CN107681686B - 一种并网逆变器及其谐波抑制方法及光伏并网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种并网逆变器及其谐波抑制方法及光伏并网系统，并网逆变器包括逆变电路、与逆变电路连接的LCL滤波电路和用于控制逆变电路输出的控制器，通过改变控制器的前馈信号，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，从而改变并网逆变器的谐振频率，以确保并网逆变器的工作频率避开谐振频率，明显改善滤波电路的滤波效果，有效降低并网逆变器输出电流的谐波分量，保证光伏并网系统输送到电网的电能质量。

Description

一种并网逆变器及其谐波抑制方法及光伏并网系统
技术领域
本发明涉及一种逆变器，尤其涉及用于光伏发电、风力发电等绿色环保的新型发电方式的并网逆变器。
背景技术
环境的恶化及能源的短缺，导致了对光伏发电、风力发电等绿色环保的新型发电方式的需求不断加大。单台并网逆变器的容量总是有限的，多机并联成为解决需求的加大与单机容量有限这一矛盾的出路。现有的并网逆变器较普遍的采用无隔离变压器的拓扑结构，且输出滤波器多为LC滤波电路，当LC滤波电路进行多机并联后，不同逆变器的滤波电路之间存在高频的环流，导致流经滤波电容的电流谐波含量增大，严重会直接污染电网质量。市场上另一方案是采用隔离变压器的拓扑，输出滤波器采用LCL滤波电路，依靠在网侧增加小电感来抑制环流。在实际应用中，多台并网逆变器并联后需经过一个多分裂变压器后再并入电网中。但是市面上现有的多分裂变压器质量良莠不齐，有些多分裂变压器由于制造工艺上的欠缺，其漏感较大，加上整个光伏并网系统走线带来的寄生电感，对并网逆变器整机电流控制质量带来了不良影响，容易引起震荡现象或环流现象，对IGBT及滤波电容等器件造成不可恢复的损伤。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种并网逆变器及其谐波抑制方法及光伏并网系统，能够明显改善滤波效果，减少输出电流的谐波含量，保证输送到电网的电能质量。
本发明通过以下技术方案实现：
一种并网逆变器的谐波抑制方法，并网逆变器包括逆变电路、与逆变电路连接的LCL滤波电路和用于控制逆变电路输出的控制器，其特征在于：包括如下步骤：
A、采集并网逆变器的输出电流，并对输出电流进行谐波分析以计算输出电流的谐波含量；
B、当谐波含量大于m时，进入步骤C；否则返回步骤A；
C、改变控制器的前馈信号，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A。
进一步的，所述步骤C具体包括：若当前为电容电压作为控制器前馈信号，则调整为采集网侧电压作为控制器前馈信号，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A；若当前为网侧电压作为控制器前馈信号，则调整为采集电容电压作为控制器前馈信号，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A。
进一步的，所述控制器包括电压外环、电流内环和信号发生器，所述步骤C中所述的前馈信号与电流内环输出的调制信号叠加后输入信号发生器，信号发生器产生新的控制信号控制所述逆变电路。
进一步的，所述步骤B中，m取值范围为：4％≤m≤6％。
进一步的，所述电压外环控制包括PI控制或者PID控制；所述电流内环控制包括PI控制或者PID控制。
进一步的，所述信号发生器为PWM信号发生器。
进一步的，所述步骤A中，采用FFT对所述输出电流进行谐波分析。
进一步的，所述并网逆变器包括单相并网逆变器或者三相并网逆变器。
本发明还通过以下技术方案实现：
一种并网逆变器，包括逆变电路、与逆变电路连接的LCL滤波电路、用于控制逆变电路输出的控制器、用于采集并网逆变器输出电流并计算谐波含量的第一采集装置、用于采集电容电压或者网侧电压并将其作为控制器前馈信号的第二采集装置，第一、第二采集装置和控制器根据权利要求1-8任一所述的谐波抑制方法对输出电流谐波进行抑制。
本发明还通过以下技术方案实现：
一种光伏并网系统，包括多个如上所述的并网逆变器，各并网逆变器通过多分裂变压器并入电网。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明在并网逆变器输出电流的谐波含量大于m时，根据实际情况选择电容电压或者网侧电压作为控制器的前馈信号参与控制器控制，改变LCL滤波电路实际的传递函数，从而改变并网逆变器的谐振频率，以确保并网逆变器的工作频率避开谐振频率，能够明显改善滤波电路的滤波效果，有效降低并网逆变器输出电流的谐波分量，保证光伏并网系统输送到电网的电能质量。
2、本发明通过改变LCL滤波电路实际的传递函数，使LCL滤波电路具有LC滤波和LCL滤波两种等效模式，在应用中，能够根据实际需要选择采用LC滤波或者LCL滤波，使并网逆变器可适用于不同的并网环境，市场适应性强。
3、本发明的光伏并网系统在多分裂变压器因各种问题导致漏感较大而引起系统谐振、环流或者震荡现象时，具有更强的适应力。
4、本发明的并网逆变器在硬件上无需增加成本，且计算简单、控制快速。
5、本发明能够降低谐波分量，即能够避免震荡或者环流现象对并网逆变器的IGBT、滤波电容等器件损坏，进而延长并网逆变器的使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为光伏并网系统的拓扑结构图。
图2为并网逆变器谐波抑制方法的流程图。
图3为控制器的原理图。
具体实施方式
如图1至图3所示，光伏并网系统包括n个光伏极板1(图1中PV1至PVn)、n个并网逆变器2、n个前端滤波电容C1、多分裂变压器3，并网逆变器2可以是单相并网逆变器，也可以是三相并网逆变器，在本实施例中，为三相并网逆变器，n个并网逆变器2的输入端与n个光伏极板1输出端一一对应连接，n个并网逆变器2的输出端通过多分裂变压器3并入电网4，前端滤波电容C1连接在并网逆变器2两输入端之间。并网逆变器2包括输入端与光伏极板1连接的逆变电路21、与逆变电路21连接的LCL滤波电路22、用于控制逆变电路21输出的控制器23、用于采集并网逆变器2输出电流Igrid并计算输出电流Igrid的谐波含量的第一采集装置24、用于采集电容C电压Uinv或者网侧电压Ugrid并将其作为控制器23前馈信号U的第二采集装置25、用于采集电容C1电压Ude、采集电感L1输出端电流Iinv并将其作为控制器23反馈信号的第三采集装置(图中未画出)，在本实施例中，控制器23包括电压外环、电流内环和信号发生器26，电容C1电压Ude为电压外环反馈信号，Uref为电压外环给定信号，电感L1输出端电流Iinv为电流内环反馈信号，Uref与Ude取差值后经PI控制，输出Iref并将其作为电流内环给定信号，Iref与Iinv取差值后经PI控制输出调制信号，前馈信号U与电流内环输出的调制信号叠加后输入信号发生器26，信号发生器26产生新的PWM信号控制逆变电路21，其中，电压外环和电流内环均为PI控制，网侧电压Ugrid为LCL滤波电路22输出电压，即电感L2输出端电压。
并网逆变器谐波抑制方法包括如下步骤：
A、第一采集装置24采集并网逆变器2的输出电流Igrid，并对输出电流Igrid进行谐波分析以计算输出电流Igrid的谐波含量，其中，输出电流Igrid为LCL滤波电路22的输出电流，即电感L2输出端电流，采用FFT对输出电流Igrid进行谐波分析；
B、当谐波含量大于5％时，进入步骤C；否则返回步骤A；
在本步骤中，当谐波含量大于5％时，还可通过判断输出电流Igrid是否偏离基波频率来确定系统发生了震荡还是环流，若谐波含量大于5％且输出电流Igrid偏离了基波频率，说明系统发生了震荡现象，从而导致谐波含量增大，若谐波含量大于5％且输出电流Igrid未偏离基波频率，则说明系统发生了环流现象，从而导致谐波含量增大；
C、改变控制器23的前馈信号，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A，具体为：若当前为电容电压Uinv作为控制器23前馈信号U，则调整为采集网侧电压Ugrid作为控制器23前馈信号U，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A；若当前为网侧电压Ugrid作为控制器23前馈信号U，则调整为采集电容电压Uinv作为控制器23前馈信号U，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A。
电容电压Uinv作为控制器23前馈信号U时，控制器23的控制对象可等效由电感L1和电容C构成的为LC滤波电路，故LCL滤波电路实际的传递函数为：
Figure GDA0002213064830000051
调整为网侧电压Ugrid作为控制器23前馈信号U后，控制器23的控制对象变为由电感L1、电感L2和电容C构成的LCL滤波电路，故LCL滤波电路实际的传递函数为：其中，s为拉普拉斯算子，不同的传递函数对应不同的谐振频率，当并网逆变器2工作在谐振频率或临近谐振频率，输出的电流即会存在较大的谐波分量。因此改变LCL滤波电路22实际的传递函数，能够确保系统工作频率避开谐振频率，以使并网逆变器输出较优的电能质量。
第三采集装置采集电容C1电压Ude并将其作为电压外环的反馈信号、采集电感L1输出端电流Iinv并将其作为电流内环的反馈信号，电压外环和电压内环均为PI调节控制，电流内环输出的调制信号与第二采集装置25采集的前馈信号U叠加后输入信号发生器26，信号发生器26则产生新的PWM信号控制逆变电路21的各开关管的动作，即控制逆变电路21输出。
光伏并网系统中，如果在并网时多分裂变压器3存在较大的漏感Lg，电感L1、电感L2、漏感Lg和电容C等效为新的LCL滤波电路22，此时LCL的滤波电路22的传递函数变为：
其中，s为拉普拉斯算子。
从上式可看出，漏感Lg直接影响LCL滤波电路22实际的传递函数，从而改变系统的谐振频率，造成震荡现象，产生较大的谐波含量，污染电网。所谓震荡是指：电路中电流(或电压)在最大值和最小值之间随时间作周期性重复变化的现象或过程，震荡现象除了产生较大谐波外，往往还伴随着实际输出电流的频率偏离基波频率。通过改变控制器23的前馈信号U，进而将控制对象由电感L1、电感L2、漏感Lg和电容C等效的LCL滤波电路22变更为由电感L1、和电容C等效的LC滤波电路22，将电感L2、漏感Lg看成电网4端的电感，即改变了LCL滤波电路22实际的传递函数，进而改变了系统的谐振频率，使得系统的工作频率远离谐振频率，有效降低谐波分量，改善电能质量。
再者，通过多分裂变压器3将n个并网逆变器2并入电网4时，除了可能因多分裂变压器3存在较大的漏感Lg导致较大的谐波含量外，并网逆变器2之间还可能发生环流现象，另一方面，由于并网逆变器2是独立控制的，而当多分裂变压器3因工艺等方面的欠缺等原因没有起到真正的隔离作用时，多台并网逆变器2可等效为直接并联再并入电网4，因此并网逆变器2之间也可能存在环流现象。所谓环流是指：并联的并网逆变器2的PWM脉冲不可能完全一样，任一并网逆变器2的电流可能在另一并网逆变器2的部分通路上流通，这些通路的电流同时在两台并网逆变器2上流通，这种现象即为环流现象。当并网逆变器2之间发生环流现象时，往往也产生较大的谐波含量，不同于震荡现象的是，环流使得实际输出电流的叠加一个电流分量，与基波相比产生较大的谐波含量，但频率与基波频率基本不会发生改变。针对以上发生环流的情况，通过改变控制器23的前馈信号U，进而改变LCL滤波电路2实际的传递函数即可有效抑制环流。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种并网逆变器的谐波抑制方法，并网逆变器包括逆变电路、与逆变电路连接的LCL滤波电路和用于控制逆变电路输出的控制器，其特征在于：包括如下步骤：
A、采集并网逆变器的输出电流，并对输出电流进行谐波分析以计算输出电流的谐波含量；
B、当谐波含量大于m时，进入步骤C；否则返回步骤A；
C、改变控制器的前馈信号，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A。
2.根据权利要求1所述的一种并网逆变器的谐波抑制方法，其特征在于：所述步骤C具体包括：若当前为电容电压作为控制器前馈信号，则调整为采集网侧电压作为控制器前馈信号，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A；若当前为网侧电压作为控制器前馈信号，则调整为采集电容电压作为控制器前馈信号，以改变LCL滤波电路实际的传递函数，并返回步骤A。
3.根据权利要求2所述的一种并网逆变器的谐波抑制方法，其特征在于：所述控制器包括电压外环、电流内环和信号发生器，所述步骤C中所述的前馈信号与电流内环输出的调制信号叠加后输入信号发生器，信号发生器产生新的控制信号控制所述逆变电路。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种并网逆变器的谐波抑制方法，其特征在于：所述步骤B中，m取值范围为：4％≤m≤6％。
5.根据权利要求3所述的一种并网逆变器的谐波抑制方法，其特征在于：所述电压外环控制包括PI控制或者PID控制；所述电流内环控制包括PI控制或者PID控制。
6.根据权利要求3所述的一种并网逆变器的谐波抑制方法，其特征在于：所述信号发生器为PWM信号发生器。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种并网逆变器的谐波抑制方法，其特征在于：所述步骤A中，采用FFT对所述输出电流进行谐波分析。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种并网逆变器的谐波抑制方法，其特征在于：所述并网逆变器包括单相并网逆变器或者三相并网逆变器。
9.一种并网逆变器，其特征在于：包括逆变电路、与逆变电路连接的LCL滤波电路、用于控制逆变电路输出的控制器、用于采集并网逆变器输出电流并计算谐波含量的第一采集装置、用于采集电容电压或者网侧电压并将其作为控制器前馈信号的第二采集装置，第一、第二采集装置和控制器根据权利要求1-8任一所述的谐波抑制方法对输出电流谐波进行抑制。
10.一种光伏并网系统，其特征在于：包括多个如权利要求9所述的并网逆变器，各并网逆变器通过多分裂变压器并入电网。
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