三相光伏并网的控制策略研究

华东交通大学电气与电子信息学院 ■ 宋平岗 韩梦梦 侯洁红 万丽琴

0 引言

在传统能源短缺和污染日益严峻的形势下，新能源越来越受到人们的关注。太阳能以其取之不尽、用之不竭的优势成为具有发展潜力的重要新能源[1-2]，利用太阳能的光伏并网发电已成为最主要的分布式发电之一[3-5]，也是新型智能电网发展的趋势[6]。

随着我国工业的快速发展，非线性负载投入使用的比例越来越高，产生的无功和谐波也越来越大，如果逆变器只对无功和谐波进行抑制[7-8]，就会存在逆变器功能单一的问题，还会降低其使用效率。虽然将光伏发电与有源滤波结合起来对逆变器实行统一控制能提高其使用效率[9]，但不能将光伏发电的最大有功功率瞬时送入电网，就会降低光伏发电的使用效率。

本文通过光伏最大有功瞬时传送和有源滤波结合起来对逆变器进行综合控制，考查其对APF中逆变器的使用效率及光伏发电的使用效率的影响。

1 系统电路结构

本文采用两级式光伏并网系统的结构(图1)：第一级为Boost型升压电路，实现最大功率跟踪控制；第二级为全桥逆变器，产生与电网电压同频、同相的电流，两者之间通过滤波LC电路相连。光伏的最大功率跟踪和电网的谐波检测单独设计，便于实现和控制。

直流侧电压经过AVR得到的电流与谐波检测模块检测出来的电流共同合成并网参考电流，进而控制逆变器的开关状态。有两种运行方式：其一，白天实现最大功率送入电网的同时，补偿本地非线性负载投入使用产生的无功和谐波，提高了电网的电能质量；其二，晚上或阴天等恶劣天气时，光伏发电功率小于60 W，光伏退出并网维持Boost电路电容的电压稳定，以便白天并网发电，减少并网时产生的谐波；另外电路还可做无功和谐波补偿设备使用，补偿晚上本地线性和非线性负载所产生的无功和谐波。

如图1所示，系统由光伏电池组成的光伏阵列、Boost电路、LC滤波器和非线性负载等组成。

图1 系统电路图

2 系统的控制方法

系统的控制部分有MPPT的控制、谐波无功电流检测控制、最大功率注入控制和输出控制，如图2所示。

图2 具有有源滤波功能的光伏并网的控制图

通过MPPT跟踪的最大功率转化为与电网电压同步的最大有功电流注入电网，减少电网向负载侧提供的有功，使光伏利用效率提高，也提高了谐波无功补偿设备的利用率，经济性得到提高。对比文献[5](控制电容电压的稳定，控制输出的有功)所提出的控制方法，该控制方法具有的优势为：可把光伏发出的有用功瞬时送入电网，避免光伏发电对电容C2过充造成C2电压的升高，从而加速了对C2的稳压性能，因此，具有更快的响应能力。

2.1 MPPT的控制

由于光伏电池发电成本高，因此要使光伏以最大的功率并网输出，提高其效率。MPPT控制器能实时监测太阳能板的发电电压，并跟踪最高电压电流值，使系统以最高效率对蓄电池充电[10]。本文采用扰动观察法(P&Q法)得到光伏最大输出功率。该方法先采样输出的电压和电流，计算出功率，然后和前一刻采样的电压电流计算的功率进行比较，如果现在时刻的功率大，则向相同方向进行扰动，否则向相反方向扰动至找到最大功率输出点为止。

P&Q法易采用模块化控制回路，结构相对简单，测量参数较少且成本低。由于不能较快跟踪光伏阵列的最大发电功率，因此，较多应用于光照随时间变化较慢的地方。但若增加采样时间，可减少光伏发电系统的损失。控制算法流程图如图3所示。

图3 P&Q法算法流程图

2.2 谐波电流检测原理

电流检测及指令电流的合成原理图如图4所示。由图4可知，该方法通过锁相环锁定电网电压（ua）的相位信号。首先将主电路中的A、B、C三相电流变成Clarck坐标下的瞬时电流分量，紧接着经过dq坐标变换分离出有功电流和无功电流，然后经过低通滤波器滤除谐波成分并将q通道断开，得到基波有功电流减去稳定光伏电容电压的有功电流分量，从而得到基波负载所用的有效基波有功电流分量，再经过dq和Clarck反变换得到三相基波有功电流分量，将电网中实际电流减去三相基波有功电流分量，由此得到谐波和无功电流的参考分量。

图4 电流检测及指令电流的合成原理图

Clarck到dq坐标变换表达式为：

Clarck变换得：

由式(1)、式(2)可得：

基波有功分量电流减去扰动电流分量后转化为三相基波有功分量的电流，表达式为：

由式(4)推出式(5)，即得到三相谐波无功补偿电流分量：

式中：为三相有功基波分量，与三相基波电流相减得到需补偿的谐波无功电流。

2.3 最大功率注入的控制

MPPT跟踪的最大功率(Pmm)减去维持光伏系统运行的功率(M=60 W)后，剩余功率为最大可并网有功功率(Pm)。已知直流侧稳压控制的电压和光伏跟踪的最大可并网功率得到id，设iq=0，由式(6)﹑式(7)变换到与电网电压同相位的基波有功电流，式(8)为该电流与三相谐波无功电流之和作为控制逆变器输出的参考电流，从而实现对逆变器的闭环控制。本文运用的是等功率变换。

式中：ia′、ib′、ic′为光伏电池输送的三相最大有功基波电流分量；iaref*、ibref*、icref*为需要补偿的三相谐波无功电流的和；其两者相减为参考输出电流iaref、ibref、icref，即式(8)由式(5)和式(7)推出。式(6)中Udc=Ud，Ud为电网的三相电压经过dq变换到d轴的电压，由此可计算出与电网电压同相位的有功电流。

由式(6)～(8)可知，MPPT追踪到的最大有功功率经过瞬时功率计算模块变换为最大有功电流，因此，光伏发出的最大瞬时有功功率注入电网或被用户使用，提高了光伏的利用效率；又能保证补偿配电网侧的谐波无功，故对用户侧非线性负载的使用所造成电网电流的污染具有抑制作用。

2.4 滞环比较输出环节的控制

此处采用三角波比较方式，其原理如图5所示。将参考电流inref与实际输出电流in的差值Δin通过比例调节器后作为调制波(n为a、b、c三相)，三角波为载波，比较后得到IGBT的开通时间。此方法与滞环比较输出的控制相比具有的特点为[11]：硬件复杂；跟踪误差较大；器件开关频率可调且等于三角载波频率，从而减少了器件损耗和噪声污染。

图5 输出控制方式

3 仿真结果和分析

电网电压恒定，几乎无变化，故把电网当做理想电压源处理。在一段时间内光伏输出有功功率稳定的情况下，进行相关试验。图6为在本文提出的最大功率的控制方式下得到的仿真波形；图7是在文献[5]提出的控制方式下得到的仿真波形。电网A相电压和电流的波形如图6a和图7a所示。从图6a和图7a可知：电网电流在0.1～0.3 s时，由于光伏输出功率的降低，提供给负载的有功功率减少，以至于电网供给非线性负载的有功电流一直增大，且几乎无无功和谐波电流；电网电流在0.3～0.4 s时，由于整个光伏系统退出运行，不再具有光伏的最大有功输送和无功、谐波的补偿功能，以至于电网输出电流变大且畸变严重。图6b和图7b分别为在以上两种控制方式下得到的电网A相输出的电流图。从图6b和图7b可知：当光伏电源输出的有用功减小时，电网输出有功电流增大，且波形较好(较好地补偿负载的无功和谐波)；当光伏系统退出运行时，电网输出有用功增大，谐波得不到补偿致波形畸变严重。图6c和图7c分别为在以上两种控制方式下得到的直流侧电容电压。图6c和图7c比较可得：采用本文提出的控制方式，当光伏输出功率变化时，电压重新稳定约需0.015 s；而利用文献[5]提出的控制方法，在光伏输出的功率浮动时，电压达到稳定约需0.03 s。因而，本文提出的最大有功输送理论更有助于直流侧电压稳定且电压波动更小。

图6 本文提出的最大功率的控制方式下得到的仿真波形

图7 文献[5]提出的控制方式下得到的仿真波形

4 结束语

本研究不仅实现了光伏电源的并网，而且抑制了非线性负载投入使用所引起的电网电流波形畸变，从而提高了电能质量。通过本装置可把光伏电源发出的最大功率瞬间送入电网，对光伏电源的利用效率大幅增加，并且有助于提高光伏直流侧电压的稳定性。同时，阴雨或晚上，光伏电源退出电网，这时实现有源滤波，改善用户端的电能质量，也减少了对电网电能质量的污染。

[1] 李冬辉, 王鹤雄, 朱晓丹, 等. 光伏并网发电系统几个关键问题的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(21): 208－214.

[2] 周林, 曾意, 郭珂, 等. 具有电能质量调节功能的光伏并网系统研究进展[J]. 电力系统保护与控制 ISTIC EI, 2012, 40(9): 137－145.

[3] Antonio L, Steven H. Handbook of photovoltaic science and engineering [M]. Chichester. Hoboken, NJ:Wiley，2003.

[4] Oman H. Space solar power development[J]. IEEE AESSystems Magazine, 2000, 15(2)3－8.

[5] 王春蕾, 张代润. 具有 APF 功能的光伏并网发电系统的研究[J]. 可再生能源, 2012, 30(3): 10－13.

[6] 施婕，艾芊．智能电网实现的若干关键技术问题研究[J]．电力系统保护与控制, 2009, 37(19): 1－4．

[7] M Rukonuzzaman, M Nkaoaka. Adaptive neuralnetwork based harmonic current compensation in activepower filter [J].Proceedings. JJCNN 101, 2001, (3): 2281－2286.

[8] 顾建军, 徐殿国. 有源滤波技术现状及其发展 [J]. 电机与控制学报, 2003, 7(2): 126－132.

[9] Kumar R, Mohanty A, Mohanty S R, et al. Power quality improvement in 3-Φ grid connected photovoltaic system with battery storage[A]. Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES),2012 International Conference on IEEE[C]. 2012: 1－6.

[10] 吴文博, 吴雷. 有源滤波器在微网光伏并网系统中的应用[J]. 江南大学学报(自然科学版), 2013, 12(3): 278－282.

[11]顾和荣, 杨子龙, 邬伟扬. 并网逆变器输出电流滞环跟踪控制技术研究[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(9): 108－112.