多模块并联逆变器系统中网侧电抗对谐振特性的影响分析

特变电工西安电气科技有限公司、清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室的研究人员张磊、王晓声、孙凯、周洪伟，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文指出，新能源并网发电系统中常采用LCL型滤波器的多台逆变器模块化并联结构。由于LCL型滤波器本身故有的谐振特性，故实际应用中常采用无源阻尼或者有源阻尼的方法抑制谐振峰幅值。

在理论研究中，通常将电网抽象为理想三相电压源而未考虑网侧电抗取值对系统谐振特性的影响；但在实际工程应用中，由于变压器漏感或线路自感等因素电网侧存在不可忽略的电抗。

该文从多模块并联逆变器系统的控制结构入手，通过建立数学模型给出多台逆变器并联情况下系统谐振特性的分析方法，提出单台等效模型，并定义了新的变量——网侧总电抗Lc。深入分析使用有源阻尼时网侧总电抗取值对常用阻尼策略效果的影响，并给出保证系统稳定前提下网侧总电抗的取值范围。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

近年来，以风能、太阳能为代表的新能源在发电系统中所占的比重不断上升。为了将电能传输到更远的地方，往往需要将新能源发电系统并网运行，而PWM逆变器就承担起了接口变换器的角色，实现与外部电网之间可控的能量交换。此外，由于实际应用中单台逆变器的容量有限，为了提高新能源发电系统的输出功率，往往需要将多台逆变器并联运行。

为了抑制输出电流中由于开关动作引入的高频谐波，并网逆变器的输出端通常采用L型或者LCL型滤波器。与L型滤波器相比，LCL型滤波器在同样的滤波效果下有更小的体积和成本，动态性能良好，近些年来得到了广泛的关注和应用。然而，由于LCL型滤波器使用了三个独立的储能元件，使得其在谐振频率处存在幅值尖峰，对系统的稳定性造成影响[1-3]。

目前，解决谐振问题的主流方法有无源阻尼（Passive Damping, PD）和有源阻尼（Active Damping,AD）两大类。其中，有源阻尼方法不需要实际的电阻，而是通过改变控制结构来抑制系统的谐振峰。P. A. Dahono基于无源阻尼的思想首先提出了“虚拟电阻”的概念[4]。随后，出现了一大类基于变量反馈的有源阻尼方法[5-12]，其中典型的包括电容电流反馈、电容电压反馈、电感电流反馈等。

文献[13]对这一类方法进行了总结，深入分析了上述方法能实现有源阻尼的机制。然而，目前大多数研究工作都简单地把电网抽象为理想电压源，而未对网侧漏电抗存在的条件下系统特性和有源阻尼策略进行研究。

实际应用中，往往需要将多台逆变器并联后接入电网，此时的系统谐振特性将发生变化，而针对单台逆变器设计的有源阻尼方法的效果也将受到影响[15-17]。此时有必要对多并联情况下的逆变系统进行数学建模，分析并联个数对系统特性的影响。图1给出了多模块并联逆变器系统的结构示意图。

图1 多模块并联逆变器系统示意图

本文首先通过数学建模和分析建立多台逆变器并联时系统谐振特性和稳定性的研究方法。随后，针对几种常用的有源阻尼策略分析网侧漏电抗存在条件下的多模块并联逆变器系统谐振特性，并研究了漏电抗大小以及并联台数对于系统稳定性的影响。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

结论

本文针对多模块并联逆变器系统，对其谐振特性进行了深入分析，并重点研究了在使用了有源阻尼策略前提下网侧总电抗Lc对系统谐振特性和稳定性的影响。此外，本文还分析了常用有源阻尼策略对电网电压中谐波的抑制效果。得出以下结论：

1）对于多模块并联逆变器系统，可以采用单台等效模型分析其稳定性和谐振特性。如果设逆变器台数为n，则nLg决定逆变器的特性。

2）网侧总电抗Lc的大小同时影响系统谐振峰的频率和幅值。

3）常用有源阻尼策略对于逆变器输出侧引入的高频谐波有良好的抑制效果；而对电网电压中引入的高频谐波抑制效果有限。

4）网侧总电抗Lc的取值影响系统的稳定性。对于特定的阻尼策略，当Lc取值过大时，系统的一对特征根将进入右半s平面，导致系统失稳；在稳定的前提下，Lc取值较大反而可以抑制网侧电压谐波对输出电流的影响。