多并网逆变器与电网的谐波交互建模与分析_许德志

inverter with LCL filter
1 谐波谐振产生机理
并网逆变器系统结构如图 1 所示。由于并网模 式下逆变器相当于一个受控电流源，因此从 PCC 看进去，系统可等效为一个电流源 io 并联一个阻抗 Zo(逆变器输出阻抗)，即诺顿等效电路，如图 2(a) 所示。此外，电网可等效为电网电压 ug 串联一个阻 抗 Zg(电网输入阻抗)。
为进一步使模型更加接近实际并网逆变器系 统，本文提出将死区效应和器件非理性特性考虑到 模型中来增加其精确性；在分析阻抗网络谐振机理 的基础上，以 LCL 单相并网逆变器系统为例详细推 导基于并网电流和电容电流双闭环控制的精确输 出阻抗模型。最后，利用建立的模型对多个逆变器 与电网之间的谐波交互进行有效建模，并结合理论 分析与电路仿真对本文提出的多模块并网交互研 究方法加以验证。
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中国电机工程学报
第 33 卷
T1 a
Udc
T2
D1 T3
b D2 T4
D3 L1 iinv ig L2
C+ iuCC
D4
PCC Lg
ug
PWM iC
Udc 并网控制
ig ug
图 3 LCL 型单相并网逆变器系统结构
Fig. 3 System structure of single-phase grid-connected
XU Dezhi, WANG Fei, MAO Hualong, RUAN Yi, ZHANG Wei
(School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Zhabei District, Shanghai 200072, China)
ABSTRACT: Harmonic interaction between the grid-connected inverters and the utility grid may be introduced when more and more inverters were coupled to a same point of common coupling (PCC), which was a potential risk for stable and effective operation of distributed power generation systems. Mechanisms of the harmonic resonance in distributed impedance networks were firstly analyzed in terms of electric circuit theories in this paper. To increase the accuracy of the proposed model, the dead-time effects and nonlinear characteristics of switching devices were modeled and incorporated into the developed model. For analyzing the harmonic interaction, an output-impedance based model of single-phase grid-connected inverters with the LCL filter based on a dual-loop control scheme was proposed. Based on the developed model, the harmonic interaction of multiple inverters with the grid was modeled and analyzed. Simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the modeling method and the harmonic interaction analysis method.
交互作用，这会加剧并网电流谐波畸变，导致并网
系统发生振荡，甚至引发系统不稳定而无法正常运
行。因此，为能够从根源对谐振现象进行分析，并
为后期谐振抑制研究提供理论支持，本文进一步探
究基于并网逆变器和电网构成等效阻抗网络进行
谐波交互分析的系统研究方法。
2 并网逆变器输出阻抗建模
2.1 理想功率开关下的输出阻抗模型 以基于功率开关器件模型的 LCL 单相并网逆
变器双环控制为例进行输出阻抗建模，系统结构如 图 3 所示，本文称之为开关模型。图中：T1—T4 为 功率开关管；D1—D4 为反并联二极管；Lg 为电网电 感；L1、L2 和 C 构成 LCL 滤波器；Udc 为直流母线 电压；iinv 为逆变器输出电流；iC 为滤波电容电流； ig 为并网电流；uC 为滤波电容电压。
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2013.12.010
第 33 卷 第 12 期 64 2013 年 4 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.33 No.12 Apr.25, 2013 ©2013 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2013) 12-0064-08 中图分类号：TM 464 文献标志码：A 学科分类号：470·40
多并网逆变器与电网的谐波交互建模与分析
许德志，汪飞，毛华龙，阮毅，张巍
(上海大学机电工程与自动化学院，上海市 闸北区 200072)
Modeling and Analysis of Harmonic Interaction Between Multiple Grid-connected Inverters and the Utility Grid
KEY WORDS: grid-connected inverters; grid current harmonics; output-impedance based model; nonlinear factors; harmonic interaction analysis
摘要：当越来越多的并网逆变器连接到电网的同一公共连接 点时，逆变器与电网之间的谐波交互作用对系统的稳定可靠 运行是一个潜在威胁。根据电路理论，首先对阻抗网络的谐 波谐振产生机理进行分析。为建立更加逼近实际并网系统的 逆变器输出阻抗模型，提出将死区效应和开关器件非理想特 性考虑到模型中来增加其精确性，并以 LCL 型滤波器双闭
由于实际电网不同程度地被谐波污染，加上电 网本身存在阻抗，所以按理想电网设计的并网逆变 器连接到实际电网下运行时，并网电流谐波畸变会 加大，严重时甚至无法满足谐波标准。忽略电网阻 抗 ， 采 用 电 网 电 压 前 馈 控 制 [5] 、 比 例 谐 振 (proportional resonant，PR)控制[6]或重复控制[7]能够 有效抑制电网谐波对单个逆变器并网电流质量的 影响。然而，在 DG 系统以及大型新能源电站中， 一方面由于长距离传输线会导致电网阻抗不可忽 略[8]，另一方面当多个逆变器连接到同一电网公共 连接点(point of common coupling，PCC)时，任一单 个逆变器在 PCC 对应的电网等效阻抗会随逆变器 数量增加而增加[9]。此时，由于逆变器侧和网侧谐 波的存在，多逆变器系统与电网在 PCC 处形成的分
igh
Zgh
igh
ioh
Zoh
Zgh
Zoh
ugh
(bwk.baidu.com 并联谐振
(c) 串联谐振
图 2 并网逆变器诺顿等效电路和谐波谐振机理
Fig. 2 Norton equivalent circuit and harmonic resonance
principle of grid-connected inverter system
第 12 期
许德志等：多并网逆变器与电网的谐波交互建模与分析
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布式阻抗网络必然会受到谐波源激励而发生交互 作用，这对系统的稳定运行是一个潜在威胁。因此， 从阻抗角度对并网逆变器建模，是从源头分析谐波 交互问题的最有效方法。
文献[10]将并网逆变器建模为 LC 滤波器的电 容容抗来分析多逆变器与电网的谐波交互，该过于 简化的建模方法只适合于系统控制带宽范围以外 的情况。当逆变器数量或电网参数波动时，阻抗网 络谐振频率点可能会落在控制带宽以内，逆变器模 型不但与系统功率电路有关，且与控制环路有关， 所以仅把滤波电容容抗等效为整个逆变器系统的 模型必然导致谐波交互分析结果错误。文献[11-13] 对包含控制系统在内的单逆变器阻抗模型与电网 的谐波振荡进行稳定性分析，但对多逆变器并网系 统交互情况未做研究。文献[14]将逆变器控制系统 引入到多模块并网系统中进行阻抗建模和谐波交 互分析，然而，该建模方法把并网逆变器简化成一 个线性系统，并未考虑系统非线性因素对模型准确 性的影响，这将造成分析结果产生一定偏差。
环控制系统为例做详细的模型推导。利用提出的输出阻抗模 型，对多个并网逆变器与电网组成的分布式阻抗网络进行建 模及谐波交互分析。仿真结果验证了所提出建模方法和谐波 交互分析方法的正确性和有效性。
关键词：并网逆变器；并网电流谐波；输出阻抗模型；非线 性因素；谐波交互分析
0 引言
近年来，随着太阳能、风能、燃料电池等可再 生能源分布式发电(distributed generation，DG)技术 的迅猛发展，其发电量所占国家能源结构的比重在 不断提高，而新能源发电的电能质量也因此受到越 来越多人的关注[1-2]。并网逆变器作为 DG 系统与公 共电网的关键接口设备，其性能好坏直接决定着并 网电流质量，已经成为国内外研究的热点[3-4]。当逆 变器工作在并网模式时，注入电网的电流谐波含量 是一项重要技术指标和要求。
基金项目：国家自然科学青年基金项目(51107078)；台达环境与教 育基金会《电力电子科教发展计划》项目(DREG2012006)；上海市浦江 人才计划(11PJ1403800)。
Project Supported by National Natural Science Youth Foundation of China (51107078); Grants from the Power Electronics Science and Education Development Program of the Delta Environmental & Educational Foundation (DREG2012006); The Shanghai Pujiang Program (11PJ1403800).
当开关频率远远高于电网基波频率时，并忽略 直流母线电压波动及开关频率以上的高次谐波，通
过对功率器件开关状态在一个开关周期内进行平 均运算[15-16]，图 3 可等效为图 4，称为平均模型， 图中：ur 为调制信号；Ginv 为脉宽调制(pulse width modulation，PWM)逆变桥线性增益；igref 和 iCref 分 别为并网电流和电容电流给定值；Gig(s)为外环并网
当由系统非线性因素引起的谐波电流 ioh 频率 等于或接近阻抗网络的并联谐振频率时，将导致网 络发生并联谐振或准谐振，如图 2(b)所示。或者， 当由电网畸变引起的谐波电压 ugh 频率等于或接近 阻抗网络的串联谐振频率时，也会导致网络发生串 联谐振或准谐振，如图 2(c)所示。
可见，逆变器谐波电流与电网谐波电压存在着
并网逆变器 滤波器
直流源
PCC 电网
udc
PWM ig 并网控制 ug
图 1 并网逆变器系统框图
Fig. 1 Block diagram of
a typical grid-connected inverter system
PCC
ig
Zg
io
Zo uo
ug

并网逆变器
电网
(a) 并网逆变器的诺顿等效电路模型