抑制电网背景谐波影响的并网逆变器控制策略

摘要：作为新能源接入系统主要接口的逆变器，并网后不仅产生大量谐波电流，而且将改变系统阻抗特性，增大谐振的风险，为挖掘并网后的谐振特性并预防谐振事故的发生，提出一种以系统预防谐振、降低逆变器成本为目标的优化设计法，将优化结果代入Matlab仿真模型，结果表明：优化后，不仅LCL滤波器的既有谐振点被消除，而且使系统输电线引起的谐振得到了有效抑制，证明了设计方法的有效性。

关键词：并网逆变器;谐振特性;阻抗模型; 抑制谐振;优化设计法

解决谐振问题最简单的方法是采用无源阻尼法，即在滤波电容支路串联电阻以阻尼LCL滤波器的谐振尖峰。这种方法比较简单，但串联电阻上存在损耗，同时还会削弱滤波器对高频谐波的抑制能力，另一种解决方法是采用有源阻尼法，包括分裂电容法、零极点配置补偿法，以及电容电流补偿法等。有源阻尼法的优点是：通过控制算法有效阻尼系统的谐振尖峰，保证系统稳定的同时，既不增加系统损耗，也不影响滤波器对高频谐波的抑制能力。目前，应用最广泛的有源阻尼法是电容电流补偿法。

除并网逆变器自身的调制会产生高频谐波之外，电网背景谐波也会影响并网电流的波形质量。为抑制背景谐波的影响，一种方法是采用比例谐振（proportional resonant，PR）控制器，增大背景谐波处的增益，抑制它们对并网电流的影响。然而，当背景谐波频率较高时，PR控制器会减小系统的相角裕度。另一种方法是采用电网电压前馈控制，这种控制策略可有效增大系统输出阻抗，减小电网电压背景谐波对并网电流的影响，且不影响系统的相角裕度。然而，目前的前馈控制策略仅仅是将电网电压按比例前馈至闭环调节器中，这种简单的前馈策略无法消除背景谐波的影响。

本文首先对逆变器并网系统建立阻抗模型，采用循环模态分析，展现逆变器控制参数及滤波参数对并网系统谐振分布的影响。然后，将模态分析法与改进粒子群优化算法结合，以主动控制LCL既有谐振点及系统侧输电线带来的高频谐振点为主要目的对并网逆变器进行优化设计。

1 整体方案设计

在本研究设计中，在光伏并网逆变器中接入谐波补偿装置，通过该装置过滤并网中的电流谐波含量，使得并网中输出较为纯净的电能参数。

然后通过逆变器控制回路，通过将电网电压和直流侧的电压达到并网要求后，进而实现并网。

在电网运行过程中，引起电压畸变的因素包括很多种，诸如3次至9次谐波、11次至15次谐波、17次至21次谐波、23次至33次谐波等，引起电压畸变的谐波影响量还有5次负序谐波（较大量）、7次正序谐波，其中并网中电流谐波含量比较多的也有负序5次谐波和正序7次谐波，在设计时，基于上述分析，设计出光伏并网逆变器谐波控制架构。

在本技术方案设计中，通过谐波检测装置检测PV阵列中的输出信号，然后通过A/D转换单元将模拟信号转换为数据信号，DSP计算单元接收A/D转换单元转换得出的数字信号，通过DSP控制单元计算、处理。DSP控制单元对采集到的谐波数据进行计算、分析，然后总控中心根据计算得出的结果进行控制，并将控制指令通过计算机控制系统进行信息交互，下文将详细介绍谐波检测、控制方法。

2 谐波控制方法

根据计算出的谐波含量情况来对不同波段的谐波进行控制。出于抑制并网逆变器中输出电流内所带有的谐波成分的目的，本研究采用了组合谐波抑制方式，即使电网电压前馈控制与多谐振控制进行结合起来，这种结合的方式能够使并网电流中的谐波含量最大程度地降低，进而提升光伏并网逆变器运行中的谐波干扰。

通过调制并驱动电网并网中的不同信号，大大减少并网逆变器输出电网电压所含的谐波成分，可以避免电网电压中的背景谐波的干扰，使得并网电能质量大大提高，在采用该方式进行控制时，该系统容易出现数字延时现象，在并网中，数字控制延时和多谐振控制均有可能对并网系统的稳定性、动静态性造成影响，在对组合谐波抑制方法下，本技术方案的闭环系统传递函数在输出阻抗特性时，有必要分析并网系统开环幅频特性和相频特性。

3 参数设计

3.1 参数选取

设计了一台功率为6 k W的原理样机，控制策略采用单极倍频正弦脉宽调制（sine pulse width modulation，SPWM），开关频率为10 k Hz，输入直流电压Uin=360 V，取Lf1=600µH，Cf=10µF，Lf2=160µH。测得rL1=0.01Ω，rL2=0.02Ω，估算rc=0.005Ω。取内环反馈系数Hi1（s）=0.075，外环反馈系数Hi2（s）=0.15。

3.2 并网电流基准的实现

图1出了基于电容电流和并网电流反馈的控制框图。为实现单位功率因数并网，并网电流基准iref需保持与ug同相，这里采用锁相环（phase locked loop，PLL）来实现。并网电流基准信号的幅值由系统给出，由此得到并网电流基准iref。

引入ug前馈以及调整内环反馈量并没有改变系统的环路增益，因此采用相同的调节器参数，二者的稳定裕度相同。接下来以电容电流和并网电流双闭环控制策略为例设计双闭环调节器参数。双闭环调节器的设计应遵循由内及外的设计思路。

3.3电容电流内环调节器设计

电容电流内环调节器的主要作用是阻尼系统的谐振尖峰。对稳态精度没有要求，这里采用P调节器。设计内环调节器时，先令Gi2（s）=1，设此时环路增益T为Tu：

TU=GilGinvGcf/ZL1ZL2+ZL1ZCF+ZL2ZCF+ GilHilGinvZl2（1）

取载波幅值Utri=3 V，则：

Ginv（S）=uin/utri=120（2）

根据原理样机参数可得式（1）对应的波德图，如图2所示。其中，虚线对应未加入内环调节器，实线对应内环反馈系数Hi1（s）=0.075，调节器Gi1（s）=1。可以看出，引入内环调节器后，系统谐振被有效阻尼。

3.4 并网电流外环调节器设计

通过增加内环阻尼了T中的谐振尖峰。接下来根据稳定裕度和稳态精度设计并网电流外环反馈系数Hi2（s）和调节器Gi2（s）。并网电流外环调节器要求稳态精度高，可采用PI调节器。

取Hi2（s）=0.15，Gi2（s）=0.4+1 700/s，可得式（6）对应的波德图，如图9所示。其中，虚线对应未引入调节器前，实线引入调节器后的波德图。可以看出，加入调节器后，系统截止频率约为2.0 k Hz，幅值裕度约为5 d B，相角裕度约为45°，50 Hz处的增益接近于50 d B，对谐波的衰减能力大于100倍。因此设计结果符合稳定裕度和稳态精度要求。

结论

本文首先针对逆变器并网系统的谐振特性进行了分析，发现逆变器中的控制参数和LCL滤波器参数对逆变器并网系统谐振点的谐振频率和阻抗幅值都有较大影响，因此对参数进行合理设计能够防止谐振的发生；然后基于改进的粒子群优化算法，提出以并网系统避免谐振和降低滤波器成本的多目标优化策略，通过滤波和控制目标筛选出滤波参数和控制参数的有效范围后进行优化，得出每个参数的最优解；最后将最优解代入逆变器并网系统的模型中进行谐振仿真分析，得出优化后频率为10.4 pu和46.4 pu的两个谐振点完全消失，第三谐振点的频率向高频移动，阻抗幅值被大幅削弱，系统不再存在谐振的风险，验证了优化结果的正确性。

参考文献

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[2]班国邦，曾华荣，张露松，等.考虑死区与延时影响的LCL型并网逆变器谐波特性分析[J].电力科学与工程，2022，38（1）：16-23.