融合電能質量控制的光伏逆變技術研究

張 杰， 趙 威， 姚 凱， 高 騰， 艾振珂

(湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430068)

融合電能質量控制的光伏逆變技術研究

張 杰， 趙 威， 姚 凱， 高 騰， 艾振珂

(湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430068)

現(xiàn)有光伏并網發(fā)電系統(tǒng)受太陽光照強度、時長的影響，實際有效利用率不高，為此提出一種將光伏并網與有源濾波相結合的新型統(tǒng)一控制策略。分析了光伏并網與有源濾波統(tǒng)一控制的原理，推導了諧波和無功電流的偏差量的計算方法?？刂撇呗砸詢?yōu)先消除偏離電能指標的控制思想，根據無功和諧波電流的偏離量，動態(tài)調節(jié)其補償比例。在Simulink中搭建了系統(tǒng)模型，并進行了仿真驗證。仿真結果表明該控制策略能根據電網需求，實時地實現(xiàn)光伏并網發(fā)電、諧波抑制和無功補償。

光伏并網；有源濾波；統(tǒng)一控制；諧波抑制；無功補償

自20世紀80年代以來，光伏并網發(fā)電技術不斷成熟，系統(tǒng)的裝機容量逐年增大。但是由于晝夜交替和天氣變化等客觀條件，光伏并網系統(tǒng)的利用率并不高，年使用時間約等于年日照時數(shù)。而隨著工業(yè)化進程的加快，大量非線性負載被投入使用，這些負載產生的無功和諧波電流嚴重危害電網電能質量。有源濾波器(APF)能很好地濾除諧波和補償無功，但是其裝置成本較高，功能較單一。

鑒于光伏并網裝置的利用率不高，APF裝置價格昂貴，但二者的結構相似的特點將二者實施統(tǒng)一控制的思想成為近年來的熱點[1-4]。文獻[5-6]在同一逆變器上實現(xiàn)了上述兩種功能，在陽光充沛時系統(tǒng)進行光伏并網發(fā)電，否則進行有源濾波。這種根據外部環(huán)境自動切換的工作模式沒能充分利用逆變器有效容量。文獻[1-3]已考慮將逆變器空余容量進行部分或全部的有效利用，補償電網中無功或諧波電流，提升設備實際使用價值。但是工作模式的切換中需要頻繁的切換開關，增加了系統(tǒng)的負擔，而且沒有考慮諧波治理和無功補償?shù)膬?yōu)先順序、補償比例和補償目標的問題，不能實時動態(tài)地實現(xiàn)對電網的最優(yōu)化補償，提高電能質量。

針對以上問題，本文提出了一種新的單級式三相光伏并網與有源濾波的統(tǒng)一控制策略。在保證最大功率并網發(fā)電的同時，在系統(tǒng)容量有剩余的基礎上，按照優(yōu)先消除偏離電能質量國家標準 (總諧波含量THD≤5%，功率因數(shù)cosφ≥0.9)一方，同時偏離時則優(yōu)先補償偏離量較大一方，選擇性地輸出補償電流，提高設備利用率和電網電能質量。

1 三相光伏并網與APF統(tǒng)一控制結構與原理

圖1 單級式三相光伏并網與APF同一控制原理

單級式三相光伏并網與APF統(tǒng)一控制原理如圖1所示。光伏陣列PV、平波電容、LC濾器、三相非線性負載和電網構成主回路。三相電流檢測單元、補償量的計算單元、電流合成單元、光伏陣列最大功率跟蹤(MPPT)控制器、電流調節(jié)器構成控制回路。

控制原理如下：光伏陣列PV經光生伏打效應產生電能，MPPT部分負責跟蹤光伏陣列最大功率點，輸出并網指令電流[7]。電流經檢測部分分離出非線性負載三相有功、無功和諧波電流，經計算輸出需要補償?shù)臒o功和諧波電流，形成無功和諧波補償指令電流。控制部分將有功、無功和諧波指令電流與逆變器輸出三相電流進行合并，并采用合適的控制方法控制變流器按照合并后的指令電流向電網注入電流，實現(xiàn)光伏并網與有源濾波的統(tǒng)一控制。

2 系統(tǒng)控制策略和補償量的計算

2.1 系統(tǒng)控制策略

本系統(tǒng)由電壓外環(huán)和電流內環(huán)構成雙閉環(huán)矢量控制[8]。電壓外環(huán)為功率環(huán)穩(wěn)定光伏陣列的直流輸出電壓，調節(jié)光伏并網有功電流，是系統(tǒng)控制的核心；電流內環(huán)控制無功和諧波電流的補償比例，實現(xiàn)并網電流的跟蹤控制，保證電流跟蹤的快速性并控制跟蹤誤差。如圖2所示，其中為電網單相電壓，為負載三相電流。

圖2 系統(tǒng)控制策略框圖

有功、無功和諧波電流分量被檢測分離出來后，經計算得到功率因數(shù)cosφ和諧波含量系數(shù)THD，再通過補償量計算生成各指令電流

諧波和無功電流的檢測與分離是完成有源濾波功能的關鍵部分。目前，諧波電流的檢測方法主要有小波檢測法、基于瞬時無功功率理論的檢測法、自適應檢測法、神經網絡檢測法和基于傅里葉分析的檢測法等，各有優(yōu)劣[9]。本文采用基于瞬時無功功率理論的-法實現(xiàn)三相諧波電流的快速檢測[10]，實現(xiàn)諧波和無功電流補償?shù)目焖俜磻?，保證電網供電質量。檢測原理如圖3所示。

圖3 基于-法的諧波電流檢測

式中：ω為電網角頻率。

三相負載電流經過兩次坐標變化和低通濾波器(LPF)的處理得到有功和無功直流分量、，這是由基波電流產生的，因此將直流分量進行兩次反變換即可得出三相基波電流，從而計算出三相諧波電流如式(4)。

2.2 補償量的計算

補償量的計算是整個系統(tǒng)的關鍵，據此動態(tài)調節(jié)諧波和無功電流的補償量。補償?shù)幕舅枷胧牵焊鶕到y(tǒng)并網發(fā)電之后的剩余容量，按照優(yōu)先消除偏離電能質量國家標準(功率因數(shù)cosφ≥0.9，諧波含量系數(shù)THD≤5%)的一方，同時偏離時則優(yōu)先補償偏離電能質量國家標準較大一方，選擇性輸出補償電流。具體的計算方法如下：

(1)若系統(tǒng)滿功率并網發(fā)電之后無剩余容量，則不補償無功和諧波，系統(tǒng)以最大功率并網發(fā)電；

(2)若系統(tǒng)滿功率并網發(fā)電之后有剩余容量，當電網的諧波含量系數(shù)和功率因數(shù)均符合國家標準(即THD≤5%，cosφ≥0.9)時，系統(tǒng)不補償無功和諧波，逆變器輸出有功電流，系統(tǒng)只進行并網發(fā)電；

(3)若系統(tǒng)滿功率并網發(fā)電之后有剩余容量，電網的諧波含量系數(shù)和功率因數(shù)有一個不滿足國家標準，即當電網的諧波含量系數(shù)(或功率因數(shù))不符合國家標準，THD>5%、cosφ≥0.9(或THD≤5%，cosφ<0.9)時，若逆變器的剩余容量足夠大，則全額補償諧波偏移量Δ(或Δ)。反之，若逆變器的剩余容量不足，尚不足以補償全部諧波(或無功)偏差，則系統(tǒng)剩余容量全部用來補償諧波(或無功)，此時逆變器持續(xù)工作在滿功率狀態(tài)；

(4)若系統(tǒng)滿功率光伏并網發(fā)電之后有剩余容量，當電網的諧波含量系數(shù)和功率因數(shù)均不符合國家標準(即THD>5%、cosφ<0.9)時，此時需要考慮二者與國家標準之間的偏離量Δ和Δ，當Δ>Δ(或Δ<Δ)則優(yōu)先補償諧波(或無功)，若逆變器的剩余容量足夠大，在全額補償諧波(或無功)之后仍有容量剩余，則余下容量全部用來補償無功(或諧波)；反之，若逆變器的剩余容量不足，則只補償諧波(或無功)，具體計算流程圖如圖4所示。

圖4 補償量計算流程圖

圖4中：

根據定義電流的諧波含量THD：

功率因數(shù)cosφ：

圖中表達式[式(1)～式(8)]如表1所示。

表1 表達式對應的諧波和無功指令電流

3 仿真研究與分析

本文利用仿真軟件Matlab/Simulink根據圖1對控制策略進行了仿真驗證。主要參數(shù)：電源工頻4 700 μF、=4.2 mH、=10.9 μF，負載是帶阻感負載的不可控三相整流橋，逆變器額定容量10 kVA。實驗結果如圖5所示。

圖5(a)為系統(tǒng)先進行有源濾波后光伏并網發(fā)電時仿真結果圖。0.05 s時系統(tǒng)開始檢測負載電流并向電網補償無功和諧波電流進行有源濾波，0.11 s時光伏系統(tǒng)并網開關合上，開始向電網輸入有功電能。由圖5(a)可以看出，系統(tǒng)在0.05 s進行有源濾波后電網中諧波電流明顯得到改善，電網電流的諧波含量由21.69%降低至3.23%，功率因數(shù)由0.86提高到0.91。在0.11 s進行并網發(fā)電后，由于向電網提供了有功電流，故電網需要提供的有功電流由27.23 A減小至13.21 A，說明本系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)光伏并網與有源濾波功能。

圖5 仿真實驗結果

圖5(b)、5(c)分別為系統(tǒng)單獨補償諧波和無功時的仿真波形圖。如圖5(b)所示，0.06 s合上并網開關后波形明顯趨向于正弦波，即波形畸變得到改善，但是相位沒有改變；圖5(c)中，0.06 s合上并網開關后，波形畸變沒有得到改善，但是相位得到了改變，功率因數(shù)提高。圖5(b)、5(c)說明本系統(tǒng)能夠單獨實現(xiàn)諧波和無功的補償功能。

光照強度的不同，光伏電池轉換的功率不同，則逆變器的剩余容量也不同，系統(tǒng)的補償順序與補償效果也不同。圖5(d)為光照較弱，光伏并網逆變器剩余容量較大時，電網A相電壓電流波形。系統(tǒng)運行過程中，0.06 s時光伏系統(tǒng)并網開關合上。圖5(e)、(f)分別為光照較強和很強時電網A相電流波形圖，0.05 s時光伏系統(tǒng)并網開關合上。從圖5(d)、(e)、(f)中可以看出，當光照強度較弱時，系統(tǒng)的剩余容量較大，為補償諧波和無功電流，需要從電網中吸收一部分有功，電網電流變大。隨著光照強度的增加，系統(tǒng)的剩余容量減少，光伏電池產生的有功電流足以補償諧波和無功電流，多余的有功電流則饋入電網，電網所需要提供的有功電流減少。同時，補償?shù)男Ч趪覙藴实姆秶鷥壬圆?，如圖5(e)、(f)所示。

4 結論

本文提出一種新的單級式三相光伏并網與有源濾波的統(tǒng)一控制策略。在系統(tǒng)容量有余額的基礎上，檢測電網的諧波含量和功率因數(shù)，根據其是否偏離電能質量指標及偏離量的大小，優(yōu)先補償偏離較大一方，實現(xiàn)諧波和無功電流的最優(yōu)化補償，充分利用裝置容量，提高電網電能質量。仿真驗證了該策略的有效性和可行性。這種新穎的統(tǒng)一控制策略不僅能提高系統(tǒng)的利用率，而且為光伏系統(tǒng)的電能質量控制提供一種新思路。不足之處是補償量的計算時，考慮了功率因數(shù)和總的諧波含量的要求，暫時沒有考慮某些危害性較大的單次諧波的補償。這可以通過優(yōu)化無源濾波器的設計加以改進。

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《燃料電池基礎》

燃料電池（MFC）是21世紀最有希望的新一代綠色能源動力系統(tǒng)，有助于解決能源危機和環(huán)境污染等問題。本書是一本淺顯易懂的教材和專業(yè)入門書籍，涵蓋了關于燃料電池的基礎科學與工程學。本書側重于基本原理，簡單明了地描述了燃料電池是如何工作的、為什么它可以產生如此高效的潛能，以及如何最佳地利用其獨特的優(yōu)勢等。

Research on functions of power quality control of photovoltalic grid-connected technology

Traditional photovoltaic(PV)grid power generation system was influenced by solar illumination intensity, duration and temperature,the real effective utilization rate was low.Therefore a PV grid and the active filter(APF) were put forward combining the new unified control strategy. PV grid was analyzed and the principle of unified control,active filtering of harmonic and reactive current were deduced the calculation of deviation value method. Priority of control strategy was given to eliminate deviation index of power control, the compensation ratio was dynamic adjusted according to reactive power and harmonic current deviation vector.A system model in Simulink was set up,and simulation verification was done.The simulation results show that the proposed control strategy can, according to the requirements of power grid real-time implementation of PV grid power generation, harmonic suppression and reactive power compensation.

PV grid;APF;unified control;suppression of harmonic;reactive power compensation

TM 615

A

1002-087 X(2015)10-2189-04

2015-03-23

湖北省科技廳自然科學基金重點項目(2010CDA018)

張杰(1972—)，男，湖北省人，副教授、碩士生導師，主要研究方向為光伏發(fā)電及控制、電力系統(tǒng)。

趙威(1987—)，男，湖北省人，碩士，主要研究方向為太陽能光伏發(fā)電技術，E-mail:506680117@qq.com。