光伏并網(wǎng)與有源濾波統(tǒng)一控制系統(tǒng)的研究

張　杰，郭曉霞，趙　威

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢　430068)

Unified Control of Grid-connected Photovoltaic and Active Power FilterZHANG Jie,GUO Xiaoxia,ZHAO Wei

(School of Electrical & Electronic Engineering, Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China)

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光伏并網(wǎng)與有源濾波統(tǒng)一控制系統(tǒng)的研究

張杰，郭曉霞，趙威

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430068)

Unified Control of Grid-connected Photovoltaic and Active Power FilterZHANG Jie,GUO Xiaoxia,ZHAO Wei

(School of Electrical & Electronic Engineering, Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China)

0引言

為提高光伏并網(wǎng)逆變器利用率和電網(wǎng)電能質(zhì)量，將光伏并網(wǎng)逆變器與有源電力濾波器相結(jié)合的統(tǒng)一控制策略，成為近年來學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1-2]。文獻(xiàn)[3]實(shí)現(xiàn)了將光伏并網(wǎng)與無功補(bǔ)償進(jìn)行統(tǒng)一控制，但是并沒有諧波抑制的功能。文獻(xiàn)[4-5]在同一個(gè)裝置上實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)與有源濾波的統(tǒng)一控制，而且具有附加功能，但是在指令電流的計(jì)算中均沒有考慮到系統(tǒng)的容量問題，這種并網(wǎng)電流有可能會超出系統(tǒng)的容量。文獻(xiàn)[6]在考慮系統(tǒng)剩余容量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)與有源濾波的統(tǒng)一控制。但是在諧波和無功的補(bǔ)償中，并沒有考慮諧波和無功的補(bǔ)償順序和補(bǔ)償大小的問題，即不能實(shí)現(xiàn)諧波和無功電流的最優(yōu)化補(bǔ)償。

故本文提出一種新的將光伏并網(wǎng)與有源濾波統(tǒng)一控制的策略。在考慮系統(tǒng)容量的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)以最大功率并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)，對諧波和無功指令電流按照優(yōu)先消除偏離電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)(總諧波含量不大于5%，奇次諧波含量不大于4%，功率因數(shù)不小于0.9)較大一方，且當(dāng)總諧波含量和奇次諧波含量同時(shí)不滿足國標(biāo)時(shí)，優(yōu)先消除危害性較大的奇次諧波，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)與有源濾波的統(tǒng)一控制，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相較于單級式逆變系統(tǒng)，基于Boost升壓的兩級式逆變系統(tǒng)具有前后級耦合小、各級變換器控制目標(biāo)和功能相對獨(dú)立、控制精度高、可實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)[7]。為此，本文以兩級式三相對稱光伏系統(tǒng)為研究對象。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)電氣回路由光伏陣列、DC/DC升壓電路、DC/AC變換器，LCL濾波器、非線性負(fù)載、三相電網(wǎng)及電容C1、C2構(gòu)成，控制回路由信號檢測單元、最大功率跟蹤(MPPT)控制單元及主控制單元構(gòu)成。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

光伏陣列負(fù)責(zé)將接收到的太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)MPPT控制部分，調(diào)節(jié)Boost變換器的開關(guān)占空比調(diào)節(jié)其輸出電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓，以保證光伏電池最大功率輸出。信號采集部分則負(fù)責(zé)檢測出直流側(cè)輸入電壓、并網(wǎng)電流、非線性負(fù)載電流并分離出其中的有功、無功和諧波電流分量，送入并網(wǎng)控制部分，采用一定的控制法案，計(jì)算出有功、無功和諧波的指令電流，并據(jù)此控制逆變器開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)和有源濾波的統(tǒng)一控制。

2系統(tǒng)控制策略

如前文所述，本系統(tǒng)采用兩級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，前級實(shí)現(xiàn)MPPT功能，后級實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)和有源濾波的統(tǒng)一控制。對于MPPT,學(xué)者做了大量的研究，技術(shù)較為成熟，不作為本文所研究的重點(diǎn)，本文不再贅述[8]。

2.1系統(tǒng)總體控制策略

濾波器作為逆變器和電網(wǎng)之間的連接器件，在防止開關(guān)諧波污染電網(wǎng)方面發(fā)揮著重要作用。相較于L、LC型濾波器，LCL濾波器具有三階的低通濾波特性，對高頻諧波信號具有更好的濾波效果。因此，使用較小的濾波電感能夠達(dá)到同樣的諧波標(biāo)準(zhǔn)和較低的開關(guān)頻率，而且可以減小系統(tǒng)的體積和降低損耗[9-10]。正是由于LCL濾波器是三階濾波器，其阻尼系數(shù)較低，在某一頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)會發(fā)生諧振，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文采用虛擬電阻法來增大系統(tǒng)阻尼[7]。本文采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，控制策略框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體控制策略框圖

2.2補(bǔ)償量的計(jì)算

2.2.1變量定義

在介紹指令電流的生成前先介紹一下需要用到的變量定義：

① 系統(tǒng)總諧波含量THD：

(1)

式中:IH為系統(tǒng)總諧波有效值；I1為基波有效值。

② 特定次諧波含量THD1：

(2)

③ 功率因數(shù)λ：

(3)

式中:Ip、Iq分別為基波有功和無功分量。

④ 諧波含量偏差量，即實(shí)際的諧波電流值與滿足國家標(biāo)準(zhǔn)(總諧波含量不高于5%、特定次諧波含量不高于4%)時(shí)的諧波值之間的偏差量。

由式(1)可得：

(4)

故總諧波含量偏差量ΔIh：

(5)

同理特定次諧波含量的偏差量ΔIh1：

(6)

⑤ 無功電流偏差量ΔIq，即實(shí)際的無功電流值與滿足國家標(biāo)準(zhǔn)(λ≥0.9)時(shí)的無功電流的偏差量。

整理式(3)：

(7)

故:

(8)

2.2.2補(bǔ)償量的計(jì)算

補(bǔ)償量的具體計(jì)算分8種情況：

①THD≤5%、THD1≤4%、λ≥0.9，即系統(tǒng)的總諧波含量、特定次諧波含量、功率因數(shù)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)系統(tǒng)完全工作在光伏并網(wǎng)發(fā)電狀況，既不補(bǔ)償諧波也不補(bǔ)償無功電流，所以，此時(shí)的指令諧波和無功電流如式(9)。

(9)

(10)

③THD≤5%、THD1>4%、λ≥0.9，即僅僅是特定次諧波含量不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)的分析方法類似于②，考慮剩余容量與偏差量之間的大小關(guān)系合理補(bǔ)償，補(bǔ)償量如式(11)所示。

(11)

④THD>5%、THD1≤4%、λ≥0.9，即僅僅是總諧波含量不滿足要求，分析同(2)、(3)，補(bǔ)償量如式(12)所示。

(12)

⑤THD>5%、THD1>4%、λ≥0.9，即系統(tǒng)的功率因數(shù)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，但是總的諧波含量和特定次諧波含量均不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。一方面由于系統(tǒng)的低頻奇次諧波在總諧波電流中占有較大比例，當(dāng)補(bǔ)償?shù)痛沃C波標(biāo)準(zhǔn)后總諧波含量也可能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，這些特定次的低次諧波對系統(tǒng)的危害性更大。因此本系統(tǒng)在確定補(bǔ)償量時(shí)，首先補(bǔ)償特定次諧波，之后考慮總諧波是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，及其與系統(tǒng)剩余容量之間的關(guān)系。

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

a. ΔIh1>ΔIq,優(yōu)先補(bǔ)償特定次諧波，若有容量余額再補(bǔ)償無功，如式(20)。

b. ΔIh1≤ΔIq,分析同上，補(bǔ)償量確定如式(21)。

(20)

(21)

⑦THD>5%、THD1<4%、λ<0.9,即總諧波含量和無功含量不滿足標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)的補(bǔ)償基本思想同式(6)，當(dāng)總諧波含量和無功偏差量之和小于系統(tǒng)剩余容量時(shí)，補(bǔ)償量如式(22);反之，補(bǔ)償量分別如式(23)、(24)所示。

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

2.3補(bǔ)償量的合成

圖3　指令電流合成

3仿真與實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)圖1，在MATLAB中搭建了仿真模型，對前文所提控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。其中直流側(cè)電容C2為4 700μF，LCL濾波器參數(shù)分別為2.41mH、10.9μF、0.48mH；BOOST主電路電感為1.9mH,變流器開關(guān)頻率為10kHz；負(fù)載為典型的非線性負(fù)載不可控三相整流橋。

圖4(a)、(b)、(c)分別為系統(tǒng)在不同光照強(qiáng)度下的電網(wǎng)A相電流波形。

圖4(a)，0.5s后進(jìn)行有源濾波，由圖可知在光照很強(qiáng)時(shí)，光伏陣列可以轉(zhuǎn)化出大量的電能，提供給負(fù)載，其中一部分用以補(bǔ)償系統(tǒng)的諧波和無功，其余電能均以有功的形式供負(fù)載使用。由于負(fù)載所需電能大部分可由光伏陣列提供，電網(wǎng)所需要提供電能很少，電網(wǎng)電流波形急劇下降，如圖4(a)所示。從圖4(b)可知，從圖中可以看出，0.05s后電流波形近乎一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，說明負(fù)載側(cè)的諧波和無功得到了補(bǔ)償；0.05s之后由于光伏陣列所能提供電能較之諧波和無功補(bǔ)償需求量有剩余，多余電能以有功形式供給負(fù)載使用，因此電網(wǎng)所需提供的有功電能減少，電流幅值略有下降。圖4(c)在0.04s時(shí)合上開關(guān)。由于無光照，則系統(tǒng)是典型的APF系統(tǒng)，系統(tǒng)的容量用于完全補(bǔ)償系統(tǒng)諧波和無功分量；由于補(bǔ)償?shù)碾娏鱽碓从陔娋W(wǎng)，電網(wǎng)電流會略微增大。因此，從以上仿真結(jié)果分析可知，系統(tǒng)能夠根據(jù)光照的強(qiáng)度變換，準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)的剩余容量，并據(jù)此決定光伏并網(wǎng)和有源濾波功能，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性。

圖4　不同光照強(qiáng)度下電網(wǎng)A相電流波形

圖5(a)～(d)分別為系統(tǒng)單獨(dú)補(bǔ)償無功、特定次諧波(5、7、11次)、特定次諧波補(bǔ)償前后FFT柱狀圖、同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功時(shí)電網(wǎng)A相電流波形圖。

圖5　系統(tǒng)分別補(bǔ)償各物理量時(shí)電網(wǎng)A相電壓電流波形圖

從圖5(a)可知，當(dāng)0.06s合上系統(tǒng)開關(guān)后，系統(tǒng)的諧波含量基本不發(fā)生變化，但是系統(tǒng)的電流波形較之前明顯前移，系統(tǒng)的功率因數(shù)由0.84提高到0.923；從圖5(b)、(c)可知，系統(tǒng)的特定次諧波含量明顯降低；圖5(d)可以看出，0.06s后電網(wǎng)電流波形類似于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，系統(tǒng)的諧波含量由17.6%降低為3.8%，功率因數(shù)由0.84提高至0.94。綜上，圖5說明系統(tǒng)能夠單獨(dú)補(bǔ)償總諧波、特定次諧波和無功功率，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

4結(jié)束語

本文提出一種新的基于LCL的兩極式三相光伏并網(wǎng)與有源濾波的統(tǒng)一控制策略。指令電流的計(jì)算時(shí)，根據(jù)逆變器剩余容量的大小，優(yōu)先補(bǔ)償諧波和無功電流中偏離國家電能指標(biāo)較大一方，且當(dāng)總諧波含量和奇次諧波含量同時(shí)不滿足國標(biāo)時(shí)，優(yōu)先消除危害性較大的奇次諧波，實(shí)現(xiàn)諧波和無功的最優(yōu)化補(bǔ)償提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，充分利用裝置容量，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。仿真驗(yàn)證了該策略的有效性和可行性。不足之處是，諧波檢測時(shí)需要使用低通濾波器，其對諧波檢測具有一定的延遲，本文在應(yīng)用時(shí)沒有考慮其對系統(tǒng)的影響。

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張杰(1972—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)楣夥l(fā)電技術(shù)與電能質(zhì)量控制，E-mail: 274870985@qq.com；

郭曉霞(1990—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電技術(shù), E-mail: 1034023126@qq.com；

趙威(1987—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電技術(shù)與電能質(zhì)量控制, E-mail: 506680117@qq.com。

(責(zé)任編輯：楊秋霞)

摘要：提出一種將光伏并網(wǎng)與有源濾波統(tǒng)一控制的新型控制策略。以分布式小容量并網(wǎng)逆變器為研究對象，基于瞬時(shí)無功功率理論進(jìn)行諧波和無功電流檢測，采用SPWM電流矢量控制技術(shù)，在MATLANB/SIMULINK中對所提控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該控制策略能夠在保證系統(tǒng)以最大功率并網(wǎng)的同時(shí)，充分利用逆變器容量，實(shí)現(xiàn)負(fù)載總諧波、特定次諧波和無功電流的最佳補(bǔ)償，從而提高設(shè)備利用率，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)；有源濾波；諧波檢測；電能質(zhì)量；LCL濾波器

Abstract：A new strategy for unified control of grid-connected photovoltaic and active power filter is presented. Taking a distributed small-capacity inverter as the research object, the harmonic and reactive power current are detected based on the theory of instantaneous reactive power. By using SPWM current vector control technology, the proposed control strategy is simulated and verified in the MATLANB/SIMULINK simulation environment. The simulation results show that the control strategy can guarantee the grid-connected system with maximum power, make full use of the inverter capacity, and realize such functions as the load harmonic, specific harmonic elimination and optimal reactive compensation, which improve the utilization of equipment and power quality.

Keywords：grid-connected photovoltaic; APF; harmonic detection; power quality; LCL filter

作者簡介：

收稿日期：2014-07-04

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2010CDA018)

文章編號：1007-2322(2015)01-0064-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TM615