光伏并网发电系统中LCL滤波器性能分析与设计方法研究

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近年来,随着化石能源的逐渐枯竭和人类对能源需求量的增大,供需不平衡的关系导致如煤和石油等化石能源的价格逐步走高。同时由于对化石能源过度的开采和利用,对生态环境带来了严重的污染。因此,为了满足人类对能源与日俱增的需求量,对传统能源结构的改革势在必行。世界各国为了应对能源危机,纷纷出台相关扶持政策来加大对可再生能源的研究。可再生能源如风能和太阳能等新能源在近年来均得到了大量的研究和利用。由于光伏阵列的输出形式为直流因此不能直接供给负载使用,也不能与电网相连进行并网运行。因此需要一个中间能量变换环节将电能进行变换,其中间桥梁设备主要为光伏逆变器。光伏并网发电系统的并网效果直接受到光伏逆变器的效果影响。同时,由于光伏逆变器的输出含有大量的谐波分量,必须对其输出谐波加以抑制。本文所研究的光伏并网发电系统,采用两级式拓扑。前级包括太阳能电池阵列和DC-DC变换电路,后级包括三相并网逆变器和LCL滤波器。论文首先对光伏电池的输出特性进行分析,从而建立其工程模型。对常用的MPPT方法进行分析对比,选取梯度变步长的电导增量法对DC/DC变换电路进行控制以实现最大功率点跟踪的功能为后续研究工作提供基础。对光伏并网发电系统后级基于LCL滤波的并网逆变器进行一般建模,采用双闭环控制策略实现逆变器的并网控制。在仿真软件中建立光伏并网发电系统的仿真模型,对所建立的光伏电池模型、MPPT控制策略及逆变器并网控制策略进行验证。由于光伏并网逆变器的输出端通常含有大量谐波成分,其谐波主要为倍数于其开关频率的高频谐波分量。如果任由谐波注入电网中,将使得整个电网的电能质量下降,从而将给所有与此电网相连的电气设备和负载带来危害。因此必须采用适当方法对注入电网的谐波分量进行合理有效的抑制。通常所采用的谐波抑制方式是在并网逆变器的输出端和电网之间串联接入一个无源滤波器。常用的无源滤波器主要有L型、LC型及LCL型滤波器。由于在相同的谐波抑制效果下,LCL滤波器所需要的滤波总电感最小,因此能够有效降低滤波器的体积、重量以及成本,从而在光伏并网发电系统中得到广泛应用。但由于LCL滤波器本身是一个三阶系统具有一个固有谐振点,若不加以控制,在其固有谐振点附近的高频电流将产生振荡,会造成入网电流达不到入网谐波标准。采用LCL滤波器能够有效的对谐波进行抑制,LCL滤波器的参数设计对系统的滤波性能起着至关重要的作用。传统的滤波器参数设计方法通过对各个参数分别计算后再验证其是否满足限制条件要求。如果所设计的滤波器参数不能满足限制条件的要求,则需要重新进行参数取值。这种参数设计方法的计算过程复杂,且不能保证所取得的参数为最优值。一些学者也尝试采用优化算法进行参数选择,但往往原理复杂,在工程应用环境中并不适用。本文就LCL各参数之间的相互影响关系和各参数变化对入网电能质量的影响进行分析,为工程应用的参数选择提供参考依据,并给出一种更适合于工程应用的参数选取方法。
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