CN109861226A - 一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的lcl滤波器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法，包括以下步骤：步骤S1：建立逆变器经LCL型滤波器并网的频域模型；步骤S2：建立以降低阻尼损耗为目标的目标函数；步骤S3：用改进猫群算法对滤波器参数进行寻优，得到考虑并网点谐波稳定的以阻尼损耗为优化目标的一组最优参数。本发明可以保证新能源发电逆变器并网系统的谐波稳定性。

Description

一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法

技术领域

本发明涉及新能源并网设计领域，特别是一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法。

背景技术

在新能源并网系统中，逆变器输出端会含有大量的谐波。因此，一般会在逆变器和电网之间加入滤波器，L型滤波器可以有效地抑制谐波电流，但是随着逆变器输出功率越来越大，L型逆变器的取值就需要很大，滤波器的整体造价成本就大幅上升。LCL型滤波器和L型滤波器相比，多一个滤波电容用来分流高频谐波分量，在相同滤波效果下，LCL滤波器的总电感值比L型滤波器的总电感值小。但LCL滤波器为三阶谐振系统存在固有谐振点，会给逆变器并网带来很多不易控制的不良影响，影响系统的谐波稳定性。

目前，有源阻尼法是较为有效的一种消除谐振的方法，但是其反馈量较多，其鲁棒性和可靠性得不到保证。无源阻尼是在滤波电容上串联一个电阻来抑制谐振，使系统稳定。这种方法廉价可靠，被广泛应用在工业中，但是在滤波器的参数选取上过多依赖经验值，并且不停的尝试才能试出合适值。而且，串联电阻的阻尼损耗会给系统带来效率问题。因此在设计其滤波器参数时有必要在考虑系统谐波稳定性且确保阻尼损耗最小的情况下对滤波器参数进行优化。

目前最常用的LCL滤波器参数优化方法有以下几种：一种是经验值试探法，这种设计方法根据各个参数的限制进行设计，例如先根据电容所吸收的无功上限确定滤波电容的最大值，再根据电流的纹波限制确定总电感值的下限，后又由系统对高次谐波的抑制可以确定逆变器侧电感和电网侧电感的比值。这种方法需要需要反复验证所取的参数是否满足限制条件，不满足的话需要重新设计取值。因此，这种方法设计过程繁琐，而且所选取的值不一定是最优解，因此在实际工程中应用中很不方便；另一类方法，以元件储能最小或者电感总值为优化目标设计滤波器参数，这类优化设计方法虽然在某一性能上达到了参数的优化设计，但是未在逆变器并网系统整个全局考虑参数的相互作用，未引入并网公共点谐振概念，未考虑并网系统的谐波稳定性问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法，可以保证新能源发电逆变器并网系统的谐波稳定性。

本发明采用以下方案实现：一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立逆变器经LCL型滤波器并网的频域模型；

步骤S2：建立以降低阻尼损耗为目标的目标函数；

步骤S3：用改进猫群算法对滤波器参数进行寻优，得到考虑并网点谐波稳定的以阻尼损耗为优化目标的一组最优参数。

进一步地，步骤S3中，所述改进猫群算法中，优化后的猫群算法公式为：

x_i(n+1)＝x_i(n)+v_i(n+1)＝x_i(n)+v_i(n)+c_x(n)×rand×(x_gbest(n)-x_i(n))

c_x(n)＝a+x(n)

x(n)＝u×x(n-1)×[1-x(n-1)]

式中，c_x(n)为猫群位置变量；[a b]为猫群的遍历范围；u为混沌控制参数；

其中，第i只猫在D维空间的位置和速度表示为：

x_i＝(x_i,1,x_i,2,x_i,3,…,x_i,D),i＝1,2,3,…,D

v_i＝(v_i,1,v_i,2,v_i,3,…,v_i,D),i＝1,2,3,…,D。

进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：录入原始数据，包括逆变器并网系统参数以及算法参数；

步骤S32：初始化符合约束条件的猫群位置，处于[a b]区间，设置猫群优化算法的群体大小为N，分组率为MR；

步骤S33：根据猫群的初始位置，计算猫群体适应度值，选取并记录在种群中适应度最大的猫；

步骤S34：根据分组率MR随机将猫分组，令MR＝跟踪模式下的猫的数量/总猫数；判断猫是否属于搜寻模式，若是，则进入步骤S35，否则，进入步骤S36；

步骤S35：进行优化后的搜寻模式，复制猫个体，将复制好的个体存入记忆池中，进入步骤S37；

步骤S36：进行优化后的跟踪模式，整个猫群所经历的最佳位置是目前搜索的最佳解决方案，猫群体及时更新其移动速度，从而更新其位置；

步骤S37：计算更新后的猫群适应值并且记录下适应度值最大的猫的位置；

步骤S38：判断约束条件是否满足，如果满足则输出最优解，并结束算法；否则，利用混沌的控制策略对算法进行更新，重复步骤S34-步骤S37直至满足最优解输出。

进一步地，其中约束条件包括但不限于：并网逆变器系统谐波稳定性对LCL逆变器参数设计的约束、并网公共点谐波稳定性约束、滤波电容发出无功上限约束、电流纹波要求约束。

本发明首先建立LCL型逆变器的数学模型，并通过阻抗分析方法研究电网阻抗对并网逆变器系统谐波稳定性的影响，确定并网逆变器系统谐波稳定性对LCL逆变器参数设计的约束条件。接着以降低LCL型滤波器阻尼损耗为目标建立优化模型的目标函数，并且以并网公共点谐波稳定性、滤波电容发出无功上限、电流纹波要求等为约束条件。最后采用改进猫群算法对滤波器参数进行寻优，得到考虑并网点谐波稳定的以阻尼损耗为优化目标的一组最优参数。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提出的方法可以保证新能源发电逆变器并网系统的谐波稳定性；并且使并网谐波电流小于国标限制，满足国标要求；还能在满足以上条件情况下将滤波器的阻尼损耗降到最低，提高新能源发电并网逆变器的整体输出功率效率。

附图说明

图1为本发明实施例的并网拓扑结构示意图。

图2为本发明实施例的并网逆变器控制框图。

图3为本发明实施例的逆变器并网等效阻抗网络。

图4为本发明实施例的优化算法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立逆变器经LCL型滤波器并网的频域模型；

步骤S2：建立以降低阻尼损耗为目标的目标函数；

步骤S3：用改进猫群算法对滤波器参数进行寻优，得到考虑并网点谐波稳定的以阻尼损耗为优化目标的一组最优参数。

在本实施例中，步骤S3中，所述改进猫群算法中，优化后的猫群算法公式为：

x_i(n+1)＝x_i(n)+v_i(n+1)＝x_i(n)+v_i(n)+c_x(n)×rand×(x_gbest(n)-x_i(n))

c_x(n)＝a+x(n)

x(n)＝u×x(n-1)×[1-x(n-1)]

式中，c_x(n)为猫群位置变量；[a b]为猫群的遍历范围；u为混沌控制参数；

其中，第i只猫在D维空间的位置和速度表示为：

x_i＝(x_i,1,x_i,2,x_i,3,…,x_i,D),i＝1,2,3,…,D

v_i＝(v_i,1,v_i,2,v_i,3,…,v_i,D),i＝1,2,3,…,D。

在本实施例中，步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：录入原始数据，包括逆变器并网系统参数以及算法参数；

步骤S32：初始化符合约束条件的猫群位置，处于[a b]区间，设置猫群优化算法的群体大小为N，分组率为MR；

步骤S33：根据猫群的初始位置(各个控制变量的初始值)，计算猫群体适应度值，选取并记录在种群中适应度最大的猫；

步骤S34：根据分组率MR随机将猫分组，令MR＝跟踪模式下的猫的数量/总猫数；判断猫是否属于搜寻模式，若是，则进入步骤S35，否则，进入步骤S36；

步骤S35：进行优化后的搜寻模式，复制猫个体，将复制好的个体存入记忆池中，进入步骤S37；

步骤S36：进行优化后的跟踪模式，整个猫群所经历的最佳位置是目前搜索的最佳解决方案，猫群体及时更新其移动速度，从而更新其位置；

步骤S37：计算更新后的猫群适应值并且记录下适应度值最大的猫的位置；

步骤S38：判断约束条件是否满足，如果满足则输出最优解，并结束算法；否则，利用混沌的控制策略对算法进行更新，重复步骤S34-步骤S37直至满足最优解输出。

在本实施例中，其中约束条件包括但不限于：并网逆变器系统谐波稳定性对LCL逆变器参数设计的约束、并网公共点谐波稳定性约束、滤波电容发出无功上限约束、电流纹波要求约束。

本实施例首先建立LCL型逆变器的数学模型，并通过阻抗分析方法研究电网阻抗对并网逆变器系统谐波稳定性的影响，确定并网逆变器系统谐波稳定性对LCL逆变器参数设计的约束条件。接着以降低LCL型滤波器阻尼损耗为目标建立优化模型的目标函数，并且以并网公共点谐波稳定性、滤波电容发出无功上限、电流纹波要求等为约束条件。最后采用改进猫群算法对滤波器参数进行寻优，得到考虑并网点谐波稳定的以阻尼损耗为优化目标的一组最优参数。

如图1所示，本实施例对LCL型逆变器进行阻抗建模，其并网拓扑结构如图1所示，六个开关管构成三相逆变器的三个桥臂，U_dc为直流电源，C_dc为直流侧储能电容；L₁、L₂以及C构成LCL型滤波器，R为阻尼电阻；i_g为并网电流；U_PCC为公共联接点电压。

对LCL型滤波器列三阶微分方程，并对其进行Park变换，如式：

其中u₁、u₂、i₁、i₂分别为逆变器端电压、电网端电压、逆变器输出电流、并网电流；U₁、U₂、I₁、I₂分别为u₁、u₂、i₁、i₂的频域表达形式。按照式(1)可以画出并网逆变器控制框图，如图2所示。其中，G(s)＝K_p+K_i/s为采用PI控制的传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数；K_PWM为逆变器等效增益，其值大小表征的是直流电压和三角载波的数值比值。根据框图可以得到包含控制系统以及滤波器在内的滤波器在内的输出阻抗模型，输出阻抗模型可表示为：

将并网逆变器等效为一个受控源I₀并联一个阻抗Z₀的模型，电网系统则等效为戴维南模型，其中U_g为电网电压，Z_g为电网等效阻抗。等效阻抗网络如图3所示。由叠加定理可求得，并网逆变器的并网电流可以表示成：

逆变器和电网都稳定的情况下，并网输出电流取决于右边一项，该表达式类似于一个拥有负反馈且前向增益为1的闭环传递函数，反馈增益为Z_g/Z₀。通过电网阻抗和逆变器阻抗的比值的奈奎斯特曲线判定并网系统的稳定性。

在本实施例中，目标函数的建立具体为：LCL滤波器的阻尼损耗如下式所示：

其中，X为控制变量组，X＝[L₁,L₂,R,C,K_p,K_i]，L₁为滤波器逆变器侧电感；L₂为滤波器电网侧电感；R为阻尼参数；C为滤波器电容；K_p,K_i分别为逆变器控制环节的比例系数和积分系数；其中I_h为流过滤波电容的h次谐波电流。流过滤波电容的电由三部分组成：基波电流、谐振电流以及和开关频率有关的谐波电流。由于滤波电容的基频阻抗很大，所以基波电流较小，近似为零；也由于阻尼R的存在，限制了谐振电流，为了简化模型在此也忽略，近似为零。所以式中的I_h可当成流过滤波电容的开关频率次的谐波电流，由此可以得到考虑弱电网下并网系统谐波稳定性的以降低阻尼损耗为目标的LCL型滤波器的参数优化模型的目标函数，如下式，I_hs为开关频率次谐波电流。

其中，为U_hs谐波电压有效值；k为电网侧电感和逆变器侧的电感之比；L_t为滤波器电感之和，ω_hs为开关角频率。

在本实施例中，约束条件的确定具体包括以下几个方面。

(1)考虑稳定性采用赫尔维茨稳定判据。由式(3)分析可知，闭环稳定系统的稳定性分析主要依据是闭环特征方程的所有的根是否均位于左半平面。用赫尔维茨稳定判据可有以下判定方法：设逆变器并网系统的闭环传递函数为：

D(s)＝a₀s⁴+a₁s³+a₂s²+a₃s¹+a₄s⁰ (7)

由上述闭环特征方程系数构成的主行列式的及其顺序主子式全部为正，即：

(2)考虑滤波电容。滤波电容越大对电网的谐波抑制作用越明显，故滤波电容的值越大越好，但是滤波电容越大提供的无功就越大，一般规定滤波电容提供的无功上限不超过额定功率的5％，即

其中，P_N、E_N为额定功率和额定电压。

(3)电流纹波要求。滤波器总电感L_t对电流纹波有抑制作用。因此又有：

其中，U_dc为直流母线电压，f_s为开关频率，λ₁为电流纹波系数，I_N为额定电流。

(4)滤波器谐振频率要求。所设计的谐振频率应位于高频段，并且应满足：

10f₁≤f_res≤f_s/2 (11)

其中，f_res为谐振频率，f₁为基波频率。

特别的，猫群算法具有原理简单、设置参数简单等优点，但是容易陷入局部最优、最优解追踪精度不高等缺点。本实施例改进之后的猫群算法公式为：

x_i(n+1)＝x_i(n)+v_i(n+1)＝x_i(n)+v_i(n)+c_x(n)×rand×(x_gbest(n)-x_i(n))

c_x(n)＝a+x(n)

x(n)＝u×x(n-1)×[1-x(n-1)] (13)

式中，c_x(n)为猫群位置变量；[a b]为猫群为主的遍历范围；u为混沌控制参数。第i只猫在D维空间的位置和速度表示为：

x_i＝(x_i,1,x_i,2,x_i,3,…,x_i,D),i＝1,2,3,…,D

v_i＝(v_i,1,v_i,2,v_i,3,…,v_i,D),i＝1,2,3,…,D (14)

其中，具体的求解步骤如图4所示。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：建立逆变器经LCL型滤波器并网的频域模型；

步骤S2：建立以降低阻尼损耗为目标的目标函数；

步骤S3：用改进猫群算法对滤波器参数进行寻优，得到考虑并网点谐波稳定的以阻尼损耗为优化目标的一组最优参数。

2.根据权利要求1所述的一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法，其特征在于：步骤S3中，所述改进猫群算法中，优化后的猫群算法公式为：

x_i(n+1)＝x_i(n)+v_i(n+1)＝x_i(n)+v_i(n)+c_x(n)×rand×(x_gbest(n)-x_i(n))

c_x(n)＝a+x(n)

x(n)＝u×x(n-1)×[1-x(n-1)]

式中，c_x(n)为猫群位置变量；[a b]为猫群的遍历范围；u为混沌控制参数；

其中，第i只猫在D维空间的位置和速度表示为：

x_i＝(x_i,1,x_i,2,x_i,3,…,x_i,D),i＝1,2,3,…,D

v_i＝(v_i,1,v_i,2,v_i,3,…,v_i,D),i＝1,2,3,…,D。

3.根据权利要求1所述的一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：录入原始数据，包括逆变器并网系统参数以及算法参数；

步骤S32：初始化符合约束条件的猫群位置，处于[a b]区间，设置猫群优化算法的群体大小为N，分组率为MR；

步骤S33：根据猫群的初始位置，计算猫群体适应度值，选取并记录在种群中适应度最大的猫；

步骤S34：根据分组率MR随机将猫分组，令MR＝跟踪模式下的猫的数量/总猫数；判断猫是否属于搜寻模式，若是，则进入步骤S35，否则，进入步骤S36；

步骤S35：进行优化后的搜寻模式，复制猫个体，将复制好的个体存入记忆池中，进入步骤S37；

步骤S36：进行优化后的跟踪模式，整个猫群所经历的最佳位置是目前搜索的最佳解决方案，猫群体及时更新其移动速度，从而更新其位置；

步骤S37：计算更新后的猫群适应值并且记录下适应度值最大的猫的位置；

步骤S38：判断约束条件是否满足，如果满足则输出最优解，并结束算法；否则，利用混沌的控制策略对算法进行更新，重复步骤S34-步骤S37直至满足最优解输出。

4.根据权利要求3所述的一种综合优化谐波稳定性和阻尼损耗的LCL滤波器设计方法，其特征在于：其中约束条件包括但不限于：并网逆变器系统谐波稳定性对LCL逆变器参数设计的约束、并网公共点谐波稳定性约束、滤波电容发出无功上限约束、电流纹波要求约束。