和稳定性。

基于LCL滤波的PWM整流器在整个并网系统中，能够有效抑制谐波，但是由于系统中增加了电容回路，整流器的数学模型从而由一阶变成三阶，并且LCL滤波器会产生谐振，控制方法更加复杂。Frede Blaabjerg和Marco Liserre提出了LCL滤波器的设计方法，在电容设计合理的情况下，L滤波器的波德图和LCL滤波器的波德图是重合的，证明了在低频信号输入下，电容的作用可以忽略。基于这种理论，Marco Liserre和Frede Blaabjerg设计了将基于LCL滤波的PWM整流器等效成基于L滤波器的PWM整流器的控制策略。目前，应用于基于LCL滤波的PWM整流器的控制策略大多数是矢量控制，只是在原有的矢量控制基础上增加了阻尼作用来消除高次谐波，或者研究基于矢量控制的无阻尼控制策略[2]。

2LCL滤波并网整流器直接功率控制

由于直接功率控制具有原理简单、动态响应速度快等特点，近年来已被越来越多的应用于并网电能变换器的控制中。但是传统的直接功率控制策略采用的是有源阻尼方法，并沒有涉及电流内环。L.A.Serpa，J.W.Kolar，S.Ponnaluri和P.M.Barbosa提出了基于虚拟磁链的LCL滤波的PWM整流器直接功率控制策略。

经过直流侧电压和交流侧电流的检测值来估算整套并网系统的虚拟磁链，从而算出系统的有功无功功率值，并与给定值相减，结果发给开关器件，从而产生控制脉冲。传统的有源阻尼方法基于给定的电压或电流的参考值，然而由于直接功率控制没有电流内环，该修正方法将其变换为功率参考给定值，将有功和无功功率分别减去相应的阻尼分量值后，有效避免了谐振问题[3]。

直接功率控制的优点，就是在静止坐标系下，对功率和阻尼量进行控制计算，不需开展烦琐的解耦控制和坐标变换，对系统的无功功率完成直接的控制，无论算法还是控制系统的结构都比较简单;能够有效避免PWM算法，对开关的状态使用查表技术实现脉冲控制，动态响应速度快;在使用虚拟磁链定向的控制策略，避免了传动电压传感器的使用。网侧虚拟磁链估算中，学者将PWM整流器交流侧电流根据电网侧的电流和电容电流进行估算，节省了交流侧电流传感器的使用。

3LCL滤波并网整流器无差拍控制

在PWM整流器矢量控制数字化研究中，Jan Svensson和Michael Lindgren提出了基于LCL滤波的并网变换器的无差拍控制策略。在接下来的研究中，Felipe Espinosa等人提出了改进型无差拍矢量控制策略。改进型无差拍控制系统的电压和电流值只需要一组电压传感器和一组电流传感器，整套控制系统的扰动用无源阻尼来完成衰减，控制策略中的其他的量通过状态观测器获得。改进型无差拍控制策略整流器侧的电压给定计算中，增加了电容电压的反馈，使得整个控制系统的控制效果更佳。

LCL滤波器的矢量模型欧拉变换离散化为：

在无差拍控制系统中，只有选择合适的，，参数，合理修正无差拍控制的增益，才能保证系统的稳定性和动态响应。无差拍控制系统的电流内环采用无差拍算法跟踪系统电流给定值，电压外环采用常规PI调节器实现控制。其优点是只需要一组电压传感器和一组电流传感器，整套控制系统的扰动用无源阻尼来完成衰减，控制策略中的其他的量通过状态观测器获得。后续学者研究中，状态观测器中加入了史密斯预测器，在观测器中采用了输出电流用来补偿计算延迟，从而优化了无差拍算法。

与传统的SVPWM整流器相比，无差拍控制系统中的开关器件的输出脉冲宽度，根据整个系统的实时电路状态进行跟踪，具有优越的动态性能。将常规的PI控制方法与无差拍算法结合起来，使得整个系统既具备PI控制系统鲁棒性强的优点，又具备误差控制系统快速动态响应优点，使得整套系统具备良好的静态性能和动态性能[4]。

4LCL滤波并网整流器三闭环控制

在电网系统运行中，三相电压的幅值相位不可能完全对称，因此在电网中存在低频电流谐波，许多学者对电网不平衡下的控制策略进行了研究。基于L滤波器的相似的原理，Jan Svensson和Fainan.A.Magueed提出了改进的正负序电流独立控制策略。Donald Grahame Holmes和Erika Twining提出了LCL滤波并网整流器三闭环控制策略，这是首次针对不平衡电网电压提出的换流器控制策略，也是一种较为新颖的换流器不平衡控制策略。新加坡的P. Ch. Loh在三闭环控制的基础上，又提出了多环控制的概念。在三闭环控制策略中，电流控制采用双内环的控制结构，内环一是采用网侧电流控制作为内环，内环二是采用的是电容电流控制作为内环，电压外环可以直接控制直流侧的电压，电压外环的电压调节器的输出值当作网侧电流有功分量的给定。三相电容电流的反馈值是把变流器交流侧电流和网侧电流进行合成，同时电网侧电流调节器的输出在d-q坐标系中经坐标变换后作为三相电容电流的给定。最后，电容电流反馈值和给定值的偏差经过三个比例调节器当作SVPWM的开关器件的电压控制脉冲信号。，，提供坐标变换需要的旋转角度。因此，整套三闭环控制系统，是在矢量控制的基础上，引入了一个电容电流内环，从而有利于提高整个系统的稳定性能[5]。为了研究消除不平衡电网电压引起的谐波电流，提出了谐振阻抗的概念，见式。

从三闭环控制系统中，可以看到谐波阻抗的值是随着整套系统的频率的减小而增大的，随着PI调节器的比例值的增大，谐振阻抗会随着增大。可通过增加使Z（s）增大，实现整个系统电网电压产生的低频谐波电流的减少[5]。三闭环控制该方法具备矢量控制系统较强的鲁棒性，但是，由于三闭环控制系统需要在直流侧增加电压传感器，并且需要两组电流传感器分别测量电容电流和网测电流值，因此传感器比较多是其缺点。

5结束语

基于LCL滤波的PWM整流器并网控制方法分析可知，无差拍控制有利于PWM整流器矢量控制数字化实现，但是无差拍控制传感器需求量较多，系统控制较为复杂，因此实现无传感器的研究作为了很多学者下一步的研究重点。三闭环控制该方法具备矢量控制系统较强的鲁棒性，但是，由于三闭环控制系统需要在直流侧增加电压传感器，并且需要两组电流传感器分别测量电容电流和网测电流值，因此传感器比较多是其缺点。直接功率控制，不需开展烦琐的解耦控制和坐标变换，对系统的无功功率完成直接的控制，无论算法还是控制系统的结构都比较简单，但其开关频率不固定和死区效应带来的影响给滤波器参数选择造成了一定的麻烦[6]。

分布式发电系统，作为一种可再生绿色能源，越来越收到人们的重视，如何实现绿色电网的有效并网，也受到很多学者的关注。作为微网稳定运行和优化控制的重要环节，本文通过对分布式发电系统并网变换器的分析，研究了基于LCL滤波的PWM整流器并网控制方法，阐述了分布式发电系统并网变换器几种控制策略，分析了微电网并网PWM整流器的数学模型和系统结构，并对控制策略的优缺点进行了比较探讨，为微电网并网技术提供了坚实的理论基础。

参考文献

[1] 丁明，田龙刚，潘浩，等.交直流混合微电网运行控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（9）：1-8.

[2] 唐磊，曾成碧，苗虹，等.交直流混合微电网中AC/DC双向功率变流器的新控制策略[J].电力系统保护与控制，2013，41（14）：13-18.

[3] 陆晓楠，孙凯，GUERRERO J，等.适用于交直流混合微电网的直流分层控制系统[J].电工技术学报，2013，28（4）：35-42.

[4] 蔣平，熊华川.混合储能系统平抑风力发电输出功率波动控制方法设计[J].电力系统自动化，2013，37（1）：122-127.

[5] 桑丙玉，王德顺，杨波，等.平滑新能源输出波动的储能优化配置方法[J].中国电机工程学报，2014，34（22）：3700-3706.

[6] 李小叶，李永丽，张玮亚.基于多功能并网逆变器的电能质量控制策略[J].电网技术，2015，39（2）：556-562.

作者简介

高吉荣，女，山东济宁人;讲师;毕业院校：中国矿业大学，专业：电力电子与电力传动，学历：硕士研究生，职称：讲师，现就职单位：山东理工职业学院，研究方向：分布式发电与智能微电网。