三電平并網(wǎng)逆變器拓撲中LCL濾波器的應(yīng)用

隨著能源枯竭和環(huán)境污染問題的曰益嚴峻，各國對綠色能源的渴求越來越緊迫，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，而且要滿足各電網(wǎng)公司對并網(wǎng)電能質(zhì)量提出的要求，其中對電流諧波分量及總諧波畸變率的規(guī)定相對嚴苛。然而，并網(wǎng)逆變器通常采用高頻PWM的電流源控制，會導(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

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)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。由于在橋臂相電壓中含有3個電平，故可輸出比傳統(tǒng)兩電平拓撲更平滑的線電壓波形，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)逆變器拓撲中，逆變橋通過LCL濾波器連接到電網(wǎng)，使高頻諧波分量衰減更快，進一步改善并網(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。可見，LCL濾波器較L濾波器有更好的高頻衰減特性，但卻存在諧振問題，會使諧振點附近諧波含量增加，嚴重時將造成系統(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穩(wěn)定系統(tǒng)。這種方法簡單可靠，不用改變算法，但由于阻尼電阻損耗的存在，會使系統(tǒng)效率有所下降。另一種方法是通過算法來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到抑制效果，并且不會引起系統(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模擬sRC部分，以實現(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，但對諧振點的抑制效果增強。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。

相位補償

LCL濾波型并網(wǎng)逆變器直接通過反饋網(wǎng)側(cè)電流進行控制，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隨著并網(wǎng)電流的不同有所改變，無法做到單位功率因數(shù)并網(wǎng)或可控功率因數(shù)運行。

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)來補償該相位差，將電容支路瞬時功率q軸分量經(jīng)低通濾波器作為控制系統(tǒng)無功電流給定進行相位補償。

實驗

設(shè)計了基于TMS320F28335型DSP為控制器的10 kW三電平三相光伏并網(wǎng)逆變器實驗裝置。實驗參數(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，開關(guān)頻率2 250 Hz。下面對有源阻尼控制及相位補償方法進行實驗驗證。

圖7為未加入有源阻尼控制的網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形?？梢?，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)致過流保護。

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償環(huán)節(jié)后的網(wǎng)側(cè)電流實驗波形。可見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％，說明虛擬阻尼電阻對抑制諧振有明顯效果，且所采用的相位補償方案也準(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償方案。對采用LCL濾波器的中點箝位三電平并網(wǎng)逆變器進行了實驗，驗證了串聯(lián)型虛擬電阻算法在中點箝位拓撲中可代替阻尼電阻將諧振點附近的21次諧波含量降至0．51％，能有效抑制網(wǎng)側(cè)電流諧振。