基于LCL滤波器的三相光伏并网控制系统研究

第卷第期么】刃太阳能学口出篮报】】四年月场口润旧冲乡说场肠似别侧招纯洲切文章编号基于滤波器的三相光伏并网控制系统研究刘飞徐鹏威陈国强陈昌松段善旭华中科技大学电气与电子工程学院武汉,,,,摘要刀滤波器三相光伏并网逆变器首先进行理论分析并建立数学模型其次提出一种极点配置针对采用】与重复控制相结合的并网控制方案最后通过实验验证理论分析的正确性以及控制策略的可行性关健词刀滤波器光伏并网极点配置重复控制文献标识码中图分类号二飞引泛。言并网逆变器的状态空间数学模型主电路拓扑光伏并网发电系统在世界各国的应用越来越广然而根据相关国际标准规定光伏并网逆变器输,习刃如图路以及所示的三相光伏并网逆变器由输人直,出的并网电流波形总谐波畸变率应小于流母线滤波电容个盯开关管的三相全桥电各次谐波畸变率应小于《卜为了使光伏并网逆变组成的三阶滤波器以及由于比滤器输出的并网电流满足如正波器相对传统的单滤波器对高频谐波具等相关国际或欧洲标准对光伏并网发有更好的衰减特性因此选择抚结构的滤波网络来实现并网逆变器与电网之间的连接输出滤波器图所示的系统结构中采用比的滤波网络实电系统的电路拓扑结构以及控制策略都提出了更高的要求。因此本文采用了基于优滤波器的单级式三相并网逆变器的电路拓扑同时提出了一种极点配置现逆变器与电网之间的连接可以很好地适应几千瓦到几百千瓦的大功率变换要求对于这一容量等级的功与重复控制相结合的直接电流控制策略使输出的并网电流的总谐波畸变率以及各次谐波畸变率都可满足以上所提的相关国际标准同时实现并网电流’的正弦化且为单位功率因数〕率变换装置通常采用卿逆变控制技术且开关频率较低的情况在满足相同的并网谐波电流衰减的滤波要求时选择枕滤波器更节约电感磁心材料一二一门图附三相光伏并网逆变器的拓扑结构流朋手一收稿日期双幻犯刀加众刃‘金项目台达教育发展基金通讯作者刘飞卯一男博士主要研究方向为三相并网光伏发电系统研究与设计力太阳能学报卷如图所示相对于单或比滤波器而言在低于谐振频率的部分和单滤波器衰减效果一样相同电感值即二,的情况下比滤波器在而在高于谐振频率部分衰减效果明显优于单滤波邢书印加叨。卜卜卜护器因此在相同的滤波电感能量损耗的情况下滤波器具备更好的滤波效果苗理玛毛墓于比谁波器单相并网逆变器建模滤波器状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关为了建立采用比滤波器的三相并网逆变器的状态空间数学模型这里选择,电感电流,护口、电容电压几凡以及并网电流坛顺率叭坛图相同电感值下与比滤波器的且洲龙图气为状态变量因此可得静止坐标下并网逆变凡且咫冲日衍云日妞优欧器的状态方程如式所示一一石一一一一‘‘丑一…一几一‘‘‘一咄玩嵘几凡,一一一几乙尸一石…﹃厅几…一八‘一…卫氏凡几…一一一期刘飞等基于扰滤波器的三相光伏并网控制系统研究︺一一‘尸李‘一级临锄几肠一一一几一。‘‘气饰吻珠肠石一砚炸叽蜘一一甘︺一一一八将公式经过妞邓变换化简整理后可得在将当成扰动输人时可以得到并网电流人之间的传递函数为,甲坐标系下的优滤波器状态空间方程如式经过妞甲变换后三相与逆变桥输出几。滤波器的状态空间方可知程简化为,阶由式。轴上的状态变量一乙,乙乙几,乙,乙况,屯魄与仔轴上的状态变量‘。标肠没有任何祸合关系并且如果单独观察。轴或月轴状态变逆变电压若将逆变桥输出,当成扰动则可以得到电网之间的传递函数为,量内部的关系就会发现其形式与单相器的状态方程是一致的与并网电流乙,乙乙,由此可得出以下结论平几,凡乙,衡的三相逆变器在进行了。邓坐标变换逆变器一乙「凡,乙尺后可以等效为两个相互独立的单相这里称为逆变器和逆变器因此逆变器控制方式的讨论可以基于单相逆变器展开首先从单相比滤波器可以推得并网输出电流几同并网逆变器的桥臂电压气以及电网电压的关系为一基于极点配置与重复控制相结合的,并网控制方案,〕极点配原理分析由于控制系统的动态性能和稳定性主要取决于,乙,乙乙几儿乙,乙尺谕闭环系统的极点在根平面上的分布因此作为综合系统性能指标的一种形式往往是给定一组期望‘”乙一乙乙动专斋而极点或者根据时域指标转换成一组等价的期望极点极点配置就是通过选择反馈增益矩阵将闭环系统的极点恰好配置在根平面上所期望的位置以获得理想的动态性能由式可见这是一个双输人单输出的三阶线性系统选取滤波电感滤波电容电压输入其中将并网电感电流以及为状态变量凡作为系统的由于采用的优滤波器是三阶系统处理方法是设置两个共扼主导极点另一个极点配置在距虚作为系统的一个扰动输人量则系统的结构框图如图所示轴很远的实轴上,在本系统中可取域下配置后系统的理想极点为一右一土丫。一,泞咸图滤波器控制结构图加示即刃例如根据表。所示的实际系统参数右取曰取许刃在以略小于取滤波器的空载谐振频率肠可得太一阳能学报卷二一日士二一粼采用比滤波的逆变器特性较差具有很高的谐振峰值在中频段具有较大的幅度失真及相位失真经过离散化后可得在一域下系统的理想极点为二日刃土二因此利用状态反馈极点配置对逆变器进行极点配置同时在系统中低频段进行相位补偿使得经过极利用状态反馈计算方法可得状态反馈系数为凡一一榔︺以犯仗犯一一点配置改造后的系统在指令跟踪以及抗电网干扰时具有理想的动态响应特性加入,复控制的直接电流控制策略所以采用状态反馈后的系统状态方程为并网逆变器波形控制是一个指令呈正弦函数变化的伺服系统而不是一个恒值调节系统至于并网系统的扰动是电网电压也是正弦周期变化的在静止和甲坐标系下引人积分控制的效果是有限的无论是对指令还是扰动都不可能实现无静差另外「‘‘‘‘”“「”哪”‘一脱一一仪抖菊,肠以‘北掀几,︸了八,《旧,供以像死区效应这样的非线性因素以及电网电压中含的低次谐波分量都可以等效为多重谐波扰动的叠加配置后系统的’一,传递函数为田矛《叉刃一尽管扰动信号的频率多种多样但如果对其做正弦函数傅里叶分解就可以看到其中蕴含了基波以及基波《旧一频率整数倍的多重谐波它们都服从一个共同特征现以即在每一个基波周期都以完全相同的波形重复出衰毛山三相并网逆变公参傲花,几皿讹标汾股杏肠由于以上原因基于内模原理的重复控制利用一”曰电种重复信号发生器内模其域形式为。“滤波电感二滤波电感几滤波电容口滤波电感等效电阻开关频率刀这是一个周期延迟正反馈环节不论输入信号波形如何只要是以基波周期重复出现该内模的输出就是对输人信号的逐周期累加之所以称其为重复信号由图可以看出经过极点配置后的逆变器具有很好的幅频特性在中低频段增益为一个定值可通过归一化让系统低频增益为零在高频段幅频增益迅发生器是因为即使输人衰减至零该内模仍然会持续不断地逐周期重复输出与上周期波形相同的信号所速衰减对高次谐波具有较好的抑止效果以当这样一个环节被置于反馈控制系统的前向通道由相频波特图可以看出在中低频段系统存在相位误差因此需要对系统的相位进行补偿使得系时它起到的作用与积分环节相似都是对误差的一种累加效果只是重复信号发生器是对误差进行以周期为步长的累加与积分控制的机理类似当指令波形和反馈波形不一致时控制量即统在中低频段的相位误差为零一由于在开环情况下卿川叱邓功调制信号幅度山理娜芝一一印一入护会逐周期无限制地增长因此若系统是稳定的则可以断定稳态时波形误差应为零由于重复控制器有一拍延迟如果将重复控制器直接串联在前向通道上当指令突加时输出量对指令的跟踪速度将受到重复控制器的限制这当然是不希望的实际上重复控制器只须抑制控制对象对原有理划丫一一一一指令的跟踪误差即可所以采用如图的结构更为恰护护’嗯当这种控制结构因此可称为嵌人式,“结构频率卜坛图极点配置后二二波特图砰脚合翻盛肥旅它检测原系统的重复性跟踪误差令上叠加修正量“然后通过在原有指元坛山爬”叨】吐来减小此误差期刘飞等基于优滤波器的三相光伏并网控制系统研究因此针对砚滤波器这样的三阶控制系统提出一种基于状态反馈极点配里和重复控制的混合型控制方案前者致力于改善逆变器动态特性对其稳态精度不做太高要求而后者则专门用于保证稳态指标同时抑制并网电流中的低次谐波两种控制方法相互补充图重复控制系统结构框图击咫邓叨即能满足系统对动态特性的要求也能满足系统对稳加态特性的要求其控制框图如图所示。基于状态反馈重复控制器捻广﹂止队一卫一勺卜仁图仆完整的并网电流波形控制框图吧创加五水勺娜韧璐理军连细玛目曳笋川实验结果为了验证以上分析根据上述方案设计一台三相光伏并网逆变器采用比滤波器的电路……谐波次数八拓扑光伏并网逆变器的实验参数如表所示在实验中由单相整流桥经过不控整流提供母线电压输出并网电流指令峰值为直流为了并网所示由安全光伏并网逆变器与电网之间采用工频变压器隔离并网稳定后的并网实验波形如图图仆坛川刃并网电流谐波分析田回实验波形可看出采用重复控制加极点配置的控制策略可以很好的实现对并网电流波形的控制由于记陀幻结论滤波器的三相光伏并网系统隔离变压器磁心饱和使电网电压含有大量三次谐波如图,习刃在电网电压了扭为并网电流的通过对采用仅为并实现了高功率因数并网的仿真和实验验证了在邓坐标变换下基于状态反馈极点配置和重复控制相结合的并网逆变器控制方案能较好的实现三相光伏系统的并网控制同时能有效降低并网电流波形畸变率使并网电流具备良留车艇︶︵蕊泛翻李田︵匕…几几戒众才丫粤岁”」一窗矶二、好的正弦度最后也证明了采用比滤波的三相喇,并网逆变器系统数学模型推导的正确性参考文献张兴张祟巍孙本新采用电流寻优的训网电盯光伏时间日格阵列并网逆变器的研究〔太阳能学报互巧一以〕图仆并网电流实验波形幼忱亡汪海宁余世杰苏建徽等光伏并网逆变器太阳能学￡报犯卷川」山溉润】暇的设计及控制研究【一伪太阳能学报入刃增刊政曲【肠吻议正万阴棚司张凯基于重复控制原理的控制技术研究【〕武汉华中科技大学逆变器波形幻〔期男一’【」苏建徽余世杰赵模型【【〕为等硅太阳电池工程用数学喇幼凡币功的飞刊此日太阳能学报姗《冷一尸万比日【」沈玉梁徐伟新赵报为等单输人单相调制此内闭词一湘【〕仪万山双的光伏并网发电系统控制规律的研究【碎太阳能学叫一〔〕远倒叨别氏心刊肛粥一翻由一珑几江叫岁阳师妇砚班助嗯脚七朋刃目以奋了肠四彻吧肠如叭自扣滋粉人叭‘叭加七仆均耳初优竹叻伪闭印此助司”犯砰沈师间即犯间优叮,朋耐面颤场即比伴石油比