【文章內(nèi)容簡介】 該方法通過增加控制的復(fù)雜性避免無源阻尼的損耗問題。 LCL濾波器性能指標LCL濾波器性能指標主要包括逆變器側(cè)電感紋波抑制能力、濾波電容和網(wǎng)側(cè)電感抑制高頻諧波的能力、逆變器電感和網(wǎng)側(cè)電感比例關(guān)系對濾波性能的影響、電網(wǎng)電感對濾波器的影響, 下面分別說明性能指標對濾波器的影響。 逆變器側(cè)電感紋波電流抑制電感電容參數(shù)之間的關(guān)系比較復(fù)雜，任何參數(shù)發(fā)生波動都會影響濾波器的性能，針對LCL濾波器的特性主要包括逆變器側(cè)電流紋波、濾波電容的無功電流、濾波電感的壓降和網(wǎng)側(cè)電流的高頻紋波衰減率[11]。紋波電流會使開關(guān)元器件和電感的發(fā)熱升溫，增加功率損耗，縮短元器件的壽命，因此需要衰減逆變器側(cè)電流的紋波[14]。 電網(wǎng)側(cè)電感和濾波電容高頻抑制由于電容對高頻分量呈現(xiàn)低阻抗，增加濾波電容支路是旁路高頻分量，減少高頻分量進入電網(wǎng)。除此之外，電網(wǎng)側(cè)濾波電感和濾波電容組成并聯(lián)電路，要求感抗遠小于容抗，這樣可以保證有效的分流紋波電流。電感是不可缺少的，如果缺失，LCL濾波器將變成L濾波器，電容會被短路，起不到分流的作用[12]。調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)電感大小時，系統(tǒng)的總電感量隨之發(fā)生變化，低頻段越高對應(yīng)的電感值越小，壓降越小，損耗越小，并且三者諧振頻率點不同。電網(wǎng)側(cè)電感增加時，會導(dǎo)致壓降增大，降低濾波器的低頻增益。減少時，相應(yīng)的會使壓降減少，提高濾波器的低頻增益，由于容抗和感抗的比值是固定不變的，故濾波電容增加，基波電壓的容抗減少，可提高逆變器側(cè)的無功電流容量。電感值增加，并且會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。 系統(tǒng)雙端電感比例的影響系統(tǒng)雙端電感包括逆變器側(cè)電感與電網(wǎng)側(cè)電感。逆變器側(cè)的輸出電壓是有上限的，需要給電感設(shè)計一個給定的約束條件，電感值不易過大，如果電感值較大，會增加逆變器側(cè)輸出電壓的損失，低頻段增益衰減[17]。濾波電感和的比值對濾波效果也有很大的影響。 電網(wǎng)電感的影響通常并網(wǎng)系統(tǒng)中。電網(wǎng)會自身帶有電感，可以視為電網(wǎng)側(cè)濾波電感增加了。網(wǎng)側(cè)電感增加會增強濾波電容支路分流高頻電流的能力，同時還降低了諧振頻率和低頻段的增益。 輸出濾波器LCL的設(shè)計輸出濾波器的設(shè)計在光伏發(fā)電系統(tǒng)中是必不可少的，將逆變器產(chǎn)生的脈沖祥式電壓和電流變成連續(xù)變化的模擬量。在系統(tǒng)運行時，經(jīng)過控制逆變橋側(cè)電壓的相位和幅值，可達到改變網(wǎng)側(cè)濾波器電感的相位和幅值，實現(xiàn)無功功率和有功功率的大小和方向的調(diào)節(jié)。并網(wǎng)系統(tǒng)中，低頻時需要增加電感來抑制電流諧波，這不僅增加了壓降，直流電壓給定時，閉環(huán)控制調(diào)節(jié)可能會出現(xiàn)超出線性調(diào)制的范圍。同時也加大了系統(tǒng)的時間常數(shù)，影響動態(tài)響應(yīng)速度。如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)需要逆變器及時作出響應(yīng)，響應(yīng)時間越短越好，也就是說電感值不能過大。本節(jié)詳細分析了濾波設(shè)計的過程，從而得到濾波器的濾波特性。在大容量的場合中，需要大電感來抑制電流諧波，而LCL就解決了這種弊端，它能在不增加電感和開關(guān)頻率的基礎(chǔ)上實現(xiàn)諧波抑制，LCL比單L性能好，并且保證低頻段增益和高頻段衰減。LCL濾波器是三階，即包含兩個電感，一個電容，增加了設(shè)計的難度。但是它存在零阻尼諧振點，會放大諧波。諧振點還會影響到閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要加入阻尼來抑制諧振，此類濾波器的參數(shù)較多，設(shè)計復(fù)雜，本節(jié)的關(guān)鍵問題是進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，從而增加系統(tǒng)的可靠性等[11]。 LCL型濾波器的原理LCL與L不同，它是三階模型，如果設(shè)計不好會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要分析LCL濾波器的整體模型。參數(shù)設(shè)計過程中，除了要滿足網(wǎng)側(cè)電流諧波含量標準外，還要使逆變器側(cè)電流諧波和電容吸收無功功率小。圖31 單相LCL濾波器拓撲結(jié)構(gòu)針對單相LCL頻率特性進行分析和研究圖31所示，是逆變器側(cè)輸出交流電壓，是電網(wǎng)側(cè)電壓，和分別為逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的濾波電感，和分別為對應(yīng)電感的等效電阻，是濾波電容，是電容支路的電阻。相比于L濾波器，LCL濾波器多了和，電容支路對高頻紋波電流呈現(xiàn)低阻抗通路從而旁路高頻電流，電感抑制電流中的高頻紋波。逆變器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電阻、相比于感抗、較小，可以忽略。圖31進行拉普拉斯變換得到濾波器的結(jié)構(gòu)框圖如32。圖中看出，LCL濾波器中，逆變器側(cè)電感支路與網(wǎng)側(cè)電感支路和電容支路并聯(lián)電路串聯(lián)，求出濾波器的傳遞函數(shù)。圖32 LCL濾波器的結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的串聯(lián)阻抗為：（31）逆變器側(cè)電流為，網(wǎng)側(cè)濾波電感和電容分流關(guān)系：（32）由逆變器側(cè)電流和公式（32）帶入可以得到網(wǎng)側(cè)電流：（33）由上式可以得出從逆變器側(cè)電壓到網(wǎng)側(cè)電流的傳遞函數(shù)： （34）在電路濾波器設(shè)計的過程中，功率開關(guān)元器件的紋波是設(shè)計的主要依據(jù)。在給定紋波衰減率的條件下，可以由式（34）得出兩個電感和電容的約束關(guān)系。但是滿足上述關(guān)系的參數(shù)可以是多組的并不唯一這給LCL濾波器的設(shè)計增加了難度，需要分析LCL濾波器的運行特性，找出電感和電容的約束條件。 LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計本節(jié)對LCL濾波器的參數(shù)進行了設(shè)計，了解了LCL濾波器的工作原理，以及參數(shù)對濾波器的影響。從系統(tǒng)的角度看，若找出參數(shù)之間的關(guān)系進行設(shè)計是比較困難的。因此需要找出重要性能指標，濾波器中電感總量和諧振頻率的限制條件。LCL濾波器本質(zhì)是可以歸類到低通濾波器。在設(shè)計過程中，濾波器的總電感量過大會造成電壓損失，還會使整個設(shè)備的重量增加、體積變大、成本提高，如果總電感量過小，則會降低電路中高頻分量的濾波效果，因此需要嚴格控制濾波器的總電感。簡而言之，LCL濾波器要對高頻分量分流，濾波電感和濾波電容決定了分流的效果。同時電感和電容存在諧振，參數(shù)設(shè)置不當，發(fā)生諧振會增加諧振頻率處的諧波含量，會嚴重污染電網(wǎng)[8,14,17]。在設(shè)計LCL濾波器的時，參數(shù)的設(shè)置將是一個反復(fù)迭代的過程，驗證參數(shù)是否滿足給定限制條件。 LCL濾波器高頻濾波性能忽略電阻、,分別求出采用LCL和L型濾波器的并網(wǎng)逆變器中并網(wǎng)電流與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系式如式(35)和式(36)所示[11,12]:(35)(36)令,利用Matlab繪出L型和LCL型濾波器博德圖，如圖33所示：如圖33 相同電感值下L型與LCL型濾波器的博德圖由圖33可見，LCL 濾波器高于諧振頻率時是以?60d B/dec 衰減，而濾波器是以?20d B/dec 衰減。因此，LCL 濾波器對高次電流諧波具有更好的衰減效果。在低頻時，兩者頻率響應(yīng)的斜率都是?20d B/dec。這就意味著在低頻時，LCL 濾波器可以被當作電感值為的一個等效電抗器。由于兩種結(jié)構(gòu)的濾波器在高頻時對諧波衰減不同，因此在同樣的濾波效果的情況下，LCL濾波器總的電抗器值要比純電感濾波器中的電抗器值小，濾波器的損耗也小些，正是因為這些優(yōu)點，可以在大功率設(shè)備上應(yīng)用，所以LCL濾波器在高頻PWM整流、電流源型并網(wǎng)逆變以及并聯(lián)型有源濾波的場合應(yīng)用也越來越廣泛[1215]。 LCL濾波器參數(shù)設(shè)計的約束條件（1）LCL 濾波器的電容將引起無功功率增加，從而降低功率因數(shù)。為了保證系統(tǒng)的高功率因數(shù)，一般限制電容吸收的無功功率低于額定功率的5%。（2）總電感值要小于，即，否則需要較高的直流電壓來保證電流的控制性，這將會增大功率開關(guān)的損耗。（3）為了避免開關(guān)頻率附近的諧波激發(fā)LCL 諧振，諧振頻率應(yīng)遠離開關(guān)頻率，一般小于，但不能過小，否則低次諧波電流將通過LCL 濾波器得以放大。一般諧振頻率在十倍的基波頻率到開關(guān)頻率的一半之間。（4）需增設(shè)阻尼電阻防止諧振，但阻值不能太大，以免帶來過多的損耗，從而降低了效率。 LCL濾波器參數(shù)計算(1)電感的計算： （37）U為網(wǎng)側(cè)相電壓有效值，為諧波電流峰值，為開關(guān)頻率。(2)總電感值的約束條件： （38）其中為直流母線電壓，為網(wǎng)側(cè)相電壓峰值，為相電流峰值,且 （39）(3)計算電容C可先確定諧振頻率，再根據(jù)公式： （310）計算得電容C的值；也可以取電容消耗的無功功率為總功率的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。(4)電容所串電阻 （311）有很多的限制條件，滿足有功功率和無功的控制要求，總結(jié)如下：（1）濾波電容吸收的無功盡量少；（2）逆變器側(cè)電流紋波盡量少；（3）諧振頻率避免與開關(guān)頻率及其倍數(shù)附近重合；（4）提高逆變器電壓對電網(wǎng)側(cè)電流控制。 本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是說明了LCL濾波器參數(shù)對濾波器工作性能有很大的影響，主要從其性能指標分析，包括逆變器側(cè)電感紋波抑制能力、濾波電容和網(wǎng)側(cè)電感抑制高頻諧波的能力、逆變器電感和網(wǎng)側(cè)電感比例關(guān)系對濾波性能的影響、電網(wǎng)電感對濾波器的影響。LCL相比于L、LC濾波器使用的電感值小，高頻處的諧波含量少，并分析了LCL濾波器的原理和LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計的約束條件，詳細分析了參數(shù)對濾波器性能的影響，并給出了設(shè)計參數(shù)的標準。第4章 并網(wǎng)逆變器控制方法的研究第4章 并網(wǎng)逆變器控制方法的研究圖41是以并網(wǎng)電感電流為外環(huán)、電容電流為內(nèi)環(huán)的基于LCL型濾波器的三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的雙電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖[6]，其中內(nèi)環(huán)用的是比例積分補償器，外環(huán)調(diào)節(jié)器用的是比例積分補償器，指令電流為和,同時結(jié)合同步矢量電流比例積分(proportional integral,PI)調(diào)節(jié)器的SPWM方法實現(xiàn)開關(guān)管的開通與關(guān)斷，使電流源型LCL濾波并網(wǎng)逆變器輸出電流的相位完全與電網(wǎng)電壓相位一致，保證向電網(wǎng)輸送電流的總諧波含量(total harmonic distortion,THD)符合 IEEE 9292000 等標準要求。系統(tǒng)中采用了PI補償器。因為PI補償器不能夠?qū)θ嘟涣麟娏鲗崿F(xiàn)無靜差控制。那么要使PI補償器能夠良好地完成并網(wǎng)交流電流零穩(wěn)態(tài)誤差控制，在這里就必須把三相靜止坐標系下的正弦交流量轉(zhuǎn)變成兩相直流量（同步旋轉(zhuǎn)坐標系下），使被控量由交流量變成直流量。圖41 三相并網(wǎng)逆變器的直接電流控制框圖把三相給定的指令電流進行坐標變換成兩個直流量（其中三相給定指令電流、兩個直流量是常數(shù)，而為0）。式子（41）的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系是從三相靜止坐標系變換得到，“”里的“0”是假設(shè)的0軸，以湊成方陣。 （41） 如式子（42）所示，其中的三相靜止坐標系下的三個交流量、是由兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的兩個直流量和轉(zhuǎn)變得到，從而為SPWM調(diào)制提供前提。 （42） 逆變器的輸出電流控制策略圖42 逆變器交流側(cè)的等效電路其中, 為電網(wǎng)電壓，為逆變器各橋之間的輸出電壓，為并網(wǎng)電流，與、之間的關(guān)系如下：(43)其中電網(wǎng)可以看作是無限大的理想電壓源，在式（43）中，若濾波參數(shù)不變，主要是和、相關(guān)，作為系統(tǒng)的擾動量，作為系統(tǒng)輸入，我們就能夠列出和的關(guān)系如下： (44)圖43 LCL并網(wǎng)逆變器的控制模型經(jīng)過大量相關(guān)資料的研究和分析[2,8,12,20]，我們可以確定，以LCL濾波器的電容電流 作為內(nèi)環(huán)反饋量，電感電流作為外環(huán)的電流雙閉環(huán)控制策略能夠使得系統(tǒng)控制性能得到有效改善，而且這種方法避開了在LCL濾波電容上串接阻尼電阻給系統(tǒng)所帶來的弊端，更保證了LCL原有的良好濾波特性，也就是說，在這里運用以并網(wǎng)電流為外環(huán)LCL電容電流為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略能夠滿足本系統(tǒng)在各方面的要求。如圖44所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：圖44 基于、的電流雙閉環(huán)控制策略為了抑制諧振尖峰增加系統(tǒng)阻尼，消除電流中的高頻開關(guān)諧波分量，在這里以電容電容電流作為內(nèi)環(huán)控制變量，以忽略系統(tǒng)控制精度的情況下使其滿足對穩(wěn)定性的要求。以電感電流作為外環(huán)控制變量，要有較高的穩(wěn)定性。綜上所述，以比例補償器補償器作為，以比例積分補償器作為補償器。根據(jù)圖44計算出電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)： （45），,，將這些關(guān)系式代入（45），得到系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)： （46）其中,，。 鎖相環(huán)節(jié)的工作原理逆變器輸出電壓電流同頻同相才能并網(wǎng)供電，所以控制器的設(shè)計中都要設(shè)置鎖相環(huán)節(jié)。 鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱是PhaseLocked Loop,簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來[18]。 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)，因為通過鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時基的相位都是同步的，從而采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴格地在同一時刻進行數(shù)據(jù)采集。鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)：鎖相環(huán)路是一個相位反饋自動控制系統(tǒng)。它由以下三個基本部件組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）。其組成方框圖如圖45所示：圖45 鎖相環(huán)的基本方框圖鎖相環(huán)的工作原理： 1. 壓控振蕩器的輸出經(jīng)過采集并分頻； 2. 和基準信號同時輸入鑒相器； 3. 鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓； 4. 控制VCO，使它的頻率改變； 5. 這樣經(jīng)過一個很短的時間，VCO 的輸出就會穩(wěn)定于某一期望值。 當電網(wǎng)電壓平衡時，電網(wǎng)電壓只存在正序分量，此時，兩相靜止αβ坐標系和同步dq坐標系中的實際電壓矢量和鎖相環(huán)輸出電壓矢量位置如下圖所示。實際電壓矢量以同步坐標系中d軸定向，顯然當鎖相環(huán)處于準確鎖相時，Vpll和V應(yīng)該是完全重合的，即 。