【正文】 1. 緒論隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求迅速增長(zhǎng)，電力部門(mén)大多把投資集中在火電，水電以及核電等大型集中電源和超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)的建設(shè)上，但是，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸現(xiàn)，成本高，運(yùn)行難度大，難以適應(yīng)用戶(hù)越來(lái)越高的安全和可靠要求以及多樣化的供電需求。其次，文章討論了LCL 濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，給出了系統(tǒng)LCL 濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟。隨著這些新能源發(fā)電系統(tǒng)的日益推廣，逆變器的使用也越來(lái)越多。如何獲得高質(zhì)量的電流成為研究的焦點(diǎn)。最后，在詳細(xì)闡述各元件的取值原則與計(jì)算步驟的基礎(chǔ)上，給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，并對(duì)所設(shè)計(jì)的逆變器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，根據(jù)該方案設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)能夠使三相并網(wǎng)逆變器安全、可靠運(yùn)行且具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。尤其在世界范圍內(nèi)發(fā)生幾次大面積的停電事故后，電網(wǎng)的脆弱性充分暴露了出來(lái)，這不得不引發(fā)人們思考和憂慮，一味地?cái)U(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模顯然不能滿(mǎn)足未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的要求。因此，在分布式發(fā)電接入和切出電網(wǎng)過(guò)程中，都會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生注入電壓閃變，電壓波動(dòng)，頻率偏移等負(fù)面影響，所以電力系統(tǒng)經(jīng)常采用隔離限制的方式對(duì)分布式發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行。如圖11近年來(lái)微電網(wǎng)的研究不僅在理論方面取得較大的進(jìn)展，另一方面，國(guó)際上眾多示范工程及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也相繼建立起來(lái)，為微電網(wǎng)應(yīng)用的研究奠定了基礎(chǔ)：美國(guó)，CERTS的微電網(wǎng)項(xiàng)目已在俄亥俄州的Dolan技術(shù)中心進(jìn)行了物理裝置的測(cè)試。國(guó)內(nèi)關(guān)于微電網(wǎng)的研究也取得的長(zhǎng)足的發(fā)展。因此，就微電網(wǎng)應(yīng)用研究而言，我國(guó)目前在國(guó)際上的知名度和影響力還較為有限，另一方面也表明國(guó)家電監(jiān)會(huì)及各電網(wǎng)公司等部門(mén)的政策支持下，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在此領(lǐng)域還大有可為。發(fā)展新能源，充分利用綠色能源，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。人們一直在電力電子技術(shù)的發(fā)展中探索一條“綠色”之路，對(duì)逆變裝置而言，“綠色”的內(nèi)涵包括電網(wǎng)無(wú)諧波，單位功率因數(shù)，以及功率控制系統(tǒng)的高性能，高穩(wěn)定性，高效率等傳統(tǒng)逆變裝置所不具備的優(yōu)越性能。 PWM逆變器的研究現(xiàn)狀光伏、風(fēng)力等并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風(fēng)機(jī)和并網(wǎng)逆變器等組成，在可調(diào)度式系統(tǒng)中，還會(huì)配備蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。將PWM控制技術(shù)應(yīng)用于逆變器始于20世紀(jì)70年代末，但由于當(dāng)時(shí)諧波問(wèn)題不突出，加上受電力電子器件發(fā)展水平的制約，PWM逆變器沒(méi)有引起充分的重視。在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功率開(kāi)關(guān)損耗。此外，由于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)(ZVS、ZCS)在減小開(kāi)關(guān)損耗、抑制電磁干擾、降低噪聲等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在電壓型PWM逆變器設(shè)計(jì)上受到了廣泛的重視，并得以迅速發(fā)展。其他分類(lèi)方法就主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，均可歸類(lèi)于電流型或電壓型PWM逆變器之列。具體器件的開(kāi)關(guān)順序選擇，根據(jù)控制目的的不同也存在多種控制方式，如方波逆變控制，正弦波PWM逆變控制等。三相電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的首選。通過(guò)加大網(wǎng)側(cè)濾波電感的值，可以減小諧波。1995年， 濾波器代替原有的單電感濾波器，來(lái)解決上述問(wèn)題。 由于LCL 濾波器的濾波電容的分流作用，使整流器的電流控制系統(tǒng)由一階變?yōu)槿A，控制更為復(fù)雜，并且在某些高次諧波電流下，LCL 濾波器的總阻抗接近零，將導(dǎo)致諧振效應(yīng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。無(wú)源阻尼法可用于任何成熟的控制策略，最常見(jiàn)的是基于無(wú)源阻尼的無(wú)差拍控制；另一種方法叫做“有源阻尼法”，它是通過(guò)修正控制算法使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，消除共振作用，該方法通過(guò)增加控制的復(fù)雜性避免無(wú)源阻尼的損耗問(wèn)題?；贚CL 濾波器的PWM 整流器控制策略的另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是不平衡控制，現(xiàn)有的不平衡控制策略有改進(jìn)的正負(fù)序電流獨(dú)立控制策略和三閉環(huán)控制策略等。但是傳統(tǒng)的直接功率控制策略沒(méi)有電流內(nèi)環(huán)，不能采用已有的有源阻尼方法。通過(guò)檢測(cè)交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓來(lái)估算系統(tǒng)的虛擬磁鏈，從而算出系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率，然后與給定值進(jìn)行比較，偏差值送入開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表，產(chǎn)生控制脈沖。網(wǎng)側(cè)虛擬磁鏈估算中用電網(wǎng)電流和電容電流來(lái)估算PWM 整流器交流側(cè)電流。2004，F(xiàn)elipe Espinosa 等人提出了改進(jìn)的矢量無(wú)差拍控制策略。其優(yōu)點(diǎn)是，減少了傳感器的數(shù)量，只需要檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓和電流，其余量由狀態(tài)估計(jì)器算出。2005年， 和Jan Svensson 提出了改進(jìn)的正負(fù)序電流獨(dú)立控制策略，這種控制策略的原理跟基于L濾波器的原理相似。電流控制采用雙內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，第一內(nèi)環(huán)是網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)，第二內(nèi)環(huán)是電容電流內(nèi)環(huán)。在矢量控制的基礎(chǔ)上引入了電容電流內(nèi)環(huán)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三閉環(huán)的控制策略是專(zhuān)門(mén)針對(duì)LCL 濾波器提出的，這種控制策略對(duì)不平衡電網(wǎng)電壓有較強(qiáng)的魯棒性，但是其原理復(fù)雜，控制器較難設(shè)計(jì)；直接功率控制是近年來(lái)較為新穎的一種控制策略，它是從常規(guī)三相電壓源型PWM逆變器的控制中延伸而來(lái)，控制原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用查表技術(shù)，也便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，但其開(kāi)關(guān)頻率不固定給濾波器參數(shù)選擇帶來(lái)一定困難。我們處在一個(gè)“移動(dòng)”的時(shí)代，移動(dòng)辦公，移動(dòng)通訊，移動(dòng)休閑和娛樂(lè)。工頻逆變器的頻率為50～60Hz的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為40Hz到十幾kHz；高頻逆變器的頻率一般為十幾kHz到MHz。凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器，稱(chēng)為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負(fù)載的逆變器稱(chēng)為無(wú)源逆變器。按逆變器主電路的形式分，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。按直流電源分，可分為電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）。圖21 組合式逆變器組合式逆變器一般由三個(gè)相同的單相低頻環(huán)節(jié)或高頻環(huán)節(jié)逆變器星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成,且能夠?qū)崿F(xiàn)單相和三相四線制供電。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏移問(wèn)題,需要保證直流側(cè)的兩個(gè)串聯(lián)電解電容足夠大,才能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電容上平均分擔(dān)直流電壓。圖23 三相全橋逆變器 逆變器的工作原理[4]用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路，但在三相逆變電路中，應(yīng)用最廣的還是三相橋式逆變電路，采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路如圖23所示的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器件就可以了，但為了分析方便，畫(huà)作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出了假想中點(diǎn)，和單相半橋、全橋逆變電路相同，電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式也是180176。下面來(lái)分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形，對(duì)于U相來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)， 因此，的波形是幅值為的矩形波。負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由的波形求出U相電流的波形。把橋臂5的電流加起來(lái)，就可得到直流側(cè)電流的波形，每隔60176。 基于LCL濾波器的PWM逆變器數(shù)學(xué)模型LCL 濾波的高頻PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖24 所示。因此，對(duì)此狀態(tài)方程進(jìn)行abc→αβ 變換，按照式（216），（217）的轉(zhuǎn)換矩陣，可得αβ坐標(biāo)系下的LCL 濾波器狀態(tài)空間方程為： （223） 然后進(jìn)行αβ →dq根據(jù)式（220），（221）的變換矩陣，可得dq坐標(biāo)系下的LCL濾波器狀態(tài)空間方程為： （224）式中:——三相電網(wǎng)電壓的基波角頻率 ——三相電網(wǎng)電壓矢量的d，q 軸分量——三相濾波電容電壓矢量的d，q 軸分量——整流器交流側(cè)電壓矢量的d，q 軸分量 ——三相電網(wǎng)電流矢量的d，q 軸分量——整流器交流側(cè)電流矢量的d，q 軸分量 由式（224） 所示的LCL 濾波器的結(jié)構(gòu)框圖。 鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱(chēng)是PhaseLocked Loop,簡(jiǎn)稱(chēng)PLL。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，鎖相環(huán)是一種非常有用的同步技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個(gè)采樣時(shí)鐘。它由以下三個(gè)基本部件組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。當(dāng)沒(méi)有基準(zhǔn)（參考）輸入信號(hào)時(shí)，環(huán)路濾波器的輸出為零（或?yàn)槟骋还潭ㄖ担－h(huán)路一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號(hào)與環(huán)路的輸入信號(hào)（參考信號(hào)）之間只有一個(gè)固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒(méi)有頻差存在。 逆變器的SPWM調(diào)制方式分析SPWM(正弦脈寬調(diào)制)是調(diào)制波為正弦波，載波為三角波的一種脈寬調(diào)制法，這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多種作用，是一種比較好的波形改善法。載波為全波三角波，頻率為,幅值為。下面是單極性SPWM調(diào)制方式的原理：圖23為單極性SPWM調(diào)制原理圖，這種調(diào)制方式使用半波三角波作為載波，當(dāng)大于零時(shí)，載波為正的半波；當(dāng)小于零時(shí)，載波為負(fù)的半波。從上述過(guò)程中看出，在輸出波形中包含有，0和三個(gè)狀態(tài)，因此這種調(diào)制方式也被稱(chēng)為三態(tài)調(diào)制（對(duì)應(yīng)得，雙極性調(diào)制也被稱(chēng)為兩態(tài)調(diào)制）圖28 單極性SPWM調(diào)制原理在前面介紹的兩種SPWM調(diào)制方式中，橋臂中點(diǎn)間輸出電壓的頻率與器件的開(kāi)關(guān)頻率相同，而倍頻式SPWM調(diào)制則可以在不改變器件開(kāi)關(guān)頻率的條件下使得橋臂中點(diǎn)間輸出電壓的頻率提高一倍，從而可以在不增加開(kāi)關(guān)損耗的情況下將諧波頻率提高一倍，大大減小了輸出濾波器的體積。由于在正半周內(nèi),的高電平區(qū)恒寬于的低電平區(qū)，所以TT3沒(méi)有同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻而使得輸出電壓中只包含和0兩個(gè)電平，而在負(fù)半周則輸出圖電壓中只包含0和兩個(gè)電平，所以這也是一種三態(tài)調(diào)制。通過(guò)綜合選擇，確定雙極性倍頻SPWM調(diào)制為本文所采取的調(diào)制方式。優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可以忽略濾波電容的影響，相當(dāng)于單L濾波并網(wǎng)，控制器易于設(shè)計(jì)。網(wǎng)側(cè)電感L2有時(shí)可以用電網(wǎng)側(cè)電感Ls代替，但是Ls不能太小。缺點(diǎn)：① 設(shè)計(jì)需要確定三個(gè)自由參數(shù)：兩個(gè)電感、一個(gè)電容，并要綜合考慮紋波衰減率、濾波電感電壓降、電容無(wú)功電流、逆變橋紋波電流等因素，具有一定難度。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了自動(dòng)控制理論中系統(tǒng)穩(wěn)定的180176。但是阻尼電阻的引入不但產(chǎn)生了較大的損耗，同時(shí)增大了電容支路的高頻阻抗，影響了濾波效果。 LCL濾波器的選定逆變電源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)本質(zhì)上為電流源，高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染的高次諧波，其輸出電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。一般的LC濾波器，雖然其結(jié)構(gòu)和參數(shù)選取簡(jiǎn)單，但無(wú)法平抑輸出電流的高頻紋波，容易因電網(wǎng)阻抗的不確定性而影響濾波效果。本章設(shè)計(jì)一種利用隔離變壓器漏感的LCL濾波器，本文對(duì)傳統(tǒng)的LCL濾波器加以改進(jìn)，利用隔離變壓器漏感，減少了一個(gè)電感，在降低成本的同時(shí)顯著減少并網(wǎng)電流的直流分量，有效抑制諧波污染，提高并網(wǎng)電流質(zhì)量。在matlab環(huán)境中實(shí)現(xiàn)程序?yàn)椋篗atlab程序編寫(xiě)：L濾波器或LC濾波器 num=[1]。 bode(num,den) 圖32 L濾波器的bode圖圖33 LCL濾波器的bode圖L濾波器的幅頻特性為一條直線,其高頻衰減特性較差,而LCL濾波器為三階系統(tǒng),其高頻衰減效果顯著。一般采用在已有控制策略的基礎(chǔ)上增加阻尼作用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 濾波器參數(shù)變化對(duì)濾波性能的影響（1）電感L 決定整流器橋臂電流紋波。和并聯(lián)支路的引入增大了串聯(lián)阻抗，減小了。橋臂紋波電流不能太大，因?yàn)榧y波電流過(guò)大不僅會(huì)使IGBT 結(jié)溫波動(dòng)增大，對(duì)功率器件壽命造成不利影響，還會(huì)加大L 的損耗，使其升溫增加，降低絕緣材料的壽命。電感電容的加入將一個(gè)一階的電感濾波電路改造成為一個(gè)三階電路，在改善濾波器過(guò)渡特性的同時(shí)，也給高頻分量提供了低阻通路，以減小注入電網(wǎng)的高頻分量。因此，LCL 各參數(shù)的設(shè)計(jì)需要配合。（3）為了避免開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波激發(fā)LCL 諧振，諧振頻率應(yīng)遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)頻率，但不能過(guò)小，否則低次諧波電流將通過(guò)LCL 濾波器得以放大。且 （310）(3) 計(jì)算電容C可先確定諧振頻率，再根據(jù)公式： （311）計(jì)算得電容C的值；也可以取電容消耗的無(wú)功功率為總功率的5%，利用約束條件：，其中,且其中E為網(wǎng)側(cè)線電壓有效值，為基波頻率。然而，由于LCL濾波器是一個(gè)三階系統(tǒng)，如果沒(méi)有引入適當(dāng)阻尼作用，其諧振會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。以直接電流控制方案為討論前提，目前常見(jiàn)的有源阻尼法包括虛擬電阻法。 基于無(wú)源阻尼的單電流環(huán)控制方案的設(shè)計(jì)[7] 基于LCL濾波的并網(wǎng)逆變器較早的控制策略是采用無(wú)源阻尼的單環(huán)控制策略，該策略的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以使用較少的傳感器，控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不足的地方是采用無(wú)源阻尼，會(huì)增加功率損失，尤其在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，電阻上的功率損耗會(huì)更多，并且可能導(dǎo)致發(fā)熱量巨大，就要額外加散熱片，雖然減少了傳感器，但可能由于電阻造成的功率損失、額外增加的散熱設(shè)備，長(zhǎng)期看來(lái)，成本不一定會(huì)減少。 圖34 基于無(wú)源阻尼的并網(wǎng)逆變器原理圖可得系統(tǒng)線性控制模型： 圖35 基于無(wú)源阻尼的線性控制系統(tǒng)模型 計(jì)算PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]得LCL濾波器的傳遞函數(shù)： （313）將逆變器等效為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié): 又的數(shù)值很小，忽略不計(jì)，則F(s)化簡(jiǎn)為： （314）進(jìn)而可得被控對(duì)象的傳遞函數(shù)： （315）且已知PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 其中τ=hT整定為II型系統(tǒng)后為： （316）且典型II型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （317）其中選定h，濾波器參數(shù)、C和的值，即可計(jì)算出K，然后可得即，且電容所串電阻為：