三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

摘

要：逆變器是光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的核心元件，其性能直接影響光伏并網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。針對(duì)LCL型濾波器諧振尖峰，研究分析了6種無(wú)源阻尼方法。采用電容支路串電阻法抑制諧振尖峰，設(shè)計(jì)了基于并網(wǎng)電流反饋無(wú)源阻尼的三相LCL型光伏逆變器結(jié)構(gòu)，并對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，仿真驗(yàn)證了逆變器結(jié)構(gòu)的有效性和參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，為創(chuàng)新港概念廠項(xiàng)目實(shí)施光伏發(fā)電提供了技術(shù)參考和指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；LCL型逆變器；并網(wǎng)；無(wú)源阻尼；參數(shù)設(shè)計(jì)0引言面對(duì)資源匱乏、能源短缺、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題，光伏、風(fēng)力等新能源發(fā)電迅猛發(fā)展，成效顯著。隨著國(guó)家雙碳政策的出臺(tái)，光伏產(chǎn)業(yè)并網(wǎng)發(fā)電受到政策扶持和鼓勵(lì)。在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，作為耗能大戶的污水處理廠開(kāi)始著眼于利用光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。污水處理廠擁有占地面積大、空間開(kāi)闊的天然優(yōu)勢(shì)，將光伏并網(wǎng)發(fā)電引入污水處理項(xiàng)目，不僅可以降低自身用電成本，還可實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境和水環(huán)境污染減排的雙贏，促進(jìn)污水處理企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的能量傳遞裝置，在向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量電能的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。并網(wǎng)逆變器的逆變器橋輸出電壓中含有豐富的開(kāi)關(guān)諧波，為抑制開(kāi)關(guān)諧波導(dǎo)致的并網(wǎng)電流諧波，需要在逆變器中引入濾波器，LCL型濾波器與L型濾波器相比具有更好的諧波抑制能力和衰減特性，因此被廣泛應(yīng)用。創(chuàng)新港項(xiàng)目設(shè)想采用前瞻的構(gòu)思、獨(dú)特的創(chuàng)意和最新的科技成果打造城市污水處理“概念廠”，以探索中國(guó)環(huán)境保護(hù)未來(lái)的發(fā)展方向，改變?nèi)藗儗?duì)污水處理的理念，由高能耗高物耗向能源化資源化方向發(fā)展。概念廠力求大幅提高污水處理廠能源自給率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，充分利用太陽(yáng)能產(chǎn)能供給廠區(qū)耗能。為指導(dǎo)創(chuàng)新港概念廠項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電，本文將設(shè)計(jì)一種光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型分析濾波器諧振機(jī)理，根據(jù)幅頻特性曲線對(duì)比L型濾波器和LCL型濾波器的濾波特性，并闡釋LCL型濾波器的諧振現(xiàn)象。為抑制諧振尖峰，研究分析了6種基于無(wú)源阻尼的濾波器支路串并聯(lián)電阻方法。采用電容支路串聯(lián)電阻的無(wú)源阻尼控制方法抑制諧振尖峰，設(shè)計(jì)了一種基于并網(wǎng)電流反饋無(wú)源阻尼的三相LCL型光伏逆變器結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。1三相LCL型并網(wǎng)逆變器諧振機(jī)理分析三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，Udc為由光伏電池組件提供的直流輸入電壓，I1為逆變器側(cè)電流，LCL型濾波器由逆變器側(cè)濾波電感L1、濾波電容Cf和網(wǎng)側(cè)濾波電感L2構(gòu)成，VT1～VT6代表三相逆變器的6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，I2為電網(wǎng)電流，Ug為電網(wǎng)電壓。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，任選圖1中的某一相進(jìn)行研究，忽略各個(gè)電感中的伴生電阻，得到其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。將電網(wǎng)電壓Ug看成擾動(dòng)輸入信號(hào)us，可得：繼而可以得到并網(wǎng)電流is（s）與輸出電壓u（s）的傳遞函數(shù)：同理可得L型濾波器并網(wǎng)電流is（s）與輸出電壓u（s）的傳遞函數(shù)：為分析LCL型濾波器諧振機(jī)理和濾波特性，繪制式（2）和式（3）的幅頻特性曲線，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，諧振點(diǎn)前L型濾波器和LCL型濾波器幅頻特性曲線基本一致，說(shuō)明兩者在該頻域?yàn)V波特性相同。LCL型濾波器在頻率大約為104（諧振點(diǎn)）處產(chǎn)生一個(gè)正向諧振尖峰，同時(shí)相位發(fā)生180°的跳變。高頻段，LCL型濾波器幅頻特性曲線的衰減速率是L型濾波器的3倍，因此LCL型濾波器抑制高次諧波效果更佳，更適用于并網(wǎng)逆變器。2LCL型濾波器無(wú)源阻尼方法LCL型濾波器存在嚴(yán)重的諧振尖峰，需要適當(dāng)?shù)淖枘岵呗詠?lái)抑制諧振尖峰，避免其可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。阻尼諧振最直接的方法是在LCL型濾波器電感或電容上串聯(lián)/并聯(lián)電阻，即無(wú)源阻尼方法。無(wú)源阻尼方法依據(jù)阻尼電阻不同的放置位置可以分成6種，如圖4所示：電感L1串聯(lián)（R11）或并聯(lián)（R12）電阻，電感L2串聯(lián)（R22）或并聯(lián)（R21）電阻，電容C串聯(lián)（R32）或并聯(lián)（R31）電阻。根據(jù)圖4所示逆變器并網(wǎng)電流與輸出電壓之間的傳遞函數(shù)繪制6種LCL型濾波器無(wú)源阻尼法的頻率特性，如圖5所示。由圖5（a）和（c）可知，逆變器側(cè)或電網(wǎng)側(cè)電感串聯(lián)電阻，電阻大小影響幅頻特性，阻值越大，諧振尖峰抑制效果越明顯，但會(huì)導(dǎo)致濾波器低頻段增益降低，削弱對(duì)高頻諧波的抑制能力。由圖5（b）和（d）可知，逆變器側(cè)或電網(wǎng)側(cè)電感并聯(lián)電阻，隨著電阻值的減小，阻尼效果更好，諧振尖峰的抑制作用更顯著，然而，高頻段增益的減小影響了高頻諧波衰減能力。由圖5（e）和（f）可知，濾波電容支路串聯(lián)電阻，電阻值越大，阻尼效果越好，當(dāng)電阻值為電容容抗的4%左右時(shí)，基本完全抑制了諧振尖峰；濾波電容并聯(lián)電阻不會(huì)影響低頻段和高頻段濾波特性，但阻尼損耗較大。綜上所述，濾波電容串電阻的方法因其簡(jiǎn)單且損耗小被廣泛應(yīng)用，因此本文設(shè)計(jì)的三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器采用濾波電容串聯(lián)電阻的方法來(lái)抑制諧振尖峰。3三相LCL型并網(wǎng)逆變器參數(shù)設(shè)計(jì)3.1

逆變器側(cè)濾波電感L1參數(shù)設(shè)計(jì)濾波電感L1的大小取決于逆變器側(cè)電流紋波?i，電流紋波太大會(huì)造成電感的損壞過(guò)大，一般規(guī)定電流紋波為額定電流的15%到25%，濾波電感L1與電流紋波?i的函數(shù)關(guān)系：式中：Udc、Ug、fs和Pn分別為直流電壓、電網(wǎng)電壓、采樣頻率和額定功率。3.2

逆變器側(cè)濾波電容Cf參數(shù)設(shè)計(jì)濾波電容能夠抑制逆變器系統(tǒng)輸出電流的諧波，同時(shí)產(chǎn)生無(wú)功功率。電容Cf越大，產(chǎn)生無(wú)功越多，造成的損耗越大。電容Cf較小，則諧波衰減效果不佳，無(wú)法滿足并網(wǎng)電流的諧波衰減要求。因此，電容Cf應(yīng)合理設(shè)計(jì)。一般而言，電容產(chǎn)生的無(wú)功功率應(yīng)小于系統(tǒng)額定功率的5%，即：式中：f為電網(wǎng)頻率。3.3

網(wǎng)側(cè)濾波電感L2參數(shù)設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)濾波電感L2的設(shè)計(jì)要綜合考慮，濾波電感太大會(huì)降低逆變器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而太小會(huì)影響諧振頻率，并且增加整個(gè)系統(tǒng)損耗。網(wǎng)側(cè)濾波電感L2與逆變器側(cè)電感L1滿足如下關(guān)系式：式中：K為系數(shù)，0＜K＜1。不同的K值會(huì)使LCL型濾波器呈現(xiàn)不同的幅頻特性，如圖6所示?？梢钥闯?，系數(shù)K越小，諧振頻率越大，高頻諧波抑制能力越差。系數(shù)K大到一定程度時(shí)，諧振頻率和高頻諧波抑制能力差別并不顯著，故本文選取系數(shù)K=0.5。3.4

濾波電容Cf參數(shù)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證一般設(shè)計(jì)要求諧振頻率fres在10倍電網(wǎng)頻率和0.5倍采樣頻率之間，即：將設(shè)計(jì)的L1、L2、C的值代入式（7），得出系統(tǒng)的諧振頻率為：經(jīng)計(jì)算fres=1

450.7

Hz，因f=50

Hz，fs=10

kHz，所以10f≤fres≤0.5fs滿足諧振頻率限制條件。因此，可以驗(yàn)證逆變器側(cè)電感L1、網(wǎng)側(cè)電感L2和濾波電容Cf的取值是合理、有效的。3.5

阻尼電阻Rd參數(shù)設(shè)計(jì)阻尼電阻Rd的取值一般為諧振頻率時(shí)容抗的1/3，即：3.6

PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)當(dāng)并網(wǎng)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器Gi（s）采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，其傳遞函數(shù)可表示為：式中：Kp和Ki分別為比例和積分增益。根據(jù)PI控制器閉環(huán)傳遞函數(shù)，由勞倫斯穩(wěn)定判據(jù)取值。4仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析為驗(yàn)證圖7電流反饋無(wú)源阻尼三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)的有效性，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，其中，光伏電池組用直流電壓代替，電網(wǎng)電壓Ug=380

V、直流電壓Udc=800

V、電網(wǎng)頻率f=50

Hz、阻尼電阻Rd=3.63

Ω、L1=3.3

mH、L2=1.65

mH、Cf=10.9

μF、采樣頻率fs=10

kHz、Kp=10.7、Ki=1085。并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的仿真波形如圖8所示，可以看出設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變器通過(guò)直接電流控制方法使得輸出電流逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波，且波形平滑、無(wú)明顯畸變，良好地實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)要求。功率因數(shù)仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出通過(guò)閉環(huán)控制設(shè)計(jì)的逆變器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。5結(jié)語(yǔ)本文為設(shè)計(jì)三相LCL型光伏并網(wǎng)逆變器，