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1、分布式电源及并网技术 电器与能效管理技术(2016No1)基于LCL滤波器光伏并网发电系统控制策略综述术吴文昌， 杨 秀， 张美霞(上海电力学院电气工程学院，上海200090)摘要：为抑制LCL滤波器谐振问题，提出了多种无源阻尼与有源阻尼技术，主要包括多环控制策略和状态反馈等。为便于工程人员能够选择合适的阻尼技术，从多方面分析比较了引入不同反馈变量的多环控制策略以及不同种类的状态反馈控制特点。同时还介绍了其他类型的阻尼谐振技术。关键词：光伏并网发电系统；LCL滤波器；有源阻尼；多环控制策略；状态反馈中图分类号：TM 615文献标志码：A文章编号：2095-8188(2016)0l-0049-0
2、6吴文昌(1991一)，男，硕士研究生，研究方向为光伏发电系统并网控制、电能质量。Overview of Control Strategy for PV Grid-ConnectedGeneration System Based on LCLFilterWU Wenchang， YANG Xiu， ZHANG Meixia(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China)Abstract：Passive damping and active damping
3、techniques were put forword to suppress LCLfilter resonanceActive damping techniques have better performance of LCLfilter resonance suppression effect than passive dampingtechnology，it mainly includes multiloop control strategies and state feedback control strategiesFor convenienee ofengineering sta
4、ff selecting appropriate damping technologies，the characteristics of multiloop control strategies anddifferent kinds of state feedback control strategies were introduced from various aspectsOther damping resonancetechniques were also introducedKey words：grid-connected photovoltaic power system；LCL-励
5、ter；active damping；multiloop controlstrategies；state feedback0 引 言因具有清洁无污染、可再生等特点，在过去的十多年间，光伏发电取得快速发展。随着光伏发电渗透比例不断提高，光伏并网引起的电能质量问题日益引起关注。如光伏发电产生的谐波电流注人到配电网中，将会引起馈线有功损耗增加、节点电压畸变率超标、保护装置误动等问题。LCL滤波器因性价比高、滤除高次谐波效果好等优点心J，在电压源型变流系统(VoltageSource Converter，VSC)中获得了广泛应用，其中也包括光伏发电系统。已有研究表明，采取直接电流控制时，LCL滤波器谐
6、振会对系统的稳定性与并网电流质量产生影响旧1。为提高并网电流质量，常用的做法是引入无源或有源阻尼技术来抑制LCL谐振波峰。有源阻尼技术抑制LCL滤波器谐振特性更好，主要包括引入不同反馈变量的多环控制策略与基于复杂理论的状态反馈控制。为了方便工程人员选择合适的阻尼技术，从系统稳定性、抗干扰能力、实现难度以及成本等方面，对不同种类有源阻尼技术进行了比较分析。杨秀(1972一)，男，博士，教授，研究方向为分布式发电与微电网的运行与仿真。张美霞(1979一)，女，硕士，副教授，主要研究方向为微电网运行与需求侧管理。基金项目：国家自然科学基金项目(71203137)；国网上海市电力公司科技项目(5209
7、401350BW)-49龠硒万方数据电器与能效管理技术(2016No1) 分布式电源及并网技术1 含LCL滤波器的光伏发电系统并网特性三相光伏并网发电系统拓扑，由光伏阵列、MPPT装置、电压源型逆变器、控制系统、LCL滤波器等组成，如图1所示。其中，L为逆变侧滤波电感、L：为网侧滤波电感、c，为滤波电容、电阻R。代表桥臂开关损耗及线路损耗；i。i。b、i。为逆变侧输出电流，i：。、i：。、2c为并网电流。含LCL滤波器的光伏并网发电系统稳定运行时，系统应满足以下要求H剖：对给定电流具有较好的跟随能力；外界参数发生不确定性波动时，LCL滤波器仍具有较好的谐振特性，光伏发电系统仍能可靠并网。理论分
8、析表明，在不附加任何阻尼措施情况下，LCL滤波器的固有谐振特性会对并网发电系统的稳定运行造成影响，为确保光伏发电系统可靠并网，需采取措施来阻尼LCL滤波器谐振。2 LCL并网控制策略图1三相光伏并网发电系统阻尼LCL滤波器谐振技术主要分为两类：无源阻尼技术和有源阻尼技术旧J。按照阻尼技术实现方式不同，有源阻尼技术可分为：多环控制策略。状态反馈。其他阻尼控制策略等。21 多环反馈控制策略多环控制策略是通过引入一个或多个LCL滤波器状态变量来阻尼滤波器谐振，本文介绍的多环反馈控制包括单环反馈控制和双环反馈控制。光伏发电系统常用的并网控制策略为电压外环、电流内环的双环控制策略帕J。在不加指明的情况下
9、，多环反馈控制策略通过改进电流内环，达到改善系统稳定性目的。综合已有文献，多环反馈控制策略引入的反馈变量主要有：电容电流i。、电容电压,。、并网电流i：、逆变侧电流i、网侧滤波电感电压u，。以下将从并网电流效果、系统稳定性、成本等方面对不同类型的有源阻尼技术进行比较分析。2I1 单环反馈控制策略(1)电容电流i，与电容电压u，反馈。引人电容电流i。电容电压u。的反馈控制框图如图2所示。由于滤波电容是造成LCL滤波器谐振的一50一(b)电容也压及埙图2 电容电流反馈和电容电压反馈本质原因，因此引人电容电流i。和电容电压M。的反馈控制1。电容电流反馈并非完全对并网电流进行控制，而以单位功率因数并网
10、的光伏发电系统并网电流质量将受影响。此外阻尼谐振功能已整合进电流控制环节，采用PI控制策略的电流控制器与阻尼谐振部分具有相同的电流响应特性，它们之间相互影响，特别当LCL滤波器的谐振频率接近闭环控制器的环宽时，并网发电系统很容易不稳定。引入电容电压Z，反馈特点与引入电容电流万方数据分布式电源及并网技术 电器与能效管理技术(2016No1)i，反馈控制策略特性类似。区别在于引入电容电压配，反馈控制需用到微分器，对控制系统的离散化方法不同。为降低系统噪声，文献7提出了一种向后差分的离散化方法旧j，缺点是除了微分器设计复杂外，系统响应能力也受到影响。此外，文献7同时分析比较了在不同谐振频率情况下，引
11、入电容电压Z。反馈与电容电流i。反馈控制对系统稳定性影响的差异。(2)逆变侧电流i。反馈。文献9提出了引入逆变侧电流i。反馈控制，好处在于不仅能阻尼LCL滤波器谐振，还能抑制直流分量引，并且逆变器还具有较高的谐波输出阻抗。对于内置电流传感器的逆变器而言，该控制策略有利于节省成本。与电容电流i。反馈类似，逆变侧电流i，反馈也并非完全对并网电流进行直接控制，以单位功率因数并网时，其滤波相位会发生偏移，导致q轴上的电流参考值非零，并网电流很难以单位功率因数并网；系统的根轨迹曲线表明，其谐振极点处于单位圆外，光伏并网发电系统将很难稳定运行。据此，文献9提出了附加开环零极点的方法，使系统谐振极点处于单位
12、圆内，确保系统安全稳定运行。图3逆变侧电流反馈(3)并网电流i：反馈。并网电流反馈如图4所示。图4并网电流反馈文献10提出了并网电流反馈控制策略，并给出了当LCL滤波器固有谐振频率丘。与载波频率工满足：L4丘。工2条件时，并网发电系统才能稳定运行。采用该控制策略优势在于能对并网电流有功分量和无功分量进行直接控制。并网电流i：反馈虽然具备一定的阻尼谐振功能，但更侧重于控制并网电流质量，阻尼效果不及逆变侧电流i。反馈和电容电流i。反馈。引入单环反馈控制特点在于控制系统的设计与参数调节较为简单，动态响应能力也较好，只需要少量传感器就能满足阻尼要求，成本低。缺点是简单的反馈控制使系统稳定性不高，尤其当
13、电网存在扰动(谐波、电压波动、三相不平衡等)时，光伏发电系统并网电流将很难满足并网要求。因此提出了多环反馈控制策略。212双环反馈控制策略考虑到控制系统的复杂性、动态响应能力、可靠性、成本等方面因素，对光伏并网发电系统并网电流要求不是十分严苛情况下，引入双环反馈控制策略就能阻尼LCL滤波器谐振，改善并网电流质量。已有文献研究的双环反馈策略主要是外环引入并网电流i：反馈，内环引入LCL滤波器的某个状态变量进行反馈，如电容电流i，、电容电压u。、逆变侧电流i。等。(1)并网电流与电容电流反馈。并网电流i：外环、电容电流i，内环的双环控制框图如图5所示。其中，电容电流i。内环作用是阻尼LCL滤波器谐
14、振，稳定系统输出。为了使内环具有较快响应速度，内环控制器G。(s)常采用比例控制器；并网电流i：外环控制目标是为保证并网电流波形尽可能接近正弦波，外环控制器G，(s)通常采用PI控制、PR控制等卜12 J。图5并网电流外环、电容电流内环双环反馈旋转坐标系下的PI控制优势在于能将并网电流分解为有功分量和无功分量，从而单独控制并网发电系统的有功功率和无功功率；此外PI控制器的参数设计也较简单。但由于PI控制器增益有限，当电网存在背景谐波扰动时，需增大比例系数来提高并网电流质量，但比例系数增大会影响系统的动态响应特性，因此应适当选取PI控制器的比例系数K。关于内外环控制参数的设计，一51万方数据电器
15、与能效管理技术(2016No1) 分布式电源及并网技术可参考文献13。与PI控制相比，静止坐标系下的PR控制由于能消除稳态误差41 5|，采取该控制策略的光伏发电系统具备一定鲁棒性，在受到电网谐波扰动时，仍能维持良好的电流输出。缺点是PR控制器的参数设计复杂，控制系统的响应速度难以适应电网的快速变化，并且控制系统易受电网三相不平衡影响。在不降低系统稳定性和并网电流质量的前提下，文献16提出了一种准谐振PR控制策略。(2)并网电流与逆变侧电流反馈。采用并网电流i：外环、逆变侧电流i，内环的双环控制特点与上述并网电流i：外环、电容电流i。内环的双环控制特点相类似，如图6所示，可参考文献17。图6并
16、网电流外环、逆变侧电流内环双环反馈多环反馈控制与单环反馈控制相比，阻尼LCL滤波器谐振效果更好，系统稳定性得到了提高，但可靠性和动态响应能力被削弱；另一方面，反馈环节较多时，工程中需采用大量传感器，增加了系统成本，并且传感器工作的可靠性直接影响并网发电系统的稳定性。单环反馈或多环反馈控制策略阻尼LCL滤波器谐振的实质是通过改变系统原有传递函数，使系统闭环传递函数的极点处于z平面上单位圆内，从而使系统稳定。因此并网电流质量及系统稳定性依赖于LCL滤波器参数。文献17表明网侧滤波电感：易受电网阻抗波动影响，尤其当电网阻抗波动较大时，LCL滤波器谐振频率厶。的改变会放大谐波电流，情况严重时会导致光伏
17、发电系统退出运行。22状态反馈状态反馈是指在建立LCL滤波器状态空间模型基础上，采用鲁棒控制理论或自适应控制算法对控制器进行设计，提高并网系统的稳定性。针对单环反馈和多环反馈控制的不足，国内外学一52一者提出了另一种采用状态反馈的有源阻尼技术，能够较好地克服多环反馈控制的不足。在建立系统状态空间模型的基础上，通过引入状态反馈控制对系统极点进行合理配置，使系统稳定运行。此外通过设计状态观测器8|，利用可观测量对不可测状态变量进行观测，减少了传感器的使用。状态反馈控制如图7所示。图7状态反馈控制如图1所示的光伏并网发电系统，假定光伏阵列输出电流恒定。根据基尔霍夫电压与电流定律，得到并网发电系统的向
18、量方程，当状态变量选取工=i。u。i：T，LCL滤波器状态空间模型为f工(t)=Ax(t)+Bu(t)+F(t) ，、)：Cx() u其中，甜(t)为控制延迟与电网扰动项；关于状态空间模型详细建模和参数见文献19。由于需要采用计算机对系统进行控制，离散化的连续状态空间模型为x(k+1)=Crx(k)+Hu(k)+Fto(k)，、Iy(尼)：Cx(k) 含内模稳态控制器的部分状态反馈控制框图如图8所示。文献19同时给出了离散状态空间模型完全能控的条件。在此基础上，为降低电网阻抗不确定性对滤波器滤波效果影响，基于LMI理论设计了一种部分反馈的鲁棒控制器。考虑到电网电压对并网电流的影响，在图8控制结
19、构中加入了内模稳态控制器，从而使系统具备较强鲁棒性。采用部分状态反馈控制策略的优势在于简化了控制器的设计，不足之处在于系统的谐振阻尼性能仍然受电网阻抗影响。G小)=器=z矗万裔)(3)图8含内模稳态控制器的部分状态反馈控制框图针对上述部分状态反馈控制的不足，文万方数据分布式电源及并网技术 电器与能效管理技术(2016No1)献20提出了一种自适应状态反馈控制策略。有别于静止坐标系下的PR控制与同步旋转坐标系下的PI控制，利用最小二乘法设计的自适应控制器不仅能够阻尼LCL谐振，而且能够消除电网阻抗对LCL滤波器滤波效果的影响。当电网处于稳态运行或暂态运行时，光伏并网发电系统仍具有较好的输出特性，
20、但自适应控制器难以适应电网参数的快速变化；此外文献I-20也未能充分考虑诸如调制死区时间、电容与电感参数非线性、三相参数的不对称对控制系统的影响。对于以单位功率因数并网的光伏并网发电系统，直流侧电压u出与并网电流交轴分量L是两个很关键的控制变量。考虑到光伏阵列出力的不确定性以及电网扰动等，基于部分状态线性理论，文献21设计了一种非线性鲁棒控制器，不仅克服了不确定性对光伏并网发电系统并网电流的影响，而且在电网侧发生短路情况下，系统仍具有较好运行特性。这种控制方法的弊端为非线性鲁棒控制，理论较为复杂。由于并非进行完全状态反馈控制，并且系统选取的状态变量也并非LCL滤波器的状态变量，该非线性鲁棒控制
21、策略对LCL滤波器的参数要求较高。23其他阻尼控制策略文献22-23还提到了几种结构特殊的阻尼控制策略，多用于对并网电流质量要求较高的场合。为消除LCL滤波器的谐振尖峰，文献24在单环反馈控制的基础上引入了陷波器，不仅弥补了单环反馈控制的不足，而且较好地克服了多环反馈控制引起的成本和设计难题；此外，文献25提出了一种分裂电容法，在电感电容参数选择恰当情况下，能够对系统的传递函数进行降阶，以此消除LCL滤波器谐振，但缺陷是控制系统对滤波器参数变化敏感；文献26提出了一种双自由度有源阻尼技术，当光伏发电系统受到电网谐波、电网阻抗和三相不平衡等扰动时，系统仍能维持较好的电流输出。3 结 语上述单环反
22、馈和多环反馈控制均能不同程度地抑制LCL滤波器谐振。单环反馈所需传感器少，成本低，并且控制系统的设计和参数调节也较简单。电容电流反馈与逆变侧电流反馈是应用较多的单环反馈控制，适用于电网运行条件理想、对并网电流要求不高的并网场合。多环反馈控制通过在电流内环引入LCL滤波器的某个状态变量作为反馈变量，电流外环选择并网电流作为反馈变量，较好地解决了单环反馈控制系统的稳定性问题，使得当电网存在一定程度扰动时，并网发电系统仍能可靠运行。状态反馈控制最大特点是能对系统极点进行配置，使系统具有较高稳定裕度。运用复杂控制算法或者鲁棒控制理论设计的控制器能让并网发电系统具有良好的鲁棒性，但对控制系统的响应速度要
23、求较高。基于LCL滤波器光伏并网发电系统的运行特性除受电网扰动影响外，光伏阵列出力的不确定性也是影响其稳定工作的重要因素；此外大量基于LCL滤波器的分布式光伏发电系统接入配电网所造成的并联谐振问题等，都有待进一步研究。【参考文献】1 丁明，王伟胜，王秀丽，等大规模光伏发电对电力系统影响综述J中国电机工程学报，2014，34(1)：2142雷一，赵争鸣，袁立强，等LCL滤波的光伏并网逆变器阻尼影响因素分析J电力系统自动化，2012，36(21)：36们3LISERRE M，BLAABJERG F，HANSEN SDesignand control of an LCL-filter-based t
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