基于自适应陷波的光伏逆变器谐振抑制方法

李圣清，沈志超，彭自然，何元铭，谷昕鹏

(1. 湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007；2. 光伏微电网智能控制技术湖南省工程研究中心，湖南株洲412007)

0 引言

近年来, 分布式可再生能源发电量在全国总发电量中的比重逐年增加[1-2], 而并网逆变器作为光伏阵列与大电网之间的接口装置, 显得尤其重要。为了对并网逆变器装置进行优化, 提高系统稳定性, 越来越多组串式光伏逆变器被应用于光伏并网系统[3-4], 传统集中式光伏逆变器无法达到每个光伏阵列最大功率点跟踪 (maximum power point tracking, MPPT) 效率, 在多台逆变器并联的集群系统中采用组串式并网逆变器, 不仅能够实现所有光伏阵列MPPT 控制, 而且多个光伏阵列与逆变器构成的发电单元并联接入电网能够提升系统的容错率[5-6]。然而, 西部地区的光照更加充足, 经过长距离传输线路将系统与公共电网相连使线路阻抗无法被忽视, 导致公共电网显弱电网特性[7]。在这类情况下, 并网逆变器与电网阻抗发生谐振, 原有控制方法失效, 并网失败。

上述谐振问题严重阻碍了规模化光伏发电技术的发展, 因此, 国内外学者提出了大量抑制谐振的方法。文献 [8] 提出在公共耦合点处增加自适应有源阻尼器以确保并网系统稳定, 并采用陷波器及比例多谐振补偿器消除低次谐波。文献 [9] 提出采用双二阶滤波器并在线修正陷波器频率, 但是以上方法均未验证多台逆变器并联时的情况。文献[10] 在不改变逆变器拓扑结构的前提下, 提出了分支电压与电流双反馈协同控制的方法, 但是仅建立了单相逆变器并联模型, 未验证三相逆变器是否适用。文献 [11] 从频域角度研究了单台并联逆变器的阻抗模型, 并进一步分析多逆变器并联的陷波控制方法, 但是没有考虑电网阻抗对系统稳定性的影响。

针对这些问题, 文中首先对弱电网情况下的LCL 型组串式光伏逆变器系统结构及LCL 滤波器特性进行分析, 然后在传统陷波器控制的定电网阻抗系统谐振抑制效果差的基础上, 提出采用准被动测量方式实时测量电网阻抗, 更新改进后的陷波器及QPR 控制器参数, 得到系统的控制结构框图并对比分析其稳定性, 最后通过Matlab 搭建两台组串式光伏逆变器集群系统证明所提谐振控制方法能有效抑制谐振。

1 组串式光伏集群并网系统

1.1 系统结构

组串式光伏逆变集群系统结构如图1 所示。

图1 中, 光伏并网系统包括光伏电池板、升压电路、逆变器、LCL 滤波器和弱电网这5 个部分。PVi为组串式光伏阵列, 其中,i＝1, 2, 3…,n。MPPT 为光伏阵列的最大功率点跟踪模块。由直流侧电感Ldci、稳压电容Cdci和二极管、三极管构成的DC/DC 变换器与DC/AC 变换器组成了两级式变换器, 通过LCL 滤波器与弱电网相连。uPCC为公共耦合点电压。弱电网包括阻抗Rg、Lg和电网电压ug。iL1n、iL2n、ig分别为逆变器侧电感电流、网侧电感电流、并网电流。

图1 组串式光伏逆变器集群系统结构

1.2 LCL 滤波器特性分析

LCL 滤波器由逆变器侧电感L1i、弱电网侧电感L2i和滤波电容C1i构成,RL1i与RL2i为滤波电感的寄生电阻。由文献 [12] 可知, 弱电网中的阻性分量能够增加系统的阻尼, 提高系统稳定性。为验证所提控制方法在系统谐振最严重情况下的抑制能力, 假设文中弱电网为纯感性, 即阻抗只含有Lg。单台逆变器的LCL 滤波电路如图2 所示。

图2 LCL 滤波电路

若忽略寄生电感, 由图2 得uinv至并网电流ig的开环传递函数为:

式中,A＝L11(L21+Lg)C11,B＝ (L11+L21+Lg),ωres为LCL 滤波器的谐振角频率, 则谐振频率表达式为:

由文献 [13] 可知, 当并网逆变器台数增加到n时, 谐振频率为:

通过式 (3) 可得谐振频率与并联台数及电网阻抗间关系如图3 所示, 随着逆变器并联台数n增加或电网阻抗Lg增大, 谐振频率fres减小, 在n≥200 时,fres值稳定。

图3 谐振频率与并联台数及电网阻抗间关系

对谐振频率fres、电网阻抗Lg与控制器参数优化可知, 电网阻抗实时测量环节必不可少。

2 传统组串式光伏逆变器谐振抑制方法

相较于L 型滤波器, LCL 型滤波器阶数较高,存在谐振尖峰, 因而需要增加系统阻尼来抑制谐振。

目前, 使用最广泛的两种抑制谐振尖峰的方法为: 一是无源阻尼法, 加入实际电阻；二是有源阻尼法, 既可通过改变系统控制结构增加系统阻尼,如电容电流反馈有源阻尼法, 也可通过在系统前向通道中加入滤波环节, 例如, 在图4 传统控制结构框图中加入虚线框内所示滤波环节。

图4 传统控制方法框图

文中采用陷波滤波器, 并引入并网电流反馈。其中,Ga(s) 为 PI 电流控制器,Ga(s)＝kp+ ki/s,逆变器等效增益KPWM＝1。陷波滤波器传递函数如式 (4) 中GN(s) 所示, 其中Q为陷波品质,ωa为陷波角频率。

结合式 (4) 及图4 可得传统控制方法的系统开环传递函数为:

GN(s)中ωa＝2πfa, 经化简可得双二阶陷波器传递函数为:

由图5 可知, 加入陷波器可抑制由LCL 滤波器带来的特定谐振频率fres处的谐振尖峰, 而不影响其他频率。

图5 LCL、Notch 伯德图

结合式 (5)、(6) 可得系统开环传递函数为:

电网阻抗对系统稳定性影响如图6 所示, 由于弱电网下电网阻抗Lg的不确定性, 在Lg逐渐增大的情下, 谐振频率fres不断减小, 系统幅值减小,稳定性降低, 相角在fres处发生-180°跳变从而引发系统谐振。

图6 电网阻抗对系统稳定性影响

3 自适应陷波的组串式光伏逆变器谐振抑制方法

3.1 系统控制结构

为了解决传统控制方法带来的系统稳定性差的问题。首先将PI 控制器替换为QPR 控制器能够更好地无静差追踪特定频率, 如文中所需的fres。

式中,kp为比例系数；kr为谐振系数；ω0为基波角频率；ωi为截止角频率。装机容量 3GW 以下电网频率通常为50 Hz±0.5 Hz, 式 (8) QPR 传递函数中的2ωi虽然使fres处的增益减小, 但是引入了一个较大的带宽, 以此来减小电网频率波动带来的影响。

然后, 对式 (6) 中涉及到的比例系数m1、m2进行选取。由图 7、8 可知, 图 7 中比例系数m1、m2由 2×10-4、2×10-1减小或增大到 0.2×10-4、0.2×10-1、5×10-4、5×10-1时,m1/m2不变, 则陷波深度不变, 带宽随m1、m2减小而减小；图 8 中比例系数m1、m2由 5×10-4、5×10-1减小或增大到5×10-6、5×10-1, 5×10-2、5×10-1时,m1/m2改变,则带宽不变, 陷波深度随m1/m2减小而增大。

图7 m1/m2 不变时的陷波器伯德图

图8 m1/m2变化时的陷波器伯德图

最后, 得出改进后控制方法框图如图9 所示。

图9 改进后控制方法框图

由图9 可得改进后系统开环传递函数为:

式中,

3.2 参数自适应系统

电网阻抗值实时变化的特性导致系统需要相应的高精度测量方法以解决其与系统谐振频率的关联性。

3.2.1 电网阻抗自适应

电网阻抗准被动测量方式如图10 所示, 采用小信号注入法, 在检测到电网阻抗变化Rest大于或等于阈值时启动主动测量。分别采集两台并网逆变器电网侧电感电流送入Lg准被动测量模块, 得到更新后的Lg等效至L2中。

图10 电网阻抗准被动测量方式

式中,ik＝kTs,ik-1＝ (k-1)Ts；ik-2＝ (k-2)Ts；Ts为系统采样时间。

3.2.2 电流控制器自适应

采用QPR 控制器, 引用文献 [14] 中的参数设计原则, 可计算出QPR 控制器中所涉及的参数kp、ωi、kr。但是, 由文献 [15] 可知, 为保证系统良好的相位裕度 (Phase Margin, PM), 需要提高系统开环增益, 保持系统带宽不变。因此, 设实时测得谐振频率为fb, 则有谐振频率fa与fb比值的平方α为:

在低频段忽略滤波电容带来的高阶项, 可得仅并网电流反馈的系统开环传递函数为:

将α代入式 (12) 可得:

则有优化函数F(α) 与自适应QPR 函数为:

综上所述, 改进后系统伯德图如图11 所示,与图6 比较可知, 谐振点处波形平滑, 系统稳定。

图11 改进后系统伯德图

4 仿真验证

为验证改进后集群谐振抑制方法的正确性及有效性, 文中使用Matlab/Simulink 搭建了两台组串式光伏逆变器系统的仿真模型, 控制原理如图12所示, 系统所涉及参数见表1。

图12 2 台组串式光伏逆变器并网系统控制图

表1 系统参数

以第二台逆变器为例, 改进前后并网电压电流波形, 并网电流 FFT 分析分别如图 13、14、15所示。

图13 Lg ＝1 mH 时改进前的并网电压电流波形

图14 Lg ＝1 mH 时改进后的并网电压电流波形

图15 Lg ＝1 mH 时改进前后的并网电流FFT 分析

由图15 可知, 改进前并网电流波形畸变严重,谐波含量THD 为8.42%, 在加入改进后的陷波器及电网阻抗自适应控制后谐波含量THD 减小到3.10%, 系统谐振得到有效抑制。此外, 由于电网电压的背景谐波电压, 改进后的FFT 分析中含少量 3、5、7 次低次谐波。

考虑实际电网环境下电网阻抗值会有波动, 在Matlab 中, 当电网阻抗在0.15 s 时由4 mH 减小为1 mH, 为验证系统动态性能, 分别对加入自适应陷波前后的系统进行仿真, 仿真波形如图16、17所示。

图16 未加入自适应陷波的并网电流波形

图17 加入自适应陷波的并网电流波形

由图16 可知, 未加入自适应陷波的系统并网电流在0.15 s 后发生波动且系统无法保持稳定, 而图17 中加入自适应陷波的系统, 首先在0.15 s 时检测到电网阻抗发生改变, 然后在0.02 s 内重新测量和分配电网阻抗值, 并更新系统参数, 最后并网电流经过短暂波动后恢复稳定, 系统也趋于稳态。

5 结论

文中针对弱电网情况下组串式逆变器集群谐振问题, 提出了一种基于改进型陷波器的谐振抑制方法, 该方法通过伯德图分析电网阻抗对并网系统的影响, 得出以下结论:

1) 并网系统中谐振频率与并网逆变器台数和电网阻抗成负相关, 电网阻抗与并网系统稳定性成负相关。

2) 加入电网阻抗准被动测量模块后, 电流控制器QPR 及陷波器传递函数能得到实时更新。

3) 在多台逆变器并联接入系统时, 改进后的并网系统能快速分配每台逆变器网侧电感值, 有效抑制系统谐振。