基于光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)

翁育斌

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.051

摘 要：在環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約的要求下，光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，光伏并網(wǎng)逐漸成為電能供應(yīng)的新形式。本文將對(duì)光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，首先分析系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)而探討其工作原理和控制方式，最后利用PSIM仿真軟件對(duì)系統(tǒng)效能進(jìn)行分析驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng) 電能質(zhì)量控制 無(wú)差拍復(fù)合控制 效能驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（c）-0051-02

光伏發(fā)電技術(shù)的研究受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)在電力供應(yīng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，為推動(dòng)電力系統(tǒng)向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。我國(guó)關(guān)于光伏發(fā)電的研究起步較晚，研究水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比還存在較大差距，目前光伏發(fā)電裝置只能在白天工作，而且電能供應(yīng)質(zhì)量較差。電能質(zhì)量控制系統(tǒng)通過對(duì)光伏發(fā)電設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制，可以提升光伏發(fā)電的穩(wěn)定性，促進(jìn)光伏并網(wǎng)在城市電網(wǎng)建設(shè)中的更廣泛應(yīng)用。

1 光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)MPG-PQC內(nèi)含一臺(tái)電壓逆變器，不需要增加主電路實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能，可以直接加入諧波和無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)。系統(tǒng)中光伏陣列的政府輸出直接接入Boost升壓變換器，在旁流二級(jí)管的作用下，光伏模塊可以保持正常工作，不會(huì)出現(xiàn)夜間反充電的情況。升壓電路輸出與并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電容相接，逆變橋的輸出通過濾波電感與電網(wǎng)相連[1]。MPG-PQC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行等效變換，輸出濾波電感的等效內(nèi)阻為R，電網(wǎng)內(nèi)阻忽略不計(jì)，直流側(cè)母線電壓為Udc，設(shè)O為虛擬中點(diǎn)，則ea、eb、ec即三項(xiàng)對(duì)稱電壓。其中，ea=Emcos（ω0t），eb=Emcos（ω0t-2π/3），ec=Emcos（ω0t+2π/3）。式中的Em是電壓賦值，ω0是電壓角頻率。利用基爾霍夫得率可以得到三項(xiàng)橋的交流側(cè)電壓方程，對(duì)其進(jìn)行拉氏變換，得到相電流關(guān)于初始電流的表達(dá)式。由此可以得出，對(duì)于基波域而言，逆變器輸出電流由逆變器的輸出電壓基波分量幅值以及電網(wǎng)電壓幅值、相位差決定。通過對(duì)逆變器的輸出電壓幅值、相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)基波電流跟蹤。在諧波域中，電網(wǎng)等效電壓為零，可以通過逆變器的輸出諧波電壓與輸出濾波電感的作用實(shí)現(xiàn)諧波電流跟蹤[2]。

1.2 系統(tǒng)功能

從上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及等效變換分析中可以看出，MPG-PQC利用最大功率點(diǎn)的跟蹤算法，可以對(duì)光伏陣列最大功率進(jìn)行跟蹤，并生成有功電流指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏并網(wǎng)的控制。諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)生成諧波電流指令，無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)生成無(wú)功補(bǔ)償電流指令，經(jīng)過同意的控制系統(tǒng)，將兩種指令進(jìn)行合成，利用電流跟蹤算法，在考慮直流側(cè)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，控制逆變器的電流注入量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電的電能質(zhì)量控制功能。在白天系統(tǒng)正常工作中，MPG-PQC系統(tǒng)同時(shí)為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行以及電能質(zhì)量控制提供支持，在夜間無(wú)光照期間，MPG-PQC系統(tǒng)僅對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行控制，不進(jìn)行有功電能輸出。通過MPG-PQC系統(tǒng)的應(yīng)用，可以降低電能質(zhì)量控制難度，減少相關(guān)設(shè)備投資，而且能夠減少系統(tǒng)的功率損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益[3]。

2 無(wú)差拍復(fù)合電能質(zhì)量控制系統(tǒng)及系統(tǒng)效能驗(yàn)證

2.1 無(wú)差拍復(fù)合電能質(zhì)量控制原理

光伏并網(wǎng)的電能控制系統(tǒng)要通過對(duì)逆變器開關(guān)模式進(jìn)行求取來實(shí)現(xiàn)電流跟蹤，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、諧波補(bǔ)償和無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙δ?。無(wú)差拍控制方法是一種能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)差拍電流跟蹤和指令信號(hào)計(jì)算的復(fù)合控制方法。通過進(jìn)行指令信號(hào)計(jì)算，可以將光伏電網(wǎng)的有功、無(wú)功與諧波電流相互統(tǒng)一起來，生成復(fù)合控制指令。無(wú)差拍電流跟蹤則能夠?qū)崿F(xiàn)指令電流的快速無(wú)差跟蹤，而且具有抗干擾前饋校正功能，可以方便比例系數(shù)的調(diào)節(jié)和校正。在無(wú)差拍復(fù)合控制方法的應(yīng)用過程中，由穩(wěn)定比例調(diào)節(jié)器生成直流側(cè)的電壓調(diào)節(jié)信號(hào)，最大功率控制功能可以保證光伏板保持在最大功率點(diǎn)的工作狀態(tài)，并生成有功信號(hào)。通過應(yīng)用瞬時(shí)功率理論，可以實(shí)現(xiàn)諧波檢測(cè)和無(wú)功檢測(cè)功能。在此基礎(chǔ)上，與并網(wǎng)發(fā)電有功信號(hào)符合生成電流控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的無(wú)差跟蹤，控制效率較高。

具體計(jì)算過程包括以下幾個(gè)步驟：（1）將系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)方程表示為X=AX+BV，其中，X是系統(tǒng)狀態(tài)向量；V是輸入向量，A和B是常系數(shù)矩陣；（2）得到狀態(tài)方程時(shí)域解，設(shè)T為間隔時(shí)間，將系統(tǒng)離散化；（3）電壓逆變器的輸入向量V可以表示為V（k）=△T（k）U，式中的△T（k）是第k次采樣脈寬控制量；U是直流側(cè)電壓；（4）給定參考狀態(tài)為Xref，將求出的脈寬控制量作為逆變器調(diào)制脈寬，在下一次采樣時(shí)對(duì)參考狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，若能在第k次采用時(shí)預(yù)測(cè)第k+1次采樣時(shí)的參考狀態(tài)，則第k+1次采用狀態(tài)就等于參考狀態(tài)。該算法過程就是所謂的無(wú)差拍控制。

2.2 控制信號(hào)計(jì)算

根據(jù)ip-iq諧波檢測(cè)法，在實(shí)現(xiàn)諧波檢測(cè)和無(wú)功檢測(cè)的同時(shí)，與并網(wǎng)發(fā)電的有功電流合成，得到復(fù)合控制指令。系統(tǒng)中的數(shù)字鎖相環(huán)通過對(duì)A相電壓過零點(diǎn)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字相位跟蹤，可以為控制系統(tǒng)的控制精度提供保障。當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償開關(guān)閉合時(shí)，系統(tǒng)只對(duì)負(fù)載諧波電流進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償開關(guān)斷開后，則同時(shí)檢測(cè)諧波電流與無(wú)功電流。設(shè)C與C-1為正反變換矩陣，則三項(xiàng)負(fù)載電流經(jīng)過C與低通濾波后得到基波有功直流分量，與并網(wǎng)有功直流分量、直流側(cè)穩(wěn)定有功電流直流分量共同合成符合控制指令。指令電流中的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別是諧波電流分量與基波有功電流。

2.3 系統(tǒng)效能驗(yàn)證

為確保上述控制系統(tǒng)的可靠性，采用PSIM仿真測(cè)試軟件對(duì)MPG-PQC系統(tǒng)進(jìn)行分析檢測(cè)。在進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)過程中，設(shè)三項(xiàng)交流電源電壓為380V，頻率為50Hz。將電網(wǎng)阻抗設(shè)計(jì)為0.1Ω、0.2mH，模擬負(fù)載的負(fù)載側(cè)基波電流為12A，功率因數(shù)為0.7，5次、7次、11次、13次諧波電流分別為5A、3A、5A和3A。諧波相對(duì)各項(xiàng)的初相角均設(shè)置為0°，經(jīng)過升壓模塊后的直流側(cè)電壓為710V，逆變器輸出濾波電感設(shè)計(jì)為0.5mH。設(shè)置好各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)后進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。并網(wǎng)時(shí)間為0.2s，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與其同時(shí)進(jìn)行，在0.4s時(shí)開始出現(xiàn)有功電流輸出。從仿真結(jié)果的A相電流波形變化中能夠發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)運(yùn)行的0～0.2s時(shí)間段內(nèi)，由于系統(tǒng)中存在非線性負(fù)載，因此諧波電流和無(wú)功電流較為嚴(yán)重。從0.2s開始進(jìn)行調(diào)節(jié)，諧波電流與無(wú)功電流明顯下降，說明電能質(zhì)量得到有效調(diào)節(jié)。從0.4s開始出現(xiàn)有功電流，并由輸出電流承擔(dān)部分負(fù)荷功耗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏發(fā)電及電能質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)的雙重目的，證明系統(tǒng)可以對(duì)光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的具體效能，相關(guān)研究者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。通過在實(shí)驗(yàn)室中搭建光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)MPG-PQC系統(tǒng)功能進(jìn)行具體驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)過程中，太陽(yáng)能電池選用GS48-TD170型單晶硅電池，功率指標(biāo)為35.5Vmp、170Wp。以6串2并的方式組成光伏陣列，其最大輸出功率2kW。升壓電路選用2.5mH電感和1000μF/450V電容。二極管選用IXYSDESI10-60A型號(hào)，開關(guān)管選用IMBH25D-12型號(hào)。對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，在未使用MPG-PQC控制系統(tǒng)前，連接點(diǎn)處的電流時(shí)域、頻域波形均顯示出諧波含量過高，其畸變率達(dá)到14.9%左右。在加入MPG-PQC控制系統(tǒng)后，諧波畸變率下降到7.3%，而且諧波電流含量明顯下降，分別從8.2%、7.3%、5.1%、4.1%下降到0.9%、0.7%、0，4%、0.2%。該實(shí)驗(yàn)對(duì)MPG-PQC的控制效能進(jìn)行了更直觀的說明，通過MPG-PQC系統(tǒng)的使用，使光伏電能質(zhì)量明顯提升，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電電能質(zhì)量的有效控制。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，MPG-PQC電能質(zhì)量控制系統(tǒng)在光伏并網(wǎng)中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的有效控制。通過對(duì)該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制原理進(jìn)行分析，可以看出MPG-PQC系統(tǒng)相比于其他控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。通過無(wú)差拍控制功能的分析與實(shí)現(xiàn)，可以為光伏并網(wǎng)及電能質(zhì)量控制提供支持。PSIM仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)都能夠證明MPG-PQC是一種有效的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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