分布式電源并網(wǎng)諧波抑制自動控制方法研究

李 瑋，武曉峰，王懷俊，段 煒

（國網(wǎng)吳忠供電公司，吳忠 751100）

0 引言

電力能源已經(jīng)成為了當(dāng)下社會發(fā)展的必需能源，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，對于電能的需求量也在不斷增大，對于電能的依賴程度也呈現(xiàn)上漲趨勢。傳統(tǒng)發(fā)電廠中主要依靠化石燃料的燃燒產(chǎn)生電能，但是隨著生態(tài)環(huán)境的污染以及一次能源的日漸枯竭，人們不得不轉(zhuǎn)變能源的供給方式，從依靠燃燒化石燃料的傳統(tǒng)火力發(fā)電轉(zhuǎn)換為一些可再生的清潔能源發(fā)電，目前比較常用的新型能源有太陽能、水利、風(fēng)力等[1]。根據(jù)我國大部分城市所處的地理位置，光伏發(fā)電成為了大面積使用的清潔能源，光伏發(fā)電能夠高效利用太陽能，對環(huán)境基本沒有影響且占地面積小，具有多種發(fā)電優(yōu)勢。但是光伏發(fā)電項目要想成為民用電的來源之一，就需要與傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。光伏發(fā)電由于其自身的獨(dú)特性能，與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，供電穩(wěn)定性較差。當(dāng)外界環(huán)境出現(xiàn)變化時，例如太陽的光照強(qiáng)度、光伏電源溫度發(fā)生變化時，分布式光伏電源的發(fā)電量會受到不同程度的影響，使得光伏發(fā)電存在波動性，且其輸出的電流是直流的，因此需要經(jīng)過逆變器才能與傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，傳統(tǒng)電網(wǎng)中的電壓是正弦型，與非線性的逆變器結(jié)合之后，就會產(chǎn)生諧波[2]，導(dǎo)致分布式電源并網(wǎng)之后產(chǎn)生大量諧波，對于電能質(zhì)量產(chǎn)生了極大的威脅。

針對這種現(xiàn)象，一般需要采取一些手段對并網(wǎng)后產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制控制。但是傳統(tǒng)的諧波抑制自動控制方法中，對于低壓的分布式電源并網(wǎng)中產(chǎn)生的微小諧波抑制效果較差，對此本文設(shè)計一種針對低壓環(huán)境下分布式電源并網(wǎng)諧波抑制自動控制方法。

1 分布式電源并網(wǎng)諧波抑制自動控制方法

1.1 分布式電源并網(wǎng)建模

分布式電源主要是依靠其功率的大小進(jìn)行型號的劃分，當(dāng)分布式電源的功率小于80MW時，一般應(yīng)用在單集電線路中的情況比較多[3]。大型的太陽能光伏發(fā)電設(shè)備在電力系統(tǒng)電子元件中接入適用于分布式電源的變壓器后，光伏發(fā)電站的每個獨(dú)立的發(fā)電單元都需要依次通過不同的電力電子裝置之后，接入分布式變壓器。不同的分布式發(fā)電光伏中，主要是將太陽輻射能量轉(zhuǎn)化成直流電能，經(jīng)過電流匯聚之后能夠輸出穩(wěn)定的直流電能，這些直流電能需要經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電之后，才能并入到傳統(tǒng)電網(wǎng)中為用戶提供電能。在分布式電源并網(wǎng)建模過程中，直流穩(wěn)壓側(cè)是重點(diǎn)的分析對象。假設(shè)直流電壓的輸入端的電流中不存在紋波，即輸出的電流為質(zhì)量較好的電流，此時多個分布式光伏電源在并網(wǎng)過程中從母線上進(jìn)行匯流后，輸入到傳統(tǒng)電網(wǎng)中。假設(shè)并網(wǎng)中的電流調(diào)制信號以及輸出的有功功率已知或可計算，那么逆變器中的參考輸出電流在計算是能夠獲取到穩(wěn)定的直流側(cè)電壓。因此在整體的分布式電源并網(wǎng)過程中，需要補(bǔ)償?shù)碾娏鱅pf可以表示為：

式(1)中，Upcc表示電壓的有效值，upv表示電壓采樣值，ipv表示電流采樣值。逆變器在完成濾波之后，輸出的計算電流波形中的幅值與幅值的控制量需要完成相位同步。在電流諧振控制中，根據(jù)不同次數(shù)的諧波分量，按照比例進(jìn)行電流控制。對于電流分量所展示出的基礎(chǔ)波情況，計算出正弦載波的最大幅值，并得到直流穩(wěn)壓在輸出側(cè)的電壓采樣值。為了獲取到不同次的諧波分量，需要提高電流和特征諧波的調(diào)控精度。至此完成分布式電源并網(wǎng)建模。

1.2 優(yōu)化諧波檢測算法

在完成分布式電源的并網(wǎng)建模之后，想要對諧波進(jìn)行抑制自動控制，首先要對諧波進(jìn)行檢測。因此在本章中對諧波檢測算法進(jìn)行優(yōu)化，算法中基于瞬時無功功率理論上得到有源電力濾波器在工作中所產(chǎn)生的諧波[4]。在檢測過程中，假設(shè)分布式電源并網(wǎng)之后，測量得到電源三相的瞬時電壓值分別為ua，ub，uc，得到的同時間點(diǎn)各自所對應(yīng)的電流值分別為ia，ib，ic，以上幾個電力測量值滿足以下方程：

為了便于分析諧波位置以及各參量，將三相的值在坐標(biāo)系中進(jìn)行變化，得到兩相坐標(biāo)系并求出相應(yīng)的值。兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換電流電壓矢量圖如圖1所示：

圖1 兩相坐標(biāo)系和三相坐標(biāo)系之間電流電壓矢量轉(zhuǎn)換圖

在三相電流電壓轉(zhuǎn)化為兩相電流電壓的過程中，依靠坐標(biāo)系進(jìn)行變換是準(zhǔn)確、高效的手段。在兩相坐標(biāo)系中，將三相坐標(biāo)系在不同線上的投影進(jìn)行計算，能夠獲取或依據(jù)角度各自合成出電壓值和電流值，在旋轉(zhuǎn)角的計算下，得到旋轉(zhuǎn)電壓和電流矢量。圖1中瞬時有功電流ip矢量與α方向上的夾角記作ψu(yù)，與i方向上的夾角記作ψ，i方向與α方向上的夾角記作ψi，且存在：

根據(jù)以上條件，能夠得到三相電路條件下的瞬時有功功率P與無功功率Q之間存在的矩陣形式為：

假設(shè)在三相情況下的電壓和電流均為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波時，并取相電壓和相電流的有效值，計算出基波正序分量后完成反變換，得到諧波參數(shù)。至此完成諧波檢測算法的優(yōu)化。

1.3 諧波抑制自動控制方法的實(shí)現(xiàn)

在完成諧波檢測之后，針對諧波的參數(shù)等條件進(jìn)行抑制自動控制。光伏發(fā)電設(shè)備在與傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電并網(wǎng)時，影響光伏電能輸出的外界環(huán)境主要是光照強(qiáng)度和輻射溫度。根據(jù)諧波產(chǎn)生的原因來看，一旦外界條件環(huán)境發(fā)生變化時，對于有源逆變器來說也會產(chǎn)生輸出變化，令并網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波[5]。當(dāng)分布式電源系統(tǒng)中的有關(guān)于電壓的變化函數(shù)應(yīng)用在并網(wǎng)之后的線性電路中時，電流會保持其原有的頻率，并以正態(tài)波的形式出現(xiàn)。當(dāng)并網(wǎng)之后的線路為非線性狀態(tài)時，頻率則會改變?yōu)榉钦也?。但是此時的非正弦波會出現(xiàn)一定的壓降，影響負(fù)載端的電壓波形。在這樣的情況下，一旦出現(xiàn)低壓環(huán)境，則控制過程會對微小的諧波產(chǎn)生免疫。

為了有效實(shí)現(xiàn)諧波的抑制自動控制，本文在此過程中以電壓電流閉環(huán)控制PWM為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，從電壓諧波基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，保證在低壓環(huán)境下的控制精度。傳統(tǒng)的PWM諧波抑制技術(shù)中，一般是以電流為主要優(yōu)化對象進(jìn)行補(bǔ)償。但是低壓環(huán)境下，電流的變化范圍比較小，無法引起控制方法的敏感性，因此本文通過控制電壓的穩(wěn)定輸出為突破口，以求降低逆變器元件在輸出過程中產(chǎn)生的波動與諧波。在電壓跟蹤自動控制的過程中，還能將產(chǎn)生的波動與諧波作為控制參考的指令信號，電感電流閉環(huán)控制以輸出電流為依據(jù)對補(bǔ)償電流進(jìn)行控制，以電感電流采樣基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)制可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力和抗負(fù)載干擾能力。在以上的電壓控制中，其控制流程如圖2所示：

圖2 電壓諧波控制過程示意圖

圖2中的光伏系統(tǒng)的輸出量主要是由MPPT進(jìn)行控制的，輸出電壓在經(jīng)過PI控制器之后會生成補(bǔ)償電壓。其中的AVR能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率部分的補(bǔ)償，在控制中以串聯(lián)的形式連接，能夠?qū)⒉煌恢玫碾妷哼M(jìn)行分流，將大部分的微小諧波電流引入到電源并網(wǎng)的濾波器中，實(shí)現(xiàn)諧波的抑制自動控制。至此完成分布式電源并網(wǎng)諧波抑制自動控制方法的研究。

2 方法性能測試

2.1 實(shí)驗環(huán)境與平臺設(shè)計

為了驗證本文設(shè)計的諧波抑制自動控制方法對于低壓環(huán)境下分布式電源并網(wǎng)諧波的控制有效性，在本章中模擬工程的實(shí)際環(huán)境，搭建實(shí)驗平臺。利用實(shí)驗室中380V的供電電源進(jìn)行測試，搭建的實(shí)驗平臺框圖如圖3所示：

圖3 實(shí)驗平臺系統(tǒng)框圖

圖3中，380V的市電在經(jīng)過電力濾波器以及單相的有源電力濾波器協(xié)調(diào)治理集電線路的包含諧波的電流，流經(jīng)整流二極管，經(jīng)過處理之后，輸出的是諧波振幅較大的電壓，給負(fù)載的電阻供電。APF是實(shí)驗中設(shè)置的波形發(fā)生器，能夠通過特定的算法產(chǎn)生能夠消除負(fù)荷側(cè)諧波和無功功率。在以上實(shí)驗環(huán)境下，實(shí)驗平臺的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示：

表1 實(shí)驗平臺參數(shù)

在以上參數(shù)的支撐下，有源電力濾波器輸出的電壓頻率能夠達(dá)到上千赫茲，并且能夠作為開關(guān)信號。但是由于實(shí)驗系統(tǒng)中一些功率元件在進(jìn)行開關(guān)操作過程中，會使電流波形產(chǎn)生毛刺。為了保證控制結(jié)果的精準(zhǔn)度，需要去除波形中的毛刺。經(jīng)過處理后，輸出的波紋電流ΔIL與其他參數(shù)之間存在以下函數(shù)關(guān)系：

式(5)中，Udc表示儲能電容兩端的電壓，u0(t)表示在t時間序列內(nèi)交流輸出瞬時電壓的變化函數(shù)，L表示電流流經(jīng)的總長度，fc表示開關(guān)的頻率。在上式中，當(dāng)u0(t)的值為Udc的一半時，此時的電流振幅能夠達(dá)到最大，在電流波形的輸出情況中，能夠有效避免波形毛刺的產(chǎn)生。經(jīng)過以上的預(yù)處理之后，設(shè)計實(shí)驗中自動控制的流程框圖，如圖4所示：

圖4 實(shí)驗控制測試流程圖

在以上實(shí)驗環(huán)境和實(shí)驗流程下，分別使用本文設(shè)計的分布式電源并網(wǎng)諧波抑制自動控制方法和傳統(tǒng)的基于DSP的諧波抑制自動控制方法進(jìn)行測試，并將實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比與分析。

2.2 實(shí)驗結(jié)果對比與分析

經(jīng)過測試，得到本文方法和傳統(tǒng)基于DSO控制方法下的分布式電源并網(wǎng)諧波抑制自動控制結(jié)果，如圖5所示：

圖5 兩種控制方法調(diào)節(jié)后的電壓波形與原始波形對比圖

分別使用兩種方法對諧波進(jìn)行抑制控制之后，得到電壓波形圖，從上圖的波形圖可以看出，在對諧波進(jìn)行抑制控制之前，電壓波形受到了實(shí)驗平臺中電阻的非線性負(fù)載的影響，電壓波形圖發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，且其中包含了不同次數(shù)的諧波分量。經(jīng)過本文方法進(jìn)行抑制控制后，正弦圖像的振幅有效降低，其中的諧波分量明顯減少。為了更加直觀的看出不同方法的控制差距，對上圖進(jìn)行頻譜分析，得到的結(jié)果如表2所示：

表2 頻譜分析結(jié)果對比

從表2的頻譜分析結(jié)果可以看出，在兩種諧波抑制控制方法下，對于降低母線電壓總畸變率THD均有降低的作用，但是本文方法下得到的電壓波形圖的畸變率更低，且高頻諧波電壓基本不存在，在諧波治理方面，本文方法的效果與傳統(tǒng)的基于DSP的諧波抑制自動控制方法相比更加顯著。

3 結(jié)語

分布式光伏電源的發(fā)展有效解決了目前能源短缺的現(xiàn)狀，這種可再生能源能夠在一定程度上緩解傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電所帶來的一些問題。本文針對分布式電源并網(wǎng)之后所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行研究，得到一種適用于低壓環(huán)境下諧波抑制自動控制的精準(zhǔn)方法。本文通過建立分布式電源并網(wǎng)模型，對諧波進(jìn)行檢測并實(shí)現(xiàn)抑制自動控制，經(jīng)過實(shí)驗驗證了本文方法的有效性。本文設(shè)計的方法雖然取得了一定的成績，但是由于一些客觀原因，還存在一些有待改進(jìn)之處。在方法的驗證過程中，主要是基于分布式電源并網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件，實(shí)驗平臺的狀況單一，在后續(xù)的研究中，需要針對不同程度擾動或運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行測試，并將其脫離實(shí)驗環(huán)境，真正應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中。