三電平并網(wǎng)逆變器拓?fù)渲蠰CL濾波器的應(yīng)用

隨著能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的曰益嚴(yán)峻，各國(guó)對(duì)綠色能源的渴求越來(lái)越緊迫，使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)得到了空前發(fā)展。并網(wǎng)逆變器作為連接電池板與電網(wǎng)的核心設(shè)備，不僅要完成直流到交流的電能轉(zhuǎn)換，而且要滿(mǎn)足各電網(wǎng)公司對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量提出的要求，其中對(duì)電流諧波分量及總諧波畸變率的規(guī)定相對(duì)嚴(yán)苛。然而，并網(wǎng)逆變器通常采用高頻PWM的電流源控制，會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)電流中含有高次諧波。由于LCL濾波器較L濾波器對(duì)高頻諧波有更好的衰減特性，因此在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

原理與設(shè)計(jì)

LCL濾波三電平并網(wǎng)逆變器

圖1為基于LCL濾波的二極管箝位型三電平并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于在橋臂相電壓中含有3個(gè)電平，故可輸出比傳統(tǒng)兩電平拓?fù)涓交木€(xiàn)電壓波形，從而在相同濾波電感量下可得到諧波含量更小的并網(wǎng)電流。在三電平并網(wǎng)逆變器拓?fù)渲?，逆變橋通過(guò)LCL濾波器連接到電網(wǎng)，使高頻諧波分量衰減更快，進(jìn)一步改善并網(wǎng)電流質(zhì)量。

LCL濾波器有源阻尼控制

根據(jù)理論分析，可得網(wǎng)側(cè)電流與逆變器橋臂電壓函數(shù)關(guān)系的波特圖見(jiàn)圖2。LCL濾波器參數(shù)：Ls=1．5 mH，Lt=2 mH，C=25μF；L濾波器參數(shù)：L=3．5 mH?？梢?jiàn)，LCL濾波器較L濾波器有更好的高頻衰減特性，但卻存在諧振問(wèn)題，會(huì)使諧振點(diǎn)附近諧波含量增加，嚴(yán)重時(shí)將造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為了抑制LCL濾波器的諧振，在工程中通常給電容支路上串聯(lián)或并聯(lián)一定值的電阻，利用電阻的阻尼作用來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)。這種方法簡(jiǎn)單可靠，不用改變算法，但由于阻尼電阻損耗的存在，會(huì)使系統(tǒng)效率有所下降。另一種方法是通過(guò)算法來(lái)抑制諧振的有源阻尼控制，如在控制閉環(huán)中采用虛擬電阻、超前滯后環(huán)節(jié)、雙帶通濾波器、電容支路電壓高頻分量、遺傳算法、虛擬阻尼功率等方法亦可達(dá)到抑制效果，并且不會(huì)引起系統(tǒng)額外的損耗。由于虛擬電阻有源阻尼控制法物理意義明確，易于實(shí)現(xiàn)，因此得到了一些應(yīng)用。

圖3為在LCL濾波器電容支路串聯(lián)電阻后，逆變器網(wǎng)側(cè)等效結(jié)構(gòu)框圖，經(jīng)變換后可以等效為圖4所示結(jié)構(gòu)，其中虛線(xiàn)框內(nèi)為采用L濾波器逆變器網(wǎng)側(cè)等效結(jié)構(gòu)圖。

虛擬電阻有源阻尼控制的思想就是采用算法來(lái)模擬sRC部分，以實(shí)現(xiàn)與電容支路串入電阻相同的阻尼作用。圖2中，LCL濾波器串入2 Ω和5 Ω電阻后，隨著電阻的增加，雖然高頻段的濾波衰減減慢，但對(duì)諧振點(diǎn)的抑制效果增強(qiáng)。圖5為模擬電容支路串電阻的虛擬電阻有源阻尼環(huán)節(jié)，將其增加到系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)中以抑制諧振。

相位補(bǔ)償

LCL濾波型并網(wǎng)逆變器直接通過(guò)反饋網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行控制，屬于不穩(wěn)定系統(tǒng)，所以通常采用逆變器側(cè)電流作為反饋量進(jìn)行閉環(huán)控制以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。但由于電容支路的存在，使網(wǎng)側(cè)電流與電網(wǎng)電壓存在相位差，并且相位差的大小會(huì)隨著并網(wǎng)電流的不同有所改變，無(wú)法做到單位功率因數(shù)并網(wǎng)或可控功率因數(shù)運(yùn)行。

圖6為并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制框圖。這里將電容支路電流反饋到控制閉環(huán)來(lái)補(bǔ)償該相位差，將電容支路瞬時(shí)功率q軸分量經(jīng)低通濾波器作為控制系統(tǒng)無(wú)功電流給定進(jìn)行相位補(bǔ)償。

實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335型DSP為控制器的10 kW三電平三相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：網(wǎng)側(cè)電壓220 V，電網(wǎng)諧波10．5％，橋臂電感2 mH，網(wǎng)側(cè)電感1．5 mH，濾波電容25μF，并網(wǎng)功率5．8 kW，開(kāi)關(guān)頻率2 250 Hz。下面對(duì)有源阻尼控制及相位補(bǔ)償方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7為未加入有源阻尼控制的網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形?？梢?jiàn)，電流波形發(fā)生明顯諧振畸變，且電流幅值持續(xù)增加，最終發(fā)散導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)。

圖8a，b所示，加入2 Ω虛擬阻尼電阻后網(wǎng)側(cè)電流波形有所改善，電流與電壓存在電容支路引起的相位差，THD=14．1％。網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量主要集中在諧振點(diǎn)附近，以21次諧波含量最多，其含量為5．75％。圖8c，d為加入5 Ω虛擬電阻并且增加相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)后的網(wǎng)側(cè)電流實(shí)驗(yàn)波形?？梢?jiàn)電流與電壓同頻同相，THD=4．47％。在諧振頻率附近的21次諧波含量明顯降為0．51％，說(shuō)明虛擬阻尼電阻對(duì)抑制諧振有明顯效果，且所采用的相位補(bǔ)償方案也準(zhǔn)確可行。

分析了LCL濾波并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)電流相位差的原因，提出一種反饋電容支路電流低頻分量的相位補(bǔ)償方案。對(duì)采用LCL濾波器的中點(diǎn)箝位三電平并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了串聯(lián)型虛擬電阻算法在中點(diǎn)箝位拓?fù)渲锌纱孀枘犭娮鑼⒅C振點(diǎn)附近的21次諧波含量降至0．51％，能有效抑制網(wǎng)側(cè)電流諧振。