基于幅值積分的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

周 林，廖 波，龍崦平，張林強(qiáng)，李懷花，杜金其

（重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

0 引言

隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，新能源的研究開發(fā)具有戰(zhàn)略意義，而太陽能作為清潔可再生能源已成為研究熱點(diǎn)。光伏發(fā)電是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種重要形式［1］。傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)注入有功，要求并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相［2-3］，而電網(wǎng)中存在大量的非線性負(fù)載，向電網(wǎng)注入無功和諧波，在電網(wǎng)末梢對(duì)電壓影響很大。考慮到有源濾波器主電路及控制與光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的相似性，將光伏并網(wǎng)與有源濾波器進(jìn)行統(tǒng)一控制，使系統(tǒng)具有光伏有功注入、無功補(bǔ)償和諧波抑制的功能。這樣既能改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，也從一定程度上節(jié)省了設(shè)備。

對(duì)光伏功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，得到與電網(wǎng)正序基波同頻同相的注入有功電流和準(zhǔn)確的諧波電流檢測(cè)是關(guān)鍵。從目前研究現(xiàn)狀來看，文獻(xiàn)［4-6］研究了具有諧波抑制和無功功率補(bǔ)償?shù)墓夥⒕W(wǎng)系統(tǒng)，但都僅限于單相電路，控制方法不能擴(kuò)展到三相系統(tǒng)。文獻(xiàn)［7-9］研究了光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將有源濾波器與光伏并網(wǎng)統(tǒng)一控制，利用檢測(cè)a相電網(wǎng)電壓同步相位進(jìn)行諧波、無功電流檢測(cè)，但所得光伏有功電流不是與電網(wǎng)正序基波同相。文獻(xiàn)［10-12］采用幅值積分法提取正序基波，得到同步正、余弦，但未對(duì)幅值積分的頻率特性及參數(shù)K設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

本文研究了基于幅值積分的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，考慮實(shí)際電網(wǎng)電壓存在畸變、不平衡和頻率偏差，為得到準(zhǔn)確的正序基波電壓和與其同頻同相的光伏有功電流，深入分析了幅值積分法提取正序基波頻率偏移與參數(shù)K及相位偏移的聯(lián)系，推導(dǎo)出K與頻率偏差和正序基波相位偏移的關(guān)系式，以便合理選取K值。利用α-β軸系下的正序基波運(yùn)算得到同步同相正、余弦信號(hào)，無需鎖相環(huán)。采用ip-iq法檢測(cè)諧波及無功電流并結(jié)合光伏有功電流形成并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)電流指令信號(hào)。引入2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)選擇器，通過選擇性地合成電流指令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)具有光伏有功注入與諧波抑制、無功補(bǔ)償任意組合功能的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

本文討論的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)主電路及控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為2級(jí)式結(jié)構(gòu)：前級(jí)為光伏電池陣列和Boost DC/DC電路，光伏電池經(jīng)1個(gè)隔離二極管和穩(wěn)壓電容C1接入電路，Boost電路實(shí)現(xiàn)升壓功能和最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）［13］控制；后級(jí)為三相電壓型逆變器，經(jīng)電抗器L接入電網(wǎng)，電網(wǎng)末端接有交流非線性負(fù)載。由于光伏并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓控制和有源濾波器直流母線電壓控制方式相同［6］，都通過控制并網(wǎng)有功電流大小和方向來穩(wěn)定直流側(cè)電壓，因此，可對(duì)光伏并網(wǎng)與有源濾波進(jìn)行統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of system and its control

2 基于幅值積分的光伏功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)指令電流合成分析

2.1 幅值積分法正序基波提取分析

在實(shí)際電網(wǎng)中，三相電壓畸變且不平衡現(xiàn)象普遍存在，電網(wǎng)電壓可分解為基波正序、負(fù)序、零序分量和諧波正序、負(fù)序、零序分量：

其中，ω1為電網(wǎng)實(shí)際角頻率，φm為電壓初相角。

由文獻(xiàn)［9］知，可將幅值積分構(gòu)成閉環(huán)控制，控制方法見圖 2。 X（t）=Asin（ω1t+θ），Z（t）=Atsin（ω1t+θ），對(duì)應(yīng)的拉普拉斯變換為：

圖2 幅值積分閉環(huán)控制圖Fig.2 Close-loop control of amplitude integral

ω1′=2π×50/s，90°移相由 s/ω1′表示，則幅值積分的閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：

幅值積分閉環(huán)Bode圖見圖3，從圖3可知基頻50Hz處幅值為0dB，高次諧波呈20dB衰減，K值選取與相位偏移要求有關(guān)，K越大，基頻處帶寬越寬，濾波效果差，但相位變化更緩慢，相位偏移越小。由相角公式可推導(dǎo)出K與頻率、相位偏移的關(guān)系式：

圖3 幅值積分閉環(huán)Bode圖Fig.3 Bode plots of amplitude integral close-loop

GB/T15945—2008《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》規(guī)定［14］：電網(wǎng)正常頻率偏差允許值為 ±0.2 Hz，容量較小時(shí)可放寬到±0.5 Hz。考慮頻率偏差不超過2 Hz時(shí)，則：

其中，Δf為工頻處頻率偏移量。

根據(jù)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》［15］，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的功率因數(shù)應(yīng)不小于0.98。考慮一定裕量，以相位偏移為分析指標(biāo)，使并網(wǎng)光伏系統(tǒng)功率因數(shù)理論值達(dá)到0.99以上。由式（4）計(jì)算K值相對(duì)誤差不超過1.96%。頻率偏差為±0.5 Hz時(shí)，相對(duì)誤差為0.417%，頻率偏差越小，相對(duì)誤差越小。電力系統(tǒng)頻率偏差現(xiàn)象普遍存在，利用正弦幅值積分可準(zhǔn)確提取不平衡畸變電網(wǎng)電壓的正序基波，控制原理圖如圖 4 所示，圖中 ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓，eα、eβ為三相電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系下得到，e+αf、e+βf為提取的正序基波電壓?？刹捎米赃m應(yīng)軟件測(cè)頻方法［16］對(duì)K值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，其原理如圖5所示。

圖4 正序基波提取原理圖Fig.4 Schematic diagram of positive-sequence fundamental extraction

圖5 K值自適應(yīng)調(diào)整原理圖Fig.5 Schematic diagram of adaptive parameter K adjustment

表1 頻率偏差對(duì)相位偏移Δφ+f的影響Tab.1 Influence of frequency-deviation on phase-deviation Δφ+f

2.2 諧波和無功電流檢測(cè)及指令電流合成分析

對(duì)于光伏功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，諧波、無功電流的檢測(cè)和獲得準(zhǔn)確的光伏有功指令電流是其關(guān)鍵。將直流母線電壓控制得到的光伏有功電流幅值與ip-iq法中的相加，得到并網(wǎng)指令電流。

圖6所示為帶光伏有功電流注入的ip-iq法。圖中矩陣 C32、C23、C 表達(dá)式如下：

2.1 節(jié)中已得到正序基波，根據(jù)文獻(xiàn)［17］可知：

由式（6）直接得到了同步正、余弦。經(jīng)圖6中運(yùn)算可得式（7）。

圖6 諧波、無功電流檢測(cè)及指令合成方法Fig.6 Harmonic and reactive power currents detection and reference current combination

其中，I1為負(fù)載電流基波有效值，φ1為負(fù)載電流基波初相位。

從式（7）運(yùn)算結(jié)果知：負(fù)載電流的基波分量與電網(wǎng)電壓的初相角無關(guān)，且能得到與電網(wǎng)電壓正序基波同頻同相的光伏有功電流。

經(jīng)圖6中框圖的運(yùn)算得到有功電流參考，即：

在 ip-iq法中引入標(biāo)準(zhǔn)選擇器［18］Sα、Sβ（如圖 6 所示），可實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波和無功電流的分時(shí)檢測(cè)。選擇器均置1導(dǎo)通，置0輸出0。按圖1所示的電流參考方向和圖6的檢測(cè)方法，檢測(cè)出的電流可直接形成逆變器的指令電流。表2為4種不同補(bǔ)償條件下指令電流合成方式。P、H、Q分別表示有功注入、諧波抑制、無功補(bǔ)償；和分別為三相并網(wǎng)指令電流和光伏有功、諧波、無功指令電流。

表2 指令電流合成Tab.2 Reference current combination

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文研究了具有有功注入和諧波抑制、無功補(bǔ)償任意組合功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，得到了準(zhǔn)確的并網(wǎng)指令電流。為了驗(yàn)證理論分析的正確性，本節(jié)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。

3.1 仿真分析

在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)如下：光伏系統(tǒng)輸出有功功率Ppv=4 500 W，Boost電路中C1=200μF，LB=4 mH，直流側(cè)電容C2=2800 μF；直流側(cè)電壓Udc=400 V，并網(wǎng)濾波電感L=6 mH，交流電網(wǎng)相電壓有效值Es=85 V，經(jīng)隔離變壓器接入220V電網(wǎng)，開關(guān)頻率fs=10 kHz。

畸變的三相電網(wǎng)的頻率為50.5Hz，且含有5、7次諧波。提取的正序基波如圖7所示，ea、eb、ec為三相電網(wǎng)電壓，為正序基波電壓。 K 取 60，正序基波為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

接入光伏系統(tǒng)電網(wǎng)電流仿真波形如圖8所示，由標(biāo)準(zhǔn)選擇器的作用，可選擇性地進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償。在0～0.2 s之間只對(duì)電網(wǎng)注入光伏有功功率，沒有諧波和無功功率補(bǔ)償，電網(wǎng)電流中含諧波和無功分量，電網(wǎng)電流呈尖頂波；在0.2～0.3 s之間為有功注入、諧波和無功補(bǔ)償，電網(wǎng)電流為正弦，抑制了諧波和無功電流，經(jīng)FFT分析可知電網(wǎng)電流THD為3.23%，各次諧波含量都降到0.6%以下，達(dá)到補(bǔ)償效果；在0.3～0.4 s之間為有功注入和諧波抑制，電網(wǎng)電流為正弦波，但含無功電流；在0.4～0.45 s之間為有功注入和無功補(bǔ)償，沒有抑制諧波，電網(wǎng)電流仍呈尖頂波。

圖7 正序基波電壓仿真波形圖Fig.7 Simulative waveforms of positivesequence fundamental voltage

圖8 接入光伏系統(tǒng)電網(wǎng)電流仿真波形Fig.8 Simulative current waveforms of grid with photovoltaic system

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文通過RT-LAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立控制模型，處理采樣得到的相應(yīng)電流、電壓信號(hào)，通過控制模型算法產(chǎn)生主電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：電網(wǎng)相電壓為幅值20 V，經(jīng)隔離變壓器接入220 V電網(wǎng)，直流側(cè)電壓80 V，光伏注入有功功率108 W，直流側(cè)電容1120 μF，交流側(cè)濾波電感7 mH，開關(guān)頻率5 kHz，非線性負(fù)載為帶阻感負(fù)載的三相不控整流橋，電阻為15 Ω，電感為17.6 mH。

接入光伏系統(tǒng)后的電網(wǎng)電流波形如圖9所示，isa、isb、isc分別為電網(wǎng) a、b、c 相電流。 圖 9（a）顯示了光伏系統(tǒng)只向電網(wǎng)注入有功功率，無諧波抑制和無功補(bǔ)償，電網(wǎng)電流波形是畸變的尖頂波，幅值為1.28 A；圖9（b）顯示了光伏有功注入和無功補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流，也未抑制諧波，電流仍是尖頂波，幅值為1.32 A；圖9（c）顯示了注入光伏有功和諧波抑制后的電網(wǎng)電流，可見電流為正弦波，幅值為1.16 A，未補(bǔ)償無功；圖9（d）顯示了對(duì)電網(wǎng)注入有功、抑制諧波和補(bǔ)償無功，電網(wǎng)電流基本呈正弦波，且與電網(wǎng)電壓同相，幅值為1.04 A。

圖9 接入光伏系統(tǒng)后電網(wǎng)電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental current waveforms of grid with photovoltaic system

從上述仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析知，本文的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向電網(wǎng)注入光伏有功的同時(shí)，能選擇性地抑制諧波和補(bǔ)償無功。在不同的場(chǎng)合，可任意選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償功能進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文將諧波抑制與無功補(bǔ)償和光伏發(fā)電并網(wǎng)統(tǒng)一控制，改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高供電可靠性，同時(shí)節(jié)省了其他無功或諧波補(bǔ)償裝置?？紤]實(shí)際電網(wǎng)電壓存在畸變、不對(duì)稱和頻率偏移，深入分析了幅值積分正序基波提取法的參數(shù)K對(duì)提取的正序基波相移的影響，并推導(dǎo)出K與頻率偏差、相位偏移的關(guān)系式。準(zhǔn)確提取出正序基波，利用正序基波計(jì)算出同步正、余弦信號(hào)。在ip-iq法基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)指令電流的運(yùn)算方式。引入2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)選擇器，實(shí)現(xiàn)光伏有功注入與諧波抑制、無功補(bǔ)償任意組合功能。最后建立了MATLAB/Simulink模型仿真，并進(jìn)行RT-LAB實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了理論分析的正確性。