高谐波电网工况下光伏逆变器控制策略研究

霍现旭; 赵长伟; 张慧颖; 何桂欣; 赵治国; 李练兵 【期刊名称】《《可再生能源》》 【年(卷),期】2019(037)011 【总页数】6页(P1679-1684)

【关键词】并网逆变器; 多级PR控制; 全前馈控制 【作 者】霍现旭; 赵长伟; 张慧颖; 何桂欣; 赵治国; 李练兵

【作者单位】国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300130; 国网天津市电力公司城东供电分公司 天津 300250; 河北工业大学 人工智能与数据科学学院 天津 300130; 天津科林电气有限公司 天津 300130 【正文语种】中 文 【中图分类】TK81 0 前言

光伏（Photo Voltaic，PV）系统中，由于各种因素的影响使得电网电压、电流产生畸变，在输配电线路中产生谐波，影响电能质量。需要采用谐波抑制控制策略保证逆变器侧电压电流稳定，确保并网电流谐波总畸变率（Total Harmonic Current Distortion，THD）满足国家标准要求[1]。

目前，普遍使用有源电力滤波器和无源滤波器抑制谐波。然而，有源滤波器容量有限，且成本高； 无源滤波器易产生谐振而导致系统不稳定，两种方法都存在一定

缺陷[2]。文献[3]设计出多PR控制的并网逆变器，可无稳态误差跟踪并网电流，减少输出电流中特定次数的谐波。文献[4]提出基于准PR 调节器的电流双闭环控制策略，改善了系统鲁棒性，使系统运行更稳定。文献[5]提出电网电压前馈控制策略，增大系统输出阻抗，改善了系统电压质量，但比例前馈控制不能有效消除背景谐波的影响。文献[6]提出常规PR 控制与前馈控制相结合的控制方法，PR 控制在基波频率处增益无穷大，可减小背景谐波对并网电流的影响，前馈控制提高了系统的抗电网电压干扰能力，但该控制策略THD 值降低程度并不明显。

上述控制策略加强了光伏并网逆变器运行时的稳定性。但在实际中，光伏并网系统运行时会出现高次谐波现象，针对此问题，本文在上述研究基础上，提出了一种改进的全前馈控制与多级PR选频补偿控制结合的方法，并进行仿真及实验，通过对电压、电流波形图进行对比，验证了其控制效果。 1 光伏逆变器的数学模型

三相LCL 型光伏并网逆变器由前级Boost 电路和后级全桥逆变电路组成，母线电压稳定在380 V，其拓扑结构如图1 所示。

图1 LCL 型光伏并网逆变器拓扑结构Fig.1 Topology of LCL-type grid-connected photovoltaic inverters

图中：Udc 为直流母线电压；Cdc 为直流侧电容；S1～S6 为三相全桥逆变电路开关管；ν1a，ν1b，ν1c 为逆变器输出电压；i1a，i1b，i1c 为直流侧电感电流；i2a，i2b，i2c为并网侧电感电流；ica，icb，icc 为电容C 的电流；Uga，Ugb，Ugc 为电网电压；R1，R2 分别为滤波电感L1，L2 的等效电阻。

图2 LCL 型并网逆变器双闭环控制及其等效变换框图Fig.2 Double closed loop control block diagram of LCL type grid-connected inverter

LCL 型并网逆变器双闭环控制框图及其等效变换如图2 所示。图中：电感电流反馈为内环，输出电压反馈为外环[7]；Gi（s）为电容电流内环和并网电流外环调节

器的传递函数；Ginv（s）为逆变桥传递函数；Hi1（s），Hi2（s）分别为内、外环反馈系数。 由图2 可知：

逆变器的环路增益为

并网电流iL2 为

式中：iS（s）为并网逆变器等效的电流源，表达式为

式中：Z0（s）为并网逆变器的输出阻抗，表达式为

2 逆变器电网电压全前馈控制的优化

由式（4）可知，逆变器输出电压和电网电压决定并网电流的直流分量，当并网电流能理想跟踪参考值时，逆变器输出电压正比于并网参考电流，因此，并网电流的直流分量等效为并网电流参考值和电网电压。为抑制并网电流中的直流分量，须消除并网参考电流与电网电压中的直流分量，因此引入电网电压前馈控制。电网电压前馈控制的基本原理是对并网电流的电网电压扰动源直接进行采样，增加前馈支路消除扰动源的影响，其原理如图3 所示。

图3 前馈控制等效变换原理图Fig.3 Equivalent transformation schematic diagram of feedforward control

根据前馈控制等效变换原理，在LCL 型并网逆变器双闭环控制框图的基础上引入前馈函数1/GX1（s），调整后其等效变换如图4 所示。

图4 电网电压前馈控制及其等效变换框图Fig.4 Full feedforward voltage

control block diagram and its equivalent conversion

在光伏并网逆变器并网过程中，加入电网电压比例前馈控制，能够消除部分电网电压谐波和不平衡分量对并网电流的影响，但只有比例环节的前馈控制不能完全消除电网高频谐波。

本文使用全前馈控制策略，其原理如图5 所示。该策略由比例、一阶微分和二阶微分3 部分组成[8]，比例部分消除基波，一阶微分部分消除中频谐波，二阶微分部分消除高频谐波，这样能有效抑制各频段谐波，避免对系统动态特性造成影响。由于交流电压采样和逆变器的LCL 滤波器存在滞后现象，这会使电网阻抗电压形成正反馈，降低电流控制的相位裕度，引起振荡，影响并网稳定性。本文在电网电压全前馈控制环节增加滤波环节，提高对电网阻抗的适应性，降低电网电流的稳态误差。

图5 电网电压全前馈控制框图Fig.5 Full feedforward control block diagram of crid voltage 全前馈控制表达式为

式中：GX1（s）为并网电流外环控制器传递函数；GX2（s）为电容电流内环控制器传递函数。 3 配电网谐波抑制策略

本文采用PR 控制器来实现对并网电流的跟踪。PR 控制器系统设计简单，计算方便，能够在基波频率处提供无穷大增益，通过提高逆变器输出阻抗的模值来减小电网电压谐波对电流的扰动[9]，保证系统的快速动态响应和安全稳定运行。要抑制多个频率的电流谐波，就需要对应数量的PR 控制器。在并网发电系统中，应用多级PR 控制器并联控制方法，可实现无稳态误差，减小输出电流中的谐波含量，增强抗电网电压干扰能力。理想的和非理想的PR 控制器（准PR 控制器）的传递函

数为

式中：Kp 为比例项系数；KR 为谐振项系数；ω0 为谐振频率；ωc 为截止频率。 并网逆变器输出电流中主要含有基波、5，7次等谐波及开关频率整数倍附近的高次谐波电流。针对电流中高含量的5，7 次等谐波，接入对应数量的PR 控制器对特定次的谐波进行补偿，如图6 所示。

图6 多级PR 控制并联结构Fig.6 Multilevel PR control parallel structure 在PR 控制器的基础上，并联5，7 次谐波的PR 控制器，从而达到无静差跟踪基波信号、多级PR 选频补偿控制的目的，提高并网电流质量。若要对其他特定次谐波进行补偿，可采用相似方式改变特定谐波次数h 值，控制对11，13 次等谐波进行补偿，即：

在高谐波电网工况下，虽然PR 控制算法控制精度很高，但控制系统的截止频率与电网阻抗值呈负相关，当截止频率低于PR 控制器的谐振频率时，系统会发生不稳定现象。为抑制电网的瞬时扰动，改善系统性能，须要引入电网电压全前馈控制环节。将PR 控制与加入滤波环节的电网电压全前馈控制相结合，其结构框图如图7 所示。

图7 PR 控制和前馈控制策略结构框图Fig.7 Structure block diagram of PR and feed-forward control strategy

这种控制策略不改变系统相角裕度，能够消除电网电压谐波，且有效减小特定次谐波对系统的影响，从而提高电网的电能质量和系统稳定性[10]。 4 实验与仿真 4.1 系统仿真分析

为验证本文所提出的控制策略的可行性，利用Matlab/Simulink 搭建模型进行仿

真。仿真参数：直流侧电压400 V，电网电压有效值为220 V，直流侧电容为2 350 μF，逆变侧电感L1 和L2 分别为1.5，6.5 mH，滤波电容为15 μF，电网基波频率为50 Hz，开关频率为10 kHz，PR 控制器系数Kp 为500，Kr 为100。 对补偿前、后进行仿真，补偿前为常规PR 控制与前馈控制结合控制策略，补偿后为本文提出的多级PR 控制器与优化的全前馈控制结合的控制策略。图8 为补偿前后电网电压电流波形，图9为补偿前后并网总电流THD 值对比图。

图8 补偿前后电压电流波形对比图Fig.8 Comparison of current and voltage wave forms before and after compensation

图9 补偿前后并网总电流THD 对比Fig.9 THD comparison of total grid-connected current before and after compensation

由图8，9 仿真结果表明，采用本文控制方案后，并网总电流THD 由补偿前5.14%下降到0.69%，其中5 次谐波从2.73%下降到0.62%，7次谐波从1.52%下降到0.21%，5，7 次谐波都得到了有效补偿。该方案对光伏并网谐波电流具有良好的抑制作用，能够有效改善并网电压电流，降低5，7 次等特定次频率的谐波含量，明显改善了并网逆变器输出电能的质量。 4.2 实验验证

以TMS320F2808 控制芯片为核心，三相桥式电路为并网逆变器主电路结构，搭建三相10 kW的实验样机。在电网中注入谐波，如图10 所示。

图10 加入谐波后的电网电压波形图Fig.10 Voltage waveform of power grid after harmonics

为验证本文所提方法的实用性，对只有比例前馈和PR 控制器的控制策略与加入改进的全前馈和多PR 控制的控制策略进行对比，如图11 所示。THD 值如图12 所示。由图11，12 可知，在只有比例前馈和PR 控制时，并网电流波形波动程度较大，谐波含量较高，在加入改进的前馈环节和多级PR 控制器并联谐波补偿后，对

谐波能有较好的控制效果。并网电流谐波畸变较小，电流波形有明显的改善，并网总电流THD 值由4.69%降到2.12%，3 次谐波THD 由4.49%降到2.36%，5 次谐波THD 由4.22%降到2.59%，7 次谐波THD 由4.28%降到2.63%。 图11 补偿前后并网电流波形图Fig.11 Comparison of current and voltage waveforms before and after compensation

图12 补偿前后并网电流THD 值Fig.12 THD value of grid-connected current before and after compensation 5 总结

针对高谐波电网工况下的光伏逆变器并网电压、电流的谐波抑制问题，本文对光伏逆变器控制模型进行分析，提出了一种优化的全前馈控制与多级PR 并联控制相结合的方法，实现了对特定次谐波进行补偿，有效减少了电压、 电流谐波含量。通过仿真和实验表明了本文控制策略的有效性与实用性。 参考文献：

【相关文献】

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