适用于并网逆变器的新型LCL滤波器.pdf

  • 文档大小:790.21 KB
  • 文档格式:pdf
  • 约 8页
  • 2021-06-13 发布
  • 举报
适用于并网逆变器的新型LCL滤波器1 适用于并网逆变器的新型LCL滤波器2 适用于并网逆变器的新型LCL滤波器3 适用于并网逆变器的新型LCL滤波器4 适用于并网逆变器的新型LCL滤波器5 适用于并网逆变器的新型LCL滤波器6 适用于并网逆变器的新型LCL滤波器7 适用于并网逆变器的新型LCL滤波器8
已阅读完毕,您还可以下载文档进行保存
文档单价:6.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档
  1. 1、本文档共8页,内容下载后可编辑。
  2. 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领。
  3. 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
第44卷第11期2016年6月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVO1.44NO.11Jun.1.2016D0I:10.7667/PSPC151260适用于并网逆变器的新型LCL滤波器金亮亮,周荔丹,姚钢,张嵩,冯文军,毛维俭(1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学),上海200240;2.国网上海市电力公司市区供电公司,上海200080;3.上海闸电燃气轮机发电有限公司,上海200122)摘要:针对LCL滤波器应用于并网逆变器过程中,存在谐振问题和滤波电容在5、7次谐波的作用下过流损毁的现象,首次提出了一种新型的LCL滤波器。在传统滤波支路中引入一个并联谐振和一个串联谐振,并联谐振实现滤波电容的保护,串联谐振实现开关频率谐波的滤除。首先推导了该方案下系统电压和滤波支路电流的传递函数,接着分析了滤波电容参数变化对滤波支路谐振点的影响,合理选取了本方案各元件的参数。最后对两种滤波结构进行仿真和实验,证明了所提方案在具有相似滤波效果的条件下,保护了滤波电容,降低了无源阻尼的损耗。关键词:LCL滤波器;无源阻尼;并联谐振;串联谐振;STATCOMAnovelLCLfilteradoptedingrid-connectedinverterJ1NLiangliang,ZHOULidan,YAOGang,ZHANGSong,FENGWenjun,MAOWeijian(1.KeyLaboratoryofControlofPowerTransmissionandConversion(ShanghaiJiaoTongUniversity),MinistryofEducation,Shanghai200240,China;2.StateGridUrbanPowerSupplyCompany,SMEPC,Shanghai200080,China;3.ShanghaiZhadianGasTurbinePowerGenerationCo.,Ltd.,Shanghai200122,China)——Abstract:LCLfilteradoptedingridconnectedinverterhasitsresonantissuemeanwhilethecapacitorisvulnerableundertheimpactof5,7harmonic.Tothisend,anewLCLtopologyisproposedwithtworesonancesintroducedinitsfilterbranch,i,e.aparallelonetogetthecapacitorprotectedandaserialonetodecreaseswitchingharmonics.Thetransferfunctionoffilterbranchcurrentandgridvoltageundertheschemeispresentedfirstly,thentheinfluenceoffiltercapacitanceperametersvariationontuningpointoffilterbranchandthebasicprocessofparametersselectionareputforwa—rd.ComparisonresultsconsideringnovelLCLfilterandtraditionalLCL-filterarepresented,whichshowthatthenoveltopologycanachievealmostthesamedampingeffectasbytraditionaltopology,meanwhile,gettingthecapacitorwellprotectedanddecreasingpowerlosscausedbypassivedamping.—Keywords:LCLfilter;passivedamping;parallelresonance;seriesresonance;STATCOM0引言基于LCL的并网逆变器(LCLgridconnectedinverter)在实际应用中存在两个问题:1)并网电流谐振J;2)滤波电容过流损毁。前者是由于LCL为一个三阶系统,自身存在一个无阻尼谐振点,需采用阻尼措施维持系统稳定。阻尼措施主要分为有源阻尼和无源阻尼两大类l3J:有源阻尼通过采样滤波电容电压或电流信号作为内环反馈来实现LCL谐振点的抑制J,虽然不存在损耗的问题,但是增加了控制的复杂度和额外的传感器;无源阻尼通过在滤波电容支路串联或并联阻尼电阻来实现谐振电流的抑制[5l,控制策略简单可靠,得到了更广泛的应用。后者则是由于实际运行中,电网背景谐波(主要是5、7次谐波)的存在,使得流经滤波电容支路的5、7次谐波电流大量增长,最终导致滤波电容过流损毁,采取相应措施保护滤波电容很有必要。而目前国内外文献的研究内容主要针对于减弱电网背景谐波对并网电流质量的影响_6J,对滤波电容保护的电力系统保护与控制研究很少。因此,本文为了减少流经滤波电容的5、7次谐波,提出了一种改进的LCL拓扑结构。该拓扑在传统LCL滤波支路上引入了一个并联谐振和一个串联谐振。并联谐振频率设置为250Hz,使得滤波支路对5、7次谐波都有比较高的阻抗,衰减流经滤波支路的5、7次谐波电流,进而保护滤波电容;串联谐振,类似于LLCLl9J结构的原理,谐振频率设置为开关频率,使得开关频率处的谐波流经滤波支路而不注入电网。最后本文以基于LCL的静止同步—补偿器(StaticSynchronousCompensator,LCLSTATCOM)为例进行仿真和实验研究,验证了本文提出拓扑的有效性。1新型LCL.STATC0M模型和控制—1.1新型LCLSTATCOM方案的提出图1给出了经新型LCL滤波的STACOM拓扑图。其中为系统侧电压,Jr为机侧电流,厶为并网补偿电流,厶f为流经滤波电容支路的电流,为直流侧电压,为STATCOM逆变器侧电压,为直流侧电容,、为滤波电感,成为阻尼电阻,为滤波电容,LOAD1和LOAD2分别为对称负载和非线性负载。相比于传统结构的LCL滤波器,新型LCL增加了谐振模块1和3,其中£4和构成谐振模块1,£3和Cf构成谐振模块2。MODULE2图1新型LCL型STATCOM拓扑结构Fig.1TopologyofSTATCOMwithnovelLCLfilter由图1得到传统LCL滤波器和新型LCL滤波器的结构框图如图2所示,其中()、()和Ug(s)分别为逆变器输出侧电压、滤波支路电压和电网电压在复频域的拉普拉斯变换,,)、I2(s)和It(s)分别为逆变器输出侧电流爪无功补偿电流厶和滤波支路电流,c在复频域上的拉普拉斯变换。图2中,除了滤波效果以外,本文主要研究电网背景谐波对滤波支路电流的影响,给出滤波支路电流厶相对于网侧电压的传递函数,如式(1)和式(2),给出并网电流/2相对于逆变器侧电压的传递函数,如式(3)和式(4)。(a】1§统LcL结构框Ic㈤S一(b新型LCL结构框陶图2LCL滤波器结构框图Fig.2BlockdiagramofLCLfilterLLCes。()1Cf+(厶+L2)cfRf+(厶+L2)SIt(s)一C4CrL4LlS+CfL1s()5+04+a3s+2+口l+:鱼±U()厶c+(厶+三2)Rfs+(厶+L2)s,2(引一b4s+b3s+b2s+bts+()a5s+a4s+十2+als+式(2)中:a00al=Ll+£2a=(厶十£)Cr辟a3=厶G+厶Cf+厶+厶厶C4+2+2+£:a4=(厶L4CfC4+L2L4CfC4)a=L。L2L4cfC4+厶厶CrC4+厶Cf式(4)中,系数ao-a5与式(2)相同。bo=161=CfRfb2=CfL3+CfL4+C4L4b3=L4CfC4Rfb4=L3L4Cfc4(2)(3).4..电力系统保护与控制流相对于逆变器侧电压的伯德图,如图4所示。图4fa)中,N1和N3为不带阻尼电阻时两种方案的伯德图,N2和N4为串联电阻以后两种方案的伯德图。图4fb)中,A1和A2分别为带阻尼以后新型LCL和传统LCL的滤波效果的伯德图。表1LCL各元件参数参数5O∞0501009O∞13580225270Hz(a)滤波支蹄电流相对侧}乜jk、,{・“、0|一’≯、一一fb刚侧电流辎对于逆变料侧电图4两种方案的伯德图Fig.4Bodediagramoftwoapproaches由N1和N2可以发现,传统拓扑结构串联电阻的方式可以有效地抑制系统的谐振点(2.39kHz)。由N3可以看出,新型的LCL由于拓扑比较复杂谐振点有3个,LCL固有的谐振点有所抬高(2.73kHz),在同样大小的阻尼电阻作用下,具有更好的谐振抑制效果;在250Hz附近有两个谐振点,对5次谐波有一个明显的反向峰值,很好地抑制了5次谐波流经滤波支路。由N3和N4可以看出,按照式(10)整定阻尼电阻以后,新型拓扑结构的谐振现象得到了明显抑制,值得注意的是,串联电阻以后250Hz处反向的谐振点依然存在,所以新拓扑依然能抑制流经滤波支路的5次谐波电流。由N2和N4可以看出,新型拓扑结构和传统拓扑结构都很好地解决了谐振问题,而且由N4可以看出新型结构能抑制流经滤波支路的5次谐波电流,并衰减7次谐波电流,保护了滤波电容不受电网背景谐波的影响,由A1和A2可以看出,两种方案在低频段的滤波特性基本完全一致,所以新方案不会影响传统的控制策略,虽然Al在高频段的衰减效果不如传统方案A2,但是拥有更大的相角裕度。总的来说,新型LCL结构和传统方案的滤波效果相差无几,但是能更好地保护滤波电容,优势明显。—1.3LCLSTATCOM控制策略由图4(b1可以看出,新型LCL和传统LCL结构在低频段的伯德图特性基本一致,而LCL滤波器和L滤波器,在低频段的伯德图特性基本一样,所以可以按照一般的经L并网的STATCOM进行控制器设计l】¨J。STATCOM主要是基于VSR拓扑结构的变换器,可以看作一台不带直流负载的PWM整流器,忽略各元件寄生电阻,按照VSR在d-q坐标系下的模型可得。dj=一(厶+L2)二+(厶+L2)iq+U(11)U£df—i=一(厶+L2)÷一(1+£2)+(12)Uf采用PI调节器分别对电压外环以及电流内环进行控制,STATCOM在运行时,会有开关损耗等一系列损耗,所以需要系统提供少量有功分量,参考电流的有功分量由电压外环经PI调节得到,无功分量由电网检测得到。控制框图如图5所示。图5STATCOM控制框图Fig.5Controldiagramofthree・phaseSTATCOM∞∞如加渤如一厶一Q琊一7一金亮亮,等适用于并网逆变器的新型LCL滤波器—一52仿真验证对经两种滤波结构并网的STATCOM仿真。图—1为新型LCLSTATCOM系统仿真电路,具体仿真参数如表2所示。LCL滤波器参数按照表1设置,传统LCL相比于新型LCL结构,缺少了谐振模块1和串联电感三3,其余参数均和新型LCL结构一致。因为实际运行中,滤波支路的5、7次谐波主要来自于非线性负载产生的谐波和电网背景谐波,所以在只带负载谐波、只带电网背景谐波及负载谐波和电网背景谐波共同作用三种情况下,对传统LCL滤波结构和新型LCL滤波结构进行仿真比较。通过一个不可控二极管整流器带电阻负载来模拟负载有谐波的情况。表2系统仿真参数Tlable2Parametersofsimulation仿真参数数值网侧电压5次背景谐波7次背景谐波直流侧电压砜。负载电阻负载电感二极管整流负载开关死区时间380V5%5%700V1n1mH2Q4Its2.1三种情况的仿真波形在只带负载谐波、只带电网背景谐波及负载谐波和电网背景谐波共同作用三种情况下,分别对两种结构进行仿真。传统LCL滤波结构和新型LCL滤波结构滤波支路的仿真电流及其FFT分析如图6所示,a(1-3) ̄[1b(1~3)分别代表三种情况下,传统LCL结构和新型LCL结构的波形图。将三种情况下系统的阻尼损耗和5次谐波附近谐波含量比较多的频率列表如表3所示。10010妇支路电流0.100.140.180.220.26030谐波次数a(1)1001O支路电流0l00l40.180.22026030353O252015lO5O100l010246810I2l4l61820谐波次数a(2)支路电流0.100140.180220.260.30;一;把1OO1Ot/si_:_IIf...I一0246810l214161820谐波次数ar3、fa1传统LCL拓扑结构支路电流0l001401802202603O1O01O谐波次数bf1)支路电流0.100.140180.220.260.3015缸舡lO窭50t/sj024681012l4l6182O谐波次数b(2)如《电力系统保护与控制谐波次数b(3)(b)新型LCL拓扑结构图6三种情况下滤波支路的FFTFig.6FFTanalysisoffilterbranchunderthreecases通过对表3和图6流经滤波支路的电流的比较,可以发现,相比于(b),在(a)中,电流含更多的5、7次谐波成分;在(b)中,210Hz周围谐波有少量增长,这是因为谐振模块1引入的低阻抗串联谐振点的作用,若增加阻尼电阻可以有效地降低210Hz处的谐波含量,将阻尼电阻增加到1.45Q可以有效地抑制210Hz处的谐波,但是阻尼损耗会明显增加(以电网背景谐波作用下为例,阻尼损耗从13.5W增加到39w1。因为实际运行中,一般很少会有210Hz的谐波,所以本拓扑为了降低损耗,没有加大阻尼电阻。由图6(a),可以看出一旦电网有了一定的背景谐波(往往是5、7次谐波),滤波支路的5、7次谐波是成倍地上涨,此时,电容损毁的情况变得尤为常见。而由图6(b)可以看出,本文提出的拓扑结构,在大幅衰减流经滤波支路的5次谐波电流的同时,对7次谐波电流也有部分衰减。由图6和表3可以看出,三种情况下,新拓扑的支路电流畸变率明显低于传统拓扑结构,可以有效地降低无源阻尼的损耗,提高系统效率;抑制了流经滤波支路的5次谐波电流,并衰减了7次谐波电流,很好地保护了滤波电容。表3三种情况下特定频率谐波畸变率Table3CertainharmoniccurrentFFTanalysisoffilterbranchunderthreecases2.2并网电流仿真为进一步了解两种滤波结构对并网电流的影响,对并网电流进行仿真。因为实际应用中,流经滤波支路的5、7次谐波主要来源于电网背景谐波,所以本文仅针对在电网背景谐波单独作用的情况下,对两种拓扑结构并网电流进行仿真,如图7所不。f流10。—110I/\¨H¨/\/\』\{。。20100140180.2202603Ot/s谐波次数(a)传统LcL打i扑构潴波次数fb)新I',.LCLJ,(b}b结构图7只有背景谐波时并网电流FFTFig.7FFTanalysisofinvertercurrentunderbackgroundharmonics因为本文提出的拓扑结构相比于传统拓扑结构,提高了系统固有的谐振频率(由2.39kHz升高到2.73ldtz),在同样大小的阻尼电阻作用下,具有更好的谐振抑制效果;所以图7中,新拓扑在抑制5、∞∞0.8电力系统保护与控制3)合理地选择了滤波器的元件参数,通过仿真和实验证了本文提出的拓扑结构的有效性和相关理论的正确性。本文提出的拓扑结构相比于传统的拓扑结构,在衰减了5、7次谐波流进滤波支路的同时,保护了滤波电容;减少了阻尼电阻的损耗,提高了系统的效率。参考文献[1]陈新,韦徵,胡雪峰,等.三相并网逆变器LCL滤波器的研究及新型有源阻』c三控制[J].电工技术学报,2014,—29(6):7179.CHENXin,WEIZheng,HUXuefeng,eta1.Researchon—LCLfilterinthree-・phasegrid・connectedinverterandnovelactivedampingcontrolstrategy[J].Transactionsof—ChinaElectrotechnicalSociety,2014,29(6):7179.[2]彭咏龙,朱劲波,李亚斌.基于电感电压反馈和输入整形技术的LC滤波器混合阻尼控制[J].电力系统保护与控制,2015,43(2):103.107.PENGYonglong,ZHUJinbo,LIYabin.HybriddampingcontrolbasedontheLCfilterinductorvoltage ̄edbackandinputshapingtechniques[J].PowerSystemProtectionandControl,2015,43(2):103-107.[3]李建泉,吴小云,何星瑶,等.集中补偿型LCL.APF的有源阻尼控制方法研究[J].电力系统保护与控制,—2015,43(5):101106.LIJianquan,WUXiaoyun,HEXingyao,eta1.Research—ontheactivepowerdampingcontrolofLCLAPFbasedonconcentratedcompensation[J].PowerSystemProtection—andControl,2015,43(5):101106.—[4]BAOChenlei,RUANXinbo,WANGXuehua,eta1.Step—by--stepcontrollerdesignforLCL・typegrid--connectedinverterwithcapacitor-current-feedbackactive-damping[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2014,29(3):—12391253.—[5JPENAALZOLAR,LISERREM,BLAABJERGF,eta1.AnalysisofthepassivedampinglossesinLCL・-filter--basedgridconverters[J].IEEETransactionsonPower—Electronics,2013,28(6):26422646.[6]吴业,谢少军。阚加荣,等.逆变器侧电流反馈的LCL并网逆变器电网电压前馈控制策略[J].中国电机_T程学报,2013,33(6):54.60.wuYnnya,XIESha ̄un,KANJiarong,eta1.Afullgridvoltagefeed--forwardcontrolstrategywithinverter--sidecurrentfeedbackforLCLgrid-connectedinverters[J].—ProceedingsoftheCSEE,2012,33(6):5460.[7]李芬,邹旭东,邹云屏,等.并网LCL滤波的PWM整流器输入阻抗分析【J].电工技术学报,2010,25(1):[8][9]97.103.LIFen,ZOUXudong,Z0UYunping,eta1.InputimpedanceanalysisofLCL-filterPWMrectifierconnectedtogrid[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2010,25(1):97一l03.WUWM.HEYB,BLAABJERGF.AnLLCLpowerfilterforsingle-phasegrid-tiedinverter[J].1EEETransactionsonPowerElectronics,2012,27f2):782.789.WUWM,HEYB。TANGTH.ANewdesignmethodforthepassiveda—mpedLCLandLLCLfilterbasedsingle・phasegrid・tiedinverter[J].IEEETransactionsOD—IndustrialElectronics,2013,60(10):43394350.[1O]郭珂,曾意,刘强,等.LCL滤波器在具有有源滤波功能的光伏并网系统中的应用【J】.电力系统保护与控制,—2013,41(3):7379.GUOKe,ZENGYi,LIUQiang,eta1.ApplicationofLCL--filterinphotovoltaicgrid・・connectedsystemwithactivepowerfilterfunction[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,41(3):73-79.111JLISERREM,BLAABJERGF,DELLAQUILAA.Step--by・-stepdesignprocedureforagrid--connectedthree-phasePWMvoltagesourceconverter[J].International—JournalofElectronics,2004,9l(8):445460.[12]姚致清,张茜,刘喜梅.基于PscAD/EMTDC的三相光伏并网发电系统仿真研究[J1.电力系统保护与控制,—2010,38(17):7681.YAOZhiqing,ZHANGQian,LIUXimei.Researchonsimulationofathree-・phasegrid・-connectedphotovoltaicgenerationsystembasedonPSCAD/EMTDC[J].Power—SystemProtectionandControl,2010,38(17):7681.[13]赵晋斌,张元吉,屈克庆,等.单相LCL并网逆变器控—制策略综述[J].电工技术学报,2013,28(10):134142.ZHAOJinbin,ZHANGYuanji,QUKeqing,eta1.Overviewofcontrolstrategyforsingle・-phasegrid--connectedinverterwithLCLfilter[J].TransactionsofChinaElectrotechnical—Society,2013,28(10):134142.收稿日期:2015-07-21;修回日期:2015-08-04作者简介:金亮亮(1990一),男,硕士研究生,研究方向为新能源—并网逆变器;Email:461109452@qq.com周荔丹(1973一),女,博士,副研究员,研究方向为电力电子在电力系统中的应用;E-mail:zhoulidan@sjtu.edu.cn姚钢(1977一),男,通信作者,博士,副研究员,研—究方向为电力电子在电力系统中的应用。Email:yaogangth@sjtu.edu.cn(编辑魏小丽)
庸梦人
该用户很懒,什么也没介绍
文档单价:6.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档