基于LCL 参数优化的新能源微电网并网逆变器控制方法

樊刚强，杨 勇

（河套学院机电工程系，巴彦淖尔 015000）

能源是人类赖以生存和发展的基础，因此对能源的开采活动持续进行，但是面对不可再生的能源资源，开采活动的不间断进行导致能源严重枯竭[1]。在此背景下，寻求绿色可再生能源成为维持人类社会持续发展的唯一出路，以太阳能、风能和水能等清洁可再生能源为主的发电技术兴起并迅速成为当下研究的重点。虽然新能源发电具有广阔的发展前景，但由于其发电方式主要为分布式发电，导致电力能源得不到充分利用，存在能源浪费现象。因此为解决这一问题，人们选择将其并联到微电网。并网逆变器是并联的重要工具，通过该装置能将新能源转换为合格的入网电能，以供人们用电。基于此，并网逆变器的设计和控制会直接关系到并网电流的质量[2]。

并网逆变器输出的电流中存在大量谐波，降低了电流质量，针对这一情况，一般会在逆变器输出侧安装滤波器。LCL 滤波器是现在最常用的并网电流谐波抑制手段，具有较好的抑制效果。但是由于在谐振频率处存在谐振突峰，因此对控制参数的设计要求较高，若参数设计不合理，则不仅达不到预期的谐波抑制效果，还会增加电流畸变的可能性，导致新能源发电系统不稳定[1]。文献[3]提出一种新兴电力技术—分布式能源发电和微电网，为解决能源紧缺问题开辟一条新路经。微电网同传统的大电网以及分布式能源发电系统相比较，微电网的优势明显。微电网接近负荷侧，不需要建设远距离的输电线路，可以大大降低线损指标，节约输电线路建设开支，但该方法的谐波抑制效果差。文献[4]提出了一种新的能量供给系统，通过在配电网中辅以FACTS 器件，借助其在交流控制中相应速度快且灵活的特点，达成对能量供给系统的管理和升级优化，从而充分满足负载侧对电能质量的要求，但该方法的控制效果差。

基于上述研究问题，本文通过优化LCL 参数来改善新能源微电网并网逆变器控制效果。研究分为三部分，首先建立基于LCL 滤波器的新能源微电网并网逆变器数学模型，然后设计并优化LCL 滤波器参数，再提出并网逆变器控制策略，最后进行仿真实验分析，验证本文基于LCL 参数优化的新能源微电网并网逆变器控制方法的有效性。结果表明：本文研究的控制策略达到了预期的谐波抑制效果，同时保证了发现系统的稳定性，实现了本文的研究目的。

1 新能源微电网并网逆变器控制优化方法

滤波器是并网逆变器最好的伴侣，是抑制并网逆变器电流谐波的重要手段。LCL 滤波器是当前应用最广泛的一种滤波器类型，谐波抑制效果要远远好于L 型和LC 型滤波器。然而，尽管LCL 滤波器的滤波特性具有许多优点，但其谐振问题却限制LCL滤波器功能的发挥。本文从LCL 滤波器的相关参数着手，解决滤波器本身存在的谐振问题，改善滤波器谐波抑制效果，继而提高并网逆变器控制效果[4]。

1.1 新能源微电网并网逆变器数学模型

在新能源发电系统中，逆变器一般有多个，组成逆变器并联系统，因此每个逆变单元的输出特性都会对整体电流输出造成影响。为方便分析逆变器输出特性及性能，本文选择常用的三相LCL 逆变器作为对象，建立其数学模型[5-6]。

首先明确基于LCL 滤波器的三相并网逆变器主电路拓扑结构，如图1 所示。图1 中，PV 为光伏阵列，Cdc为直流侧电容，Ck（k=a，b，c）为三相滤波电容，udc为输入侧直流母线电压，uck（k=a，b，c）为三相滤波电容电压，ugk（k=a，b，c）为三相电网电压，uinv为逆变器桥臂输出电压，L1k（k=a，b，c）为三相逆变器侧滤波电感，L2k（k=a，b，c）为三相电网侧滤波电感，i1k（k=a，b，c）为三相逆变器侧电流，igk（k=a，b，c）为三相并网电流ick（k=a，b，c）为三相滤波电容电流，VT1-VT6为三相逆变器开关管。

图1 基于LCL 滤波器的三相并网逆变器结构Fig.1 Structure of three-phase grid-connected inverter based on LCL filter

假定ugk稳定且三相对称，以i1k、igk和uck为状态变量，通过基尔霍夫电压电流定律（KVL、KCL）可以列出逆变系统的a、b、c 相状态空间方程为

式中，dk为逆变系统的数据节点。

由式（1）建立LCL 滤波器的模型，如图2 所示。此处省略了三相符号k，下文亦是如此。

图2 LCL 滤波器模型Fig.2 Model of LCL filter

当ug作为扰动输入量时，得到LCL 滤波器ig和uinv之间的开环传递函数为

通过式（2）可以看出，uinv（s）到输出量ig（s）的传递函数在谐振频率处仍存在谐振尖峰，其最终输出量即入网电流也易发生谐振。

通过以上分析可知，LCL 滤波器的三阶系统会在谐振频率处发生谐振，从而无法有效抑制逆变器的电流谐波，导致发电系统稳定性受到影响，因此解决谐振问题是提高并网逆变器控制质量的主要途径。

1.2 设计LCL 滤波器参数

根据第1.1 节的分析，滤波器的参数直接决定了滤波性能，进而影响新能源微电网并网逆变器控制效果，因此从LCL 滤波器参数设计问题着手，以期解决其谐振尖峰问题。

在LCL 滤波器中，主要有3 个参数影响滤波效果。从这3 个方面着手，进行LCL 滤波器参数设计[7]。

（1）总电感L 参数选择

LCL 滤波器总电感L（L=L1＋L2）可以通过滤波器的输入电流纹波给出，纹波越小，总电感越大[8-9]。并网逆变器要求电感两端的电流纹波控制在额定输出的15%～25%，本文选取电流纹波为20%，由此可以得到总电感L 的下限为

式中：fsw为开关频率；us为电网相电压有效值；udc为直流侧电压；Ppv为光伏陈列输出功率。

（2）滤波电容Ck参数选择

电容的选取不能过大，也不能过小。过大，则对高频分量的滤波处理效果较差；过小，虽然滤波效果较好，但会加大系统功率损耗[10]。因此，可以选取电容无功容量占逆变器总容量的百分比来计算电容值，这个百分比一般为不大于系统额定功率的5%，由此确定滤波电容Ck上限取值为

式中：P 为逆变器额定功率；f1为电网基波频率。

（3）LCL 的谐振频率fres参数选择

为不影响系统稳定性，LCL 滤波器谐振频率应该设置在10 倍基波频率与1/2 的开关频率之间，即

式中，fs为开关频率。

1.3 新能源微电网并网逆变器控制策略

取各个频率段，并结合遗传算法BP（back propagation）神经网络综合实现故障诊断。通过优化LCL滤波器参数可提高滤波器的滤波性能，但是若想在提高滤波性能、抑制谐波的同时保证系统稳定，则需要抑制谐振尖峰。稳定控制就须增加系统的稳定裕度，而谐振尖峰影响系统的稳定裕度，因此增加系统稳定裕度必须对LCL 型滤波器谐振尖峰进行抑制[11-12]。根据已有研究可知，存在谐振尖峰的原因是LCL 滤波器的谐振没有阻尼，因此可以通过给LCL 滤波器直接加入阻尼电阻来抑制谐振，这种方式就是无源阻尼方式。而在大功率应用场合，加入实际的阻尼电阻会导致能量损耗的增加，且由于功率较大，引起阻尼电阻的发热问题，需要对阻尼电阻加上专门的散热装置，增加了成本[13-15]。对LCL 滤波器进行谐振阻尼，还可以通过反馈滤波器电容、电感上的电流和电压，增加阻尼内环的方式进行有源阻尼，为此，本节围绕阻尼抑制谐振尖峰来探讨新能源微电网并网逆变器控制策略。根据阻尼是否有源，可分为有源阻尼控制策略和无源阻尼控制策略，二者对比如表1 所示。

表1 有源阻尼控制策略和无源阻尼控制策略对比分析Tab.1 Comparative analysis of active and passive damping control strategies

有源阻尼控制策略和无源阻尼控制策略各有优缺点，因此本文提出一种采用有源阻尼与无源阻尼协同的新能源微电网并网逆变器控制方法，以弥补两种方法各自存在的缺点，实现优势互补。有源阻尼和无源阻尼协同控制的流程如下。

步骤1初始化滤波器参数L1、L2、Ck以及电网电感Lg。

步骤2设置总阻尼系数ζ，其中有源阻尼系数为ζAD和无源阻尼系数ζPD。

步骤3计算有源阻尼的电流反馈系数λ 和阻尼电阻Rd。

步骤4判断阻尼系数ζ 是否随着电网电感Lg变化。若变化，则回到步骤2；否则，进入下一步。

步骤5检验阻尼设计是否符合本系统。若符合，则输出设计参数；否则，回到步骤2。

这时，有源阻尼和无源阻尼协同控制下的LCL滤波器的传递函数为

混合阻尼系统总的阻尼系数为

利用混合阻尼协同控制新能源微电网并网逆变器的关键在于，以阻尼系数为对象，通过阻尼系数的不断调节实现控制。

2 仿真分析

为验证基于LCL 参数优化的新能源微电网并网逆变器控制方法的可行性，用Matlab/Simulink 仿真软件搭建仿真平台，进行仿真实验。

2.1 仿真实验平台

搭建的仿真实验平台如图3 所示，主要由直流电源、Boost 电路、逆变桥和LCL 滤波器等组成。

图3 基于LCL 滤波器的并网逆变器实验平台Fig.3 Experimental platform for grid-connected inverter based on LCL filter

2.2 基于LCL 滤波器的并网逆变器仿真参数

基于LCL 滤波器的并网逆变器仿真参数如表2 所示。

表2 基于LCL 滤波器的并网逆变器仿真参数Tab.2 Simulation parameters of grid-connected inverter based on LCL filter

2.3 LCL 滤波器参数

在确定开关频率和电网电压等条件之后，计算得到LCL 滤波器参数，结果如表3 所示。

表3 LCL 滤波器参数Tab.3 Parameters of LCL filter

2.4 谐波抑制效果分析

分别采用单一有源阻尼控制方法、单一无源阻尼控制方法以及本文所提方法进行谐波控制，控制结果如图4～图6 所示。

根据图4～图6 可以看出：采用其他两种方法控制并网逆变器时，并网电流波形都明显存在畸变，单一有源控制和单一无源控制的并网电流THD 分别为8.12%和7.58%，总谐波畸变率较高，不符合国家规定的并网电流谐波含量THD＜5%的指标；而采用本文方法控制后，并网电流的THD 仅为0.51%，远远小于国家规定的指标，说明本方法消除了LCL 滤波器的高频谐振尖峰，降低了并网电流总谐波畸变率，提高了并网逆变器输出的电能质量。

图4 单一有源阻尼控制方法谐波控制结果Fig.4 Harmonic control results of the single active damping control method

图5 单一无源阻尼控制方法谐波控制结果Fig.5 Harmonic control results of the single passive damping control method

图6 本文方法谐波控制结果Fig.6 Harmonic control results of the proposed method

3 结语

综上所述，LCL 型滤波器是帮助并网逆变器提高输出电能质量的主要手段，但由于LCL 型滤波器本身存在的谐振突峰问题，导致谐波抑制效果往往达不到要求，甚至还会增加电流畸变的可能性。为此，本文提出一种基于LCL 参数优化的新能源微电网并网逆变器控制方法，经测试，该方法能有效抑制谐波，降低总谐波畸变率。本研究取得了一定成效，但是受研究水平的限制，仅在仿真平台对所提方案进行了验证，没有进行实际物理实验分析，因此下一步希望能够搭建实际实验平台，进行进一步研究。