基于有源谐波电导法的光伏逆变器集群谐振抑制策略

谷昕鹏，吴 强，李圣清，李小宝，何元铭，沈志超

（1.湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007；2.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412000；3.湖南省光伏智能电网控制工程研究中心，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

近年来，随着可再生能源发电技术的显著发展，光伏发电总量的比例越来越高，我国分布式光伏系统有着开发规模大、集群并网的特点。在并网运行模式下，光伏集群发电系统是由多个逆变器通过公共连接点（point of common coupling，PCC）接入电网[1-3]，以此提高其发电效率。但是，光伏集群系统大多采用LCL 滤波器和网侧阻抗串联形成高阶电网系统，且系统存在固有谐振尖峰，称其为自身谐振；当逆变器集群接入电网后，多逆变器并联还会导致系统发生并联谐振[4]。目前在光伏发电项目中，已有多起因多逆变器并联引起的谐振而导致大规模光伏并网系统瘫痪的案例。因此，对光伏逆变器集群的并联谐振抑制的研究有着深远的意义[5]。

目前，关于光伏逆变器集群并网谐振的抑制手段，已有较多国内外学者对其进行了大量的研究。在逆变器谐振抑制策略方面，LCL 逆变器谐振抑制方法有两种：无源阻尼[6-7]和有源阻尼[8-10]；相对于无源阻尼，有源阻尼不仅控制相对灵活、简便，而且对系统损耗有较明显的降低。文献[11]运用了有源滤波器并联的控制方式，对谐波补偿的同时再对系统谐振进行抑制；文献[12]提出以有源电导法抑制逆变器的低次谐波电流，并对系统谐振进行抑制；但文献[11-12]只对单逆变器光伏系统进行验证，没有研究多逆变器下并网产生的谐振。文献[13]提出了在PCC 点处加入RC 阻尼器，对光伏多逆变器系统谐振尖峰进行抑制，但这种方法增加了经济运行成本，造成系统产生更大的损耗。综上所述，针对逆变器系统谐振问题，一般基于单台逆变器对其进行分析研究，而对于逆变器集群并网谐振问题，目前国内外学者对其抑制有效性的研究探索较少。

因此，为了进一步对光伏逆变器集群的谐振进行研究，本研究从多逆变器并网出发，通过分析系统的传递函数得知光伏逆变器集群系统的谐振原因和谐振特性，在双电流闭环控制下，提出一种有源滤波电导控制方法抑制系统的谐振，最后通过仿真实验验证谐振抑制的有效性。

2 光伏逆变器集群系统模型

光伏逆变器集群系统的拓扑结构如图1所示，采用LCL 型滤波器的光伏集群逆变器系统结构，通过并联公共并网点汇入大电网系统中[1-3]。

图1 光伏逆变器集群系统的拓扑结构Fig.1 Topological structure of photovoltaic inverter cluster system

图1所示光伏逆变器集群并网系统由光伏电源、逆变器、LCL 滤波器、电网这4 部分组成。PV1,PV2,…,PVn为光伏电池阵列；Cd1,Cd2,…,Cdn为直流支撑电容；L1_i、L2_i分别为逆变器交流侧电感和并网侧电感，i=1,2,…,n；Ci为滤波电容；Lg为并网侧电感；Ug、Ig为网侧电压和电流；Ui为输出电压；IL1_1、Ip1分别为流过电感L1_1和电感L2_1的电流；Upcc为系统中公共并网点总线电压；Ip2为第2 台逆变器并联后对第1 台逆变器并网电流的影响。

3 光伏逆变器集群谐振机理及特性分析

3.1 LCL 滤波器谐振频率分析

为简化逆变器结构，以单台光伏并网逆变器的LCL 型滤波器为例进行研究分析，其等效电路图如图2所示，该图为LCL 型滤波器和电网等效阻抗Lg所组成的等效回路。

图2 单台光伏逆变器系统的等效电路图Fig.2 Single photovoltaic inverter system equivalent circuit

由图2可以得知，LCL 型滤波器下光伏逆变器并网在复频域下的数学模型为

式中：

根据式（1）（2）可得：

由函数表达式（3）可知，在给定LCL 滤波器参数的条件下，系统并网电流Ig是由逆变器侧电压U1和并网侧电压Ug来确定，因此单个逆变器并网系统输入为网侧电压、逆变器侧电压；输出为网侧电流系统。把网侧电压视作干扰量，可得出输入电压U1(s)到输出电流Ig(s)的转移导纳Y为

转移阻抗表达式为

当Z=0时，在特定频率下逆变器系统会发生谐振，得出谐振频率为

3.2 光伏逆变器集群并网谐振特性分析

对图1所示逆变器集群拓扑结构进行特性分析，随着并联台数增多时，流过电网阻抗Lg的电流成倍增加。如果将其等效在单台逆变器下，折算到每台逆变器等效电路中相当于线路阻抗成倍增加。由此可知，并联逆变器台数的变化会直接影响电网等效阻抗，并对系统的谐振频率波动产生影响。LCL 型光伏逆变器的等效控制框图如图3所示。

图3 LCL 型逆变器的等效控制框图Fig.3 Equivalent block diagram of LCL inverter

分析图3可以得知，并网电流到逆变器输出电压的传递函数可表示为

式中，Gk（s）的具体函数表达式如下：

将式（2）代入式（7），可得并联n台逆变器的谐振频率为

式（9）中：fLCL为逆变器自身产生的谐振频率；

fn为并网逆变器集群产生的并联谐振频率。

多台逆变器并网频率特性曲线如图4所示。

图4 逆变器集群并网谐振频率的特性曲线Fig.4 Inverter cluster grid-connected resonant frequency characteristic curves

由图4可以看出，当有电网阻抗作用时，系统会出现两种类型的谐振：一种为LCL 逆变器内部谐振fLCL，由图4b 可以看出fLCL谐振频率不会随着并联逆变器的台数和电网阻抗的增加而发生改变；另一种谐振fn是由光伏逆变器集群系统并联所引起的，它与并联逆变器台数、电网阻抗密切相关，由图4a 可以看出，逆变器并联台数增多时，逆变器集群谐振频率向低频范围偏移，其幅值也会随着减小。

通过式（9），可以得到光伏逆变器集群并联台数与并网谐振频率的关系，如图5所示。

图5 逆变器集群并联台数与并网谐振频率的关系曲线Fig.5 Relationship curves between the inverter cluster parallel number and grid-connected resonant frequency

从图5可以看出，逆变器集群自身谐振频率固定不变，不会随着并联台数的增加而变化，而并联谐振的频率会随着并联台数的增加而减小。

4 光伏逆变器集群谐振抑制策略

4.1 基于单台逆变器双闭环控制谐振抑制

本研究首先对单个光伏逆变器进行谐振分析，采用电网电流外环、电容电流内环的双电流闭环控制策略[14]，其控制框图如图6所示。

图6 双电流闭环控制框图Fig.6 Block diagram with dual-loop control

图6中，Go2(s)为双电流闭环控制系统的开环传递函数，KPWM为逆变桥传递增益系数，I*1为系统输入量，Ip为网侧的输出电流。KC为电容电流反馈系数，GPI(s)为PI 控制器，GPI(s)=KP+KI/s，KP为比例系数，KI为积分系数，可得系统开环传递函数为

由式（10）可得系统的开环传递函数的波特图如图7所示。

图7 双电流闭环控制的频率特征曲线Fig.7 Double current closed loop control frequency characteristic curves

由图7a 可知，加入双闭环控制结构后，系统输出电流的谐振尖峰明显下降，可见双电流闭环控制策略对单个逆变器谐振尖峰的抑制效果明显。

4.2 基于逆变器集群有源谐波电导法谐振抑制

引起逆变器集群并网产生谐振的因素很多，包括逆变器自身的LCL 滤波器、系统运行参数和并网侧等效阻抗参数等。对电网侧等效阻抗参数进行改变，通常采用增加RC 阻尼器和其他无源阻尼器，此方法虽然对并网逆变器集群谐振有抑制效果，但是会增加系统建造成本，损耗也会增大[15-17]。

本研究提出一种基于双电流闭环控制的有源谐波电导法，在双闭环控制基础上，且不改变逆变器拓扑结构也不增添传感器的情况下，给谐波电流增加一条电导回路。加入电导回路后的系统结构模型如图8所示。

图8 谐波电导法模型拓扑结构Fig.8 Topological structure of the harmonic conductance model

图8中，YL为并联的有源谐波电导,当IL1_1通过LCL 滤波器,高次谐波电流可通过C1滤波，YL能抑制低次谐波电流流入L2_1和电网中去，流入电网中的电流谐波含量大幅度减少，因此，有源滤波电导能有效避免谐振尖峰的出现。

双电流闭环控制的有源谐波电导法控制框图如图9所示。

图9 电导法控制框图Fig.9 Control block diagram of the conductance method

由图9的控制框图可以推导出系统传递函数为

式（11）中：

式中：YV(s)=1/YVS。

将式（2）代入式（12）可得：

式（13）中：

由式（13）可得出有源谐波电导法控制传递函数波特图，如图10所示。

图10 电导法抑制电路频率特性曲线Fig.10 Frequency characteristic curves of suppression circuit by the conductance method

由图10a 可知，在双电流闭环控制结构的基础上，未加入有源谐波电导，逆变器谐振尖峰明显；加入有源谐波电导，逆变器自身谐振和并联谐振都得到了有效的抑制。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink 中搭建光伏集群逆变器并网系统的仿真模型，模拟并联光伏逆变器接入电网系统，验证加入双电流闭环控制谐波电导法并网谐振抑制效果。系统仿真参数如表1所示。

表1 光伏逆变器集群并网系统仿真参数Table 1 PV inverter cluster grid-connected system simulation parameters

在光伏逆变器集群的三相电网系统中，谐波电流会被分解到dq轴坐标系下，与参考电流、进行计算分析得知，会对控制系统造成影响。因此，系统需要加入滤波器滤掉谐波电流中的交流分量，输出直流信号，使得IV的dq轴直流分量能准确流入控制系统，控制系统选取了截止频率很低的高阶滤波器。

本研究以两台光伏逆变器并网为研究分析对象，并网系统的控制原理如图11所示。同时，以第二台逆变器为例分析其性能，在双电流闭环控制下，对加入有源谐波电导前后三相并网系统电流进行分析，波形变化图和FFT 分析如图12和图13所示。

图11 光伏集群逆变器并网系统控制原理图Fig.11 Control schematic diagram of photovoltaic cluster inverter grid-connected system

图12 加入有源滤波电导前后的三相并网电流Fig.12 Three-phase grid-connected current with the active filter conductance

图13 加入有源滤波电导前后的总谐波分析Fig.13 Total harmonic analysis with and without the addition of the active filter conductance

由图12可知，未加前能观察到网侧电流明显发生畸变现象，而且系统谐振现象比较严重；加入有源谐波电导后网侧电流波形明显改善。由图13可知，经过FFT 分析，改进前总谐波含量THD为9.37%，谐波含量比较高，改进后总谐波含量THD降至2.19%。因此，由仿真结果表明，加入有源谐波电导后，对逆变器系统产生的谐振问题能有效抑制。

6 结语

针对光伏集群逆变器谐振问题，本研究提出了一种基于双电流闭环控制下，加入有源滤波电导的逆变器集群谐振抑制策略。研究表明，加入有源滤波电导对逆变器侧的低次谐波电流有抑制作用，可以有效地防止谐波电流汇入电网系统中，达到抑制光伏集群逆变器谐振的效果。仿真结果表明，本设计的控制策略验证了对光伏集群谐振抑制的有效性，能使逆变器的输出信号安全稳定并入电网系统，确保大电网系统供电的可靠性和安全性。