含電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能的三相四線制光伏系統(tǒng)

皮琪力，張長征

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068)

太陽能作為一種可再生清潔能源，如果能夠得到充分利用，將有效緩解目前的環(huán)境和能源問題[1]。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，由于大量單相負載和分布式微電網(wǎng)的并網(wǎng)，配電網(wǎng)中存在著比較嚴重的諧波、無功以及不平衡電流，損耗大量電能，影響電力設(shè)備以及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[2-3]。針對以上兩個熱點問題，研究了一種能夠調(diào)節(jié)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的三相四線制光伏系統(tǒng)，將光伏發(fā)電和配電網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)兩者有機地結(jié)合起來，在發(fā)展清潔能源的同時，對配電網(wǎng)的諧波、無功以及三相不平衡電流進行有效補償，提升配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計的三相四線制光伏系統(tǒng)(圖1)主要由分布式發(fā)電部分、分布式儲能部分以及并網(wǎng)變流器部分組成。分布式發(fā)電部分采用MPPT控制技術(shù)，使光伏組件的發(fā)電率最大化[4]。分布式儲能部分采用了一種能量綜合管理控制策略，實現(xiàn)控制光伏系統(tǒng)并網(wǎng)變流器的工作狀態(tài)以及儲能部分的快速充放電。并網(wǎng)變流器部分采用三相四線制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)與電網(wǎng)的能量交換以及對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。其中分布式發(fā)電和分布式儲能部分都采用了三電平DC/DC變換器與直流母線進行能量交換，以及直流母線的中性點不平衡抑制，因此并網(wǎng)變流器不需要制定相應(yīng)的策略來平衡直流側(cè)中性點電壓，從而簡化了并網(wǎng)變流器的結(jié)構(gòu)和控制策略，提高了與電網(wǎng)能量交換的效率以及對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力[5]。

圖1 三相四線制光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 三電平DC/DC變換器

DC/DC變換器是電能轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹匾考渲袃呻娖紻C/DC變換器的容量較小、開關(guān)損耗較大，并不適合本系統(tǒng)發(fā)電和儲能部分的要求[6]。因此本系統(tǒng)采用了一種新型的三電平DC/DC變換器，來滿足大容量、高電壓光伏系統(tǒng)的要求[7]。

2.1 DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2 三電平DC/DC變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用的三電平DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)(圖2)。該拓撲結(jié)構(gòu)由一個三電平單元、輸入端濾波電容Cf、輸出端兩個電容器C1、C2組成。這種三電平DC/DC變換器結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，可以滿足分布式發(fā)電部分大容量、高電壓的特點，也能夠滿足分布式儲能部分快速充放電的要求[8]。而且變換器是模塊化的，可以并聯(lián)增大系統(tǒng)容量，具有很強的靈活性[9]。

通過改變四個開關(guān)管的工作狀態(tài)，三電平DC/DC變換器可以實現(xiàn)四種工作模式。本文以開關(guān)管的導(dǎo)通編號對變換器的工作模式進行命名，例如當(dāng)S2、S3導(dǎo)通，S1、S4沒有導(dǎo)通時，變換器的工作模式就命名為23模式(圖3)。

圖3 四種工作模式

三電平變換器的固有結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其存在中性點不平衡的問題，嚴重影響系統(tǒng)的正常運行[10]。本文所設(shè)計的三電平DC/DC變換器，可以在以上四種模式上轉(zhuǎn)換。通過簡單分析可知，當(dāng)直流側(cè)中性點不平衡時，只需要切換到13或者24工作模式，并使變換器工作在該模式持續(xù)一段時間，就可以調(diào)整中性點電壓為平衡狀態(tài)。

2.2 DC/DC變換器的調(diào)制策略

根據(jù)三電平DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，經(jīng)對比分析，本文采用了多載波脈寬調(diào)制策略，具體如下：將兩個調(diào)制波分別與兩個相位相差180度三角載波信號相交，然后比較得出所需要的PWM波。利用這種調(diào)制方法，可以實現(xiàn)兩個調(diào)制波的平衡，這也就實現(xiàn)了變換器的中性點電壓平衡[11]。

本文d是主控占空比，d1和d4分別表示由控制器生成開關(guān)管S1、S4導(dǎo)通的占空比值。通過與不平衡信號d1和d4進行調(diào)制，分別與反向的三角載波進行相交比較后得到變換器平衡的主占空比d。在變換器中性點電壓不平衡時，為了驗證調(diào)制策略的正確性，需要分別考慮d>0.5，d=0.5，d<0.5三種情況。

圖4 開關(guān)信號波形

2.3 DC/DC變換器的控制方法

結(jié)合DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)以及采用的調(diào)制策略，本文根據(jù)實際情況，采用了電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。其中電壓外環(huán)用于保持直流母線的電壓于穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)無電壓差，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)實時的響應(yīng)，提升整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度。下面分別對分布式儲能和分布式發(fā)電部分中的三電平DC/DC變換器的控制方法進行說明。分布式儲能部分的雙環(huán)控制如圖5所示。

圖5 控制結(jié)構(gòu)框圖

3 三相四線并網(wǎng)變流器

前文分析了三電平DC/DC變換器的中性點不平衡抑制能力，本文所設(shè)計的三相四線并網(wǎng)變流器不需要再考慮直流側(cè)中性點不平衡問題。因此，本系統(tǒng)在單個三電平單元的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了一種二極管鉗位型三相四線并網(wǎng)變流器。

3.1 并網(wǎng)變流器的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

拓撲結(jié)構(gòu)(圖6)由三個二極管鉗位的三電平橋臂、兩個直流側(cè)電容器C1、C2、輸出連接電感Ls組成，其中Rs為三相線路的等效電阻，RN為中線的等效電阻,每個橋臂都可以獨立控制，都可以獨立地工作在三種工作狀態(tài)，輸出的相電壓分別為Udc/2、0和-Udc/2[12]。

圖6 三相四線制并網(wǎng)變流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)

三相四線并網(wǎng)變流器采用電流控制方式，通過調(diào)節(jié)輸出電流與電網(wǎng)電壓的頻率和相角相同，使得光伏系統(tǒng)發(fā)出的有功功率并入電網(wǎng)。通過合理的控制方案可同時實現(xiàn)并網(wǎng)和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)兩個功能。具體而言，就是通過檢測負載交流母線上的無功、諧波和不平衡電流分量，再通過一定的算法將其換算成補償電流的指令信號，最后與并網(wǎng)變流器所需要向電網(wǎng)注入的有功電流指令信號相合成，從而得到最終的并網(wǎng)電流指令信號，這樣就實現(xiàn)了利用一套并網(wǎng)裝置集成光伏并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)兩種功能。

3.2 指令信號運算

通過前文分析可知，光伏系統(tǒng)同時實現(xiàn)光伏發(fā)電和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的關(guān)鍵就是要得到集成逆變有功電流和不平衡補償電流的并網(wǎng)電流指令。傳統(tǒng)上，實現(xiàn)三相不平衡補償，通常采用零序電流分離法[13]。首先分析三相四線制系統(tǒng)中的零序電流，三相四線制系統(tǒng)中的三相電流為ia、ib、ic，其中a、b、c三相的零序電流分量相等，因此整個系統(tǒng)中總的零序電流

各相中的零序分量i0去除,則：

零序電流分量去除后的三相電流只含有正序分量和負序分量，可以表示如下：

同時又有：

現(xiàn)在利用基于瞬時無功功率理論的ip、iq檢測方法進行檢測，可以得到基波的正序分量如下式：

用負載電流ia、ib、ic減去基波正序電流分量，就可以得到補償指令電流信號，補償信號包含無功功率、諧波、基波負序電流和基波零序電流，補償信號用iar、ibr、icr表示，其關(guān)系可見下式：

由于本系統(tǒng)還要實現(xiàn)光伏并網(wǎng)的基本功能，所以需要比上述指令算法多考慮一個并網(wǎng)變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定性的問題[14]。因此，在有功電流經(jīng)LPF濾波后加入了一個反饋環(huán)節(jié)，對逆變裝置直流側(cè)電壓進行了穩(wěn)定控制。指令信號運算電路見圖7。

圖7 指令信號運算電路

4 建模與仿真

根據(jù)上述調(diào)制策略及控制原理，對整個三相四線制光伏系統(tǒng)進行建模與仿真。其中，直流母線電壓為1200 V，光伏組件最大電壓為500 V，蓄電池端電壓為600 V。圖8是分布式發(fā)電部分經(jīng)過MPPT算法后的輸出電壓，可以看出0.05 s之后光伏電池板輸出電壓Vref穩(wěn)定在500V，MPPT算法正確有效。

圖8 分布式發(fā)電MPPT控制

圖9是對本系統(tǒng)分布式儲能部分的能量雙向流動的仿真?？梢钥闯?，在0.1 s前P負載=P母線+P電池，母線電源和儲能部分共同為直流負載提供電能，蓄電池為放電狀態(tài)。0.1 s后P母線=P負載+P電池，母線電源為直流負載和儲能部分一起供能，儲能部分處于充電狀態(tài)。因此分布式儲能部分可以實現(xiàn)能量的雙向流動。

圖9 蓄電池、負載和母線的功率

圖10是對三電平DC/DC變換器中性點電壓的仿真分析，可以看出初始狀態(tài)下中性點電壓不平衡，但是在0.1 s時采取雙閉環(huán)控制法后，中性點電壓在短時間內(nèi)達到平衡，中性點不平衡抑制有效。

圖10 三電平DC/DC變換器中性點電壓

圖11是光伏系統(tǒng)對配電網(wǎng)的無功補償、不平衡補償以及諧波治理的仿真分析，可以看出，初始時配電網(wǎng)A相電壓和電流不同相位，而且存在諧波和不平衡電流，在0.1 s時，并入光伏系統(tǒng)，配電網(wǎng)電壓、電流變?yōu)橥辔?，并且三相電流變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的三相交流電。

圖11 補償前后配電網(wǎng)的電壓、電流波形

圖12是對微電網(wǎng)與配電網(wǎng)有功交換的仿真驗證。0.2 s前微電網(wǎng)處于獨立狀態(tài)，電網(wǎng)電流僅由三相負載值決定。0.2 s到0.3 s，微電網(wǎng)將多余的能量并入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)三相電流增大。0.3 s到0.4 s，微電網(wǎng)從配電網(wǎng)獲取能量，配電網(wǎng)三相電流減小。

圖12 配電網(wǎng)的三相電流波形

5 結(jié)論

本文所研究的三相四線制光伏系統(tǒng)在發(fā)電和儲能部分采用了一種新型的三電平DC/DC變換器，并提出了中性點抑制的調(diào)制策略和控制方法。在并網(wǎng)部分采用了一種新型三相四線并網(wǎng)變流器，并提出了相應(yīng)的控制方法，實現(xiàn)了與配電網(wǎng)雙向有功交換的同時，對配電網(wǎng)的無功、諧波以及不平衡負載進行補償，提升了電網(wǎng)電能質(zhì)量。