并网阻抗变化对LCL滤波器稳定性的影响与改善方法

并网阻抗变化对LCL滤波器稳定性的影响与改善方法
摘要：随着电力电子技术与数字控制技术的发展，电力系统中基于高频电力电
子并网的负荷与电源日益增加，本文针对不同接入阻抗变换对LCL滤波器稳定性
的影响进行分析，研究并网阻抗不同变化对逆变器稳定性和接入点电压谐波的影响。

关键词：阻抗；稳定性；滤波器；电压畸变
1．引言
随着电力电子技术与数字控制技术的发展，电力系统中基于高频电力电子并
网的负荷与电源日益增加，如各类大功率变频器、UPS电源、分布式电源逆变器
等等。

在局部电力系统和配电系统中，由于如大规模风电和光伏发电的集中接入，以及负载母线上大量的有源无功补偿设备，风机、泵、调速电机变频器的集中接
入等等，使得这类高频电力电子设备的接入容量可以达到系统容量的15%甚至更高。

大量高频电力电子设备的接入，尤其是当其接入容量占接入系统总容量比例
较高时，会直接影响和改变设备的并网接入阻抗特性。

当接入系统集线距离较长、同规格和同型号电力电子设备接入数量较大时，电力电子设备并网滤波器与集线
回路杂散阻抗相互影响和耦合，会造成设备并网接入阻抗根据投入设备数量、运
行功况和接入位置的不同在一个较大范围内变化。

那么原有基于传统强电网接入
条件的设备稳定性设计就可能由于并网阻抗的变换而变的不稳定，对于LCL滤波
器该问题则更加突出。

当并网阻抗特性变化较大时，就可能会造成逆变器的不稳定，或造成输出电流和并网点电压的严重畸变。

本文针对不同接入阻抗变换对LCL滤波器稳定性的影响进行分析，研究并网
阻抗不同变化对逆变器稳定性和接入点电压谐波的影响，从理论上得出了不同并
网阻抗类型、参数波动范围对LCL滤波器稳定的定性结论。

同时，针对LCL滤波
器电压反馈控制提出一种改善控制器稳定性的方法，重点在于分析电容电压前馈
在并网阻抗变化情况下的作用。

仿真结果表明采用该方法可以有效降低并网阻抗
波动对LCL滤波器稳定性的影响，并降低并网电流谐波总量和接入点电压畸变。

2．电容电压前馈对系统的影响
基于LCL滤波器的并网逆变器控制中，对LCL滤波器中电容电压进行采样，
并作为前馈分量可以使控制对象由多阶系统简化为单电感环节，从而提高系统稳
定性，改善动态特性。

引入电容电压前馈控制的闭环控制回路。

其中，控制回路
中电流环控制器采用PI或PR控制器，逆变侧电流反馈。

这里，电容电压前馈的
主要作用是为了获得更好的暂态响应特性，以满足低电压穿越等并网要求。

电容
电压前馈改变了电流环控制器输出对象的阻抗特性。

对于逆变侧电流控制而言，
理想的电容电压前馈消除了系统谐振点，极大改善电流环的暂态特性。

对于电容
电压传递函数，则使得其谐振频率点向低频段推移。

电压前馈的引入则消除了闭
环逆变侧电流传递函数中的谐振点，同时改善了系统在电网电压扰动情况下的暂
态特性。

有电容电压前馈和无电容电压前馈情况下，引入电容电压前馈后，电容电压
的闭环传递函数中存在谐振点，会在电容电压上造成很大的谐波畸变，甚至引起
系统的不稳定。

3．电容电压前馈的改进方法
如上节所述，滤波器电容电压前馈会造成逆变器电流环控制对象谐振频率向
低频段的偏移，从而造成电容电压上的谐波畸变。

但另一方面，电压前馈引入是
为了改善逆变器的暂态特性，从而更好的满足低电压穿越等并网要求。

一个可行
的做法是以电容电压的基波正序分量来作为电压前馈量，这一方面可以避免电容
电压上的高次分量造成电容电压的畸变，另一方面也可以获得较好的暂态特性。

电容电压正序基波分量的提取方法有很多，如基于旋转坐标系的正序基波提
取方法，基于低通滤波器的提取方法等，这里不做赘述。

在上述电容电压正序基
波分量提取过程中，需要注意提取后的电压信号相位偏移问题（例如电压信号通
过低通滤波器后的相位偏移），以及电网电压频率波动对不同正序基波分量提取
方法的影响，并做相对应的处理。

这里以单相半桥并网逆变器为例，采用MatLab/Simulink模型对基于LCL滤波
器的并网逆变器电流和电压谐波进行仿真分析，研究采用电容电压基波分量前馈
在不同情况下对逆变器并网电压谐波的影响。

4．电压前馈控制分析
4.1 理想并网情况下的电容电压前馈控制
在采用电容电压前馈和采用电容电压基波分量前馈时，分别得到电容电压上
的谐波分析，
采用电容电压前馈加重了系统在17次谐波的畸变，而采用电容电压基波分量作为电压前馈信号则有效的抑制了该谐振点的谐波畸变。

4.2 感性并网阻抗情况下的电容电压前馈控制
假设由于接入电网阻抗发生变化，网侧阻抗增大，则网侧阻抗谐振频率分别
采用电容电压基波分量前馈与采用电容电压前馈下，所得电容电压谐波分析。

采
用电容电压前馈加重了系统在5次谐波附近的畸变，而采用电容电压基波分量前馈，则有效消除了5次谐波附近的畸变。

4.3 CL并网阻抗情况下的电容电压前馈控制
假设并网阻抗表现为CL特性，其中并网阻抗采用电容电压基波分量前馈与采
用电容电压前馈的结果。

考虑CL并网阻抗则引入多个谐振点，造成电容电压畸
变或引起系统不稳定。

采用电容电压基波作为前馈信号，则能明显改善这一问题。

4.4 双机并联情况下的电容电压前馈控制
考虑双机并联情况下，电容电压前馈对系统稳定性和并网点电压谐波的影响。

其中，双机LCL滤波器参数与仿真参数一致。

可以看到双机并联情况下，由于同
型号逆变器间的相互耦合扰动，采用电容电压前馈控制造成了系统不稳定，引起
并网点电压的严重畸变，采用电容电压基波分量前馈控制，则能够有效抑制双机
耦合带来的扰动和不稳定，保证了并网点电压的高质量。

5．结论与分析
本文通过理论分析和仿真研究，分析了并网阻抗变化对基于LCL滤波器的逆
变器稳定性和并网点电压谐波的影响。

提出了改进的电容电压基波分量前馈控制
方法，并在并网阻抗变化，以及同型号逆变器多机并联情况下对逆变器并网特性
进行了仿真分析，
得到如下结论：
电容电压前馈会造成系统谐振频率向低频段推移，尤其是当电网阻抗较大、CL阻抗特性和同型号多机并联时，这种推移会造成电容电压上产生较大的谐波畸变，甚至造成系统不稳定；
采用电容电压基波分量前馈，可以有效的改善这一问题，降低电容电压谐波
畸变，同时改善系统稳定性；
电容电压基波分量提取方法会对系统在电网电压扰动情况下的暂态特性造成一定影响，但通过对基波分量提取滤波器阻尼的调整，可以在两者间取得平衡。

参考文献：
[1]Impact of multiple inverter based distributed generation units on harmonic resonance
[2]IEC 61000-3-6 (1996) Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 3: Limits –Section 6: Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems – Basic EMC Publication
[3]Higher Frequency Performance of AC Cable Connections of Offshore Wind Farms – Studies of the Danish TSO。