無功與諧波補(bǔ)償檢測的光伏并網(wǎng)仿真研究

楊國華 姚 琪

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引言

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快和光伏發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，電力電子器件在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用趨于廣泛。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在大量的非線性和沖擊性負(fù)載，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染較為嚴(yán)重，同時(shí)，諧波對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)與可靠運(yùn)行也造成了不良影響［1－2］。

光伏發(fā)電必須通過逆變裝置將直流電逆變成交流電后才能并入電網(wǎng)。由于電力逆變器接入配網(wǎng)的調(diào)節(jié)和控制方式與常規(guī)方式有較大不同，其開關(guān)器件的頻繁開通和關(guān)斷容易在開關(guān)頻率附近產(chǎn)生諧波分量，這給電網(wǎng)帶來電力諧波污染。考慮到傳統(tǒng)無源濾波不能滿足較高電能質(zhì)量的要求，因此，有必要采取新的方法，即通過光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源電力濾波器統(tǒng)一控制的策略，實(shí)現(xiàn)在光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)補(bǔ)償無功及負(fù)載諧波電流。在此過程中，無功及諧波電流的檢測是系統(tǒng)完成補(bǔ)償功能的關(guān)鍵，所以在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，有必要對系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行檢測、分析與抑制，從而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量［3－4］。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過分析不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可知系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)換單元與傳統(tǒng)電力有源濾波器(active power filter，APF)具有相似性。APF主要用于解決無功電流和諧波電流等電能質(zhì)量問題。APF中直流側(cè)的能量主要通過吸收電網(wǎng)有功電能來維持，光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置可向電網(wǎng)注入有功電能，可將光伏陣列直接或經(jīng)升壓電路接到APF的直流側(cè)，并提供穩(wěn)定的直流側(cè)電壓，這是正常進(jìn)行無功及諧波電流補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵［5］。電流檢測部分通過檢測算法檢測非線性負(fù)載的無功和諧波電流，形成無功和諧波補(bǔ)償指令電流;最大功率跟蹤控制部分跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，形成并網(wǎng)指令電流;控制部分把無功和諧波補(bǔ)償指令電流和并網(wǎng)指令電流進(jìn)行合并后，利用合適的控制方法控制變流器按合成后的指令電流向電網(wǎng)注入電流，就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流質(zhì)量治理和光伏并網(wǎng)發(fā)電。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)不會(huì)影響APF的功能，反而在電網(wǎng)故障時(shí)，系統(tǒng)可以把直流側(cè)的電能直接供給負(fù)載，保證負(fù)載的不間斷工作。這種統(tǒng)一控制的系統(tǒng)可以集諧波與無功電流補(bǔ)償和光伏并網(wǎng)發(fā)電于一體，從而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of photovoltaic power generation system

1.2 無功與諧波電流檢測

電流檢測部分是通過相應(yīng)的檢測算法檢測出非線性負(fù)載的無功及諧波電流，從而形成無功和諧波補(bǔ)償?shù)闹噶铍娏?。指令電流的?jì)算包括無功及諧波電流的補(bǔ)償指令電流、光伏并網(wǎng)發(fā)電的有功指令電流以及合成運(yùn)算，其中補(bǔ)償功能主要通過對無功及諧波電流進(jìn)行檢測實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選用基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法，以便同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波電流的檢測及其與并網(wǎng)發(fā)電有功電流的合成運(yùn)算［6］。

諧波電流檢測及指令電流的合成運(yùn)算框圖如圖2所示。

圖2 合成運(yùn)算框圖Fig.2 Diagram of compositional operations

圖2中:C32為三相/兩相坐標(biāo)變換矩陣，即abc坐標(biāo)系到正交αβ坐標(biāo)系的變換矩陣;C23為兩相/三相坐標(biāo)變換矩陣，即正交αβ坐標(biāo)系到abc坐標(biāo)系的變換矩陣;C為正交αβ坐標(biāo)系到pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣;C－1為pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到正交αβ坐標(biāo)系的變換矩陣。

根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論，采用的諧波電流檢測方法不受電網(wǎng)電壓和電流是否畸變的影響，數(shù)字鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)得到與電網(wǎng)相電壓同相位的正弦和余弦信號，以保證電流的檢測精度。將測得的三相負(fù)載電流ia、ib和ic經(jīng)C32、C坐標(biāo)變換得到有功電流ip，再經(jīng)過低通濾波器(low pass filter，LPF)后得到的直流分量為有功基波ip。ipv為光伏并網(wǎng)直流指令分量，它是由MPPT指令電壓和當(dāng)前光伏陣列輸出電壓 udc經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器(automatic voltage regulator，AVR)后得到的有功直流分量。將的合成運(yùn)算值經(jīng)C－1、C25坐標(biāo)變換得到三相基波正序有功電流iaf、ibf、icf，負(fù)載電流減去基波正序有功電流即為補(bǔ)償電流的指令值。當(dāng)K斷開時(shí)，檢測結(jié)果中包含負(fù)載的無功及諧波電流;當(dāng)K閉合時(shí)，算法只檢測負(fù)載中的諧波電流含量，并與并網(wǎng)指令電流合成，得到諧波補(bǔ)償和并網(wǎng)發(fā)電電流的合成指令。

根據(jù)圖2所示的運(yùn)算原理，設(shè)計(jì)中確定的諧波電流檢測與指令電流合成算法如下［7－9］:

式中:iaf(t)、ibf(t)、icf(t)為無功及諧波電流分量;ip為有功基波電流為光伏并網(wǎng)直流指令分量。其中，矩陣 C23、C－1分別為 C32、C 的逆矩陣，且有:

1.3 電流跟蹤控制

設(shè)計(jì)中采用了滯環(huán)PWM的控制方式對指令電流進(jìn)行控制。該控制方式具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和無需載波等特點(diǎn)，可以很容易地用模擬器件來實(shí)現(xiàn)。滯環(huán)PWM控制方式如圖3所示。

圖3 滯環(huán)PWM控制方式Fig.3 Control mode of hysteretic PWM

該方式首先通過比較補(bǔ)償電流的指令信號i*aref與實(shí)際的補(bǔ)償電流信號iaref，將兩者的偏差Δi作為滯環(huán)比較器的輸入;然后利用滯環(huán)比較器產(chǎn)生的PWM信號控制主電路中開關(guān)器件的開通與關(guān)斷;再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來控制開關(guān)器件的通斷，從而較好地控制補(bǔ)償電流iaref的變化。

2 光伏并網(wǎng)仿真系統(tǒng)模型的建立

通過以上的理論分析，在PSCAD/EMTDC下建立了相應(yīng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)模型，并對APF與光伏并網(wǎng)發(fā)電統(tǒng)一控制進(jìn)行了仿真。系統(tǒng)中負(fù)荷采用了帶阻容負(fù)載的整流器來模擬含有諧波的負(fù)荷模型［10］。系統(tǒng)模型的主要仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定Tab.1 Simulation parameter settings

模型中，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過開關(guān)與380 V低壓配電網(wǎng)相連，同時(shí)負(fù)載也通過開關(guān)與配電網(wǎng)相連;仿真時(shí)間設(shè)為0.5 s。當(dāng)仿真時(shí)間運(yùn)行到0.15 s時(shí)，將光伏電源并入電網(wǎng);當(dāng)仿真時(shí)間到達(dá)0.3 s時(shí)，將開關(guān)4閉合接入負(fù)載，使系統(tǒng)負(fù)荷增加。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)仿真模型，在光伏電源并網(wǎng)前系統(tǒng)電流波形含有大量諧波。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到0.15 s時(shí)，光伏電源并網(wǎng)向電網(wǎng)注入了正弦基波電流，同時(shí)并網(wǎng)后的光伏電源能夠較好地抑制系統(tǒng)諧波與補(bǔ)償無功，使得電網(wǎng)電流得到較好的補(bǔ)償。由于負(fù)荷容量小于光伏并網(wǎng)輸出功率，所以系統(tǒng)會(huì)向電網(wǎng)輸送一定的功率，從而使得系統(tǒng)電流反向增大，有功功率波形有一定幅度的下降;當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到0.3 s時(shí)，開關(guān)4閉合，使得下游的負(fù)荷容量增加，從而使得系統(tǒng)電流相應(yīng)減小，有功功率波形有一定的回升。系統(tǒng)輸出的電流波形、有功功率波形、無功功率波形、相間電壓波形如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)輸出波形Fig.4 Output waveform of system

由系統(tǒng)的無功功率輸出波形可見，從0.15 s開始光伏電源并入電網(wǎng)工作，系統(tǒng)會(huì)向電網(wǎng)輸送功率，此時(shí)電網(wǎng)輸出的無功功率逐漸減為零，全部由光伏電源進(jìn)行功率補(bǔ)償，達(dá)到了較好的無功功率補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

由光伏電源輸出的相間電壓波形可見，在0.15 s光伏電源并網(wǎng)工作后，其輸出的相間電壓由方波變?yōu)檎也ǎ瑫r(shí)光伏電源輸出正弦基波電流，抑制了電網(wǎng)中的諧波電流。所以，通過無功與諧波電流的檢測及其跟蹤控制，能較好地防止諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染。

4 結(jié)束語

本文利用將光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源電力濾波器進(jìn)行統(tǒng)一控制的策略，選用基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測算法，通過檢測負(fù)載無功電流和諧波電流，進(jìn)一步與光伏并網(wǎng)指令電流合成運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)，補(bǔ)償無功及負(fù)載諧波電流，使系統(tǒng)在提高負(fù)荷特性和減小電網(wǎng)電流諧波方面有較好的效果。在PSCAD/EMTDC下建立配電網(wǎng)系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)統(tǒng)一控制進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠在輸出有功的同時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)無功并消除負(fù)載的諧波，從而提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

［1］楊國華，李建春，李先鋒.電能質(zhì)量參數(shù)采集單元硬件設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31(12):61 －64.

［2］周國威，吳勝利.電網(wǎng)中諧波的危害及消除高次諧波的方法［J］.電力電容器，2006(2):22－26.

［3］汪海寧，蘇建徽，張國榮，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電及無功補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(9):114 －118.

［4］禹華軍，潘俊民.一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)墓夥⒕W(wǎng)發(fā)電技術(shù)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，39(8):49－52.

［5］李承，鄒云屏.有源電力濾波器抑制諧波的機(jī)理分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(20):31 －34.

［6］Akagi H，Kanazawa Y，Nabae A.Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits［J］.Proc.1983 Int.Power Electronics Conference，Japan:IEEE，1983:1375 －1386.

［7］張國榮，張鐵良，丁明，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源電力濾波器的統(tǒng)一控制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(8):61 －66.

［8］張國榮，張鐵良，丁明，等.具有光伏并網(wǎng)發(fā)電功能的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器仿真［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(14):82－86.

［9］何英杰，鄒云屏，黃柱，等.基于瞬時(shí)無功功率理論的改進(jìn)諧波檢測算法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(6):79 －83.

［10］李東東，易桂平.瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測法及PSCAD/EMTDC 仿真［J］.電氣自動(dòng)化，2009，31(6):70 －73.