融合电能质量控制的光伏逆变技术研究

2015-08-01艾振珂

电源技术 2015年10期

关键词：有源三相谐波

张杰，赵威，姚凯，高腾，艾振珂

(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068)

融合电能质量控制的光伏逆变技术研究

张杰，赵威，姚凯，高腾，艾振珂

(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068)

现有光伏并网发电系统受太阳光照强度、时长的影响，实际有效利用率不高，为此提出一种将光伏并网与有源滤波相结合的新型统一控制策略。分析了光伏并网与有源滤波统一控制的原理，推导了谐波和无功电流的偏差量的计算方法。控制策略以优先消除偏离电能指标的控制思想，根据无功和谐波电流的偏离量，动态调节其补偿比例。在Simulink中搭建了系统模型，并进行了仿真验证。仿真结果表明该控制策略能根据电网需求，实时地实现光伏并网发电、谐波抑制和无功补偿。

光伏并网；有源滤波；统一控制；谐波抑制；无功补偿

自20世纪80年代以来，光伏并网发电技术不断成熟，系统的装机容量逐年增大。但是由于昼夜交替和天气变化等客观条件，光伏并网系统的利用率并不高，年使用时间约等于年日照时数。而随着工业化进程的加快，大量非线性负载被投入使用，这些负载产生的无功和谐波电流严重危害电网电能质量。有源滤波器(APF)能很好地滤除谐波和补偿无功，但是其装置成本较高，功能较单一。

鉴于光伏并网装置的利用率不高，APF装置价格昂贵，但二者的结构相似的特点将二者实施统一控制的思想成为近年来的热点[1-4]。文献[5-6]在同一逆变器上实现了上述两种功能，在阳光充沛时系统进行光伏并网发电，否则进行有源滤波。这种根据外部环境自动切换的工作模式没能充分利用逆变器有效容量。文献[1-3]已考虑将逆变器空余容量进行部分或全部的有效利用，补偿电网中无功或谐波电流，提升设备实际使用价值。但是工作模式的切换中需要频繁的切换开关，增加了系统的负担，而且没有考虑谐波治理和无功补偿的优先顺序、补偿比例和补偿目标的问题，不能实时动态地实现对电网的最优化补偿，提高电能质量。

针对以上问题，本文提出了一种新的单级式三相光伏并网与有源滤波的统一控制策略。在保证最大功率并网发电的同时，在系统容量有剩余的基础上，按照优先消除偏离电能质量国家标准 (总谐波含量THD≤5%，功率因数cosφ≥0.9)一方，同时偏离时则优先补偿偏离量较大一方，选择性地输出补偿电流，提高设备利用率和电网电能质量。

1 三相光伏并网与APF统一控制结构与原理

图1 单级式三相光伏并网与APF同一控制原理

单级式三相光伏并网与APF统一控制原理如图1所示。光伏阵列PV、平波电容、LC滤器、三相非线性负载和电网构成主回路。三相电流检测单元、补偿量的计算单元、电流合成单元、光伏阵列最大功率跟踪(MPPT)控制器、电流调节器构成控制回路。

控制原理如下：光伏阵列PV经光生伏打效应产生电能，MPPT部分负责跟踪光伏阵列最大功率点，输出并网指令电流[7]。电流经检测部分分离出非线性负载三相有功、无功和谐波电流，经计算输出需要补偿的无功和谐波电流，形成无功和谐波补偿指令电流。控制部分将有功、无功和谐波指令电流与逆变器输出三相电流进行合并，并采用合适的控制方法控制变流器按照合并后的指令电流向电网注入电流，实现光伏并网与有源滤波的统一控制。

2 系统控制策略和补偿量的计算

2.1 系统控制策略

本系统由电压外环和电流内环构成双闭环矢量控制[8]。电压外环为功率环稳定光伏阵列的直流输出电压，调节光伏并网有功电流，是系统控制的核心；电流内环控制无功和谐波电流的补偿比例，实现并网电流的跟踪控制，保证电流跟踪的快速性并控制跟踪误差。如图2所示，其中为电网单相电压，为负载三相电流。

图2 系统控制策略框图

有功、无功和谐波电流分量被检测分离出来后，经计算得到功率因数cosφ和谐波含量系数THD，再通过补偿量计算生成各指令电流

谐波和无功电流的检测与分离是完成有源滤波功能的关键部分。目前，谐波电流的检测方法主要有小波检测法、基于瞬时无功功率理论的检测法、自适应检测法、神经网络检测法和基于傅里叶分析的检测法等，各有优劣[9]。本文采用基于瞬时无功功率理论的-法实现三相谐波电流的快速检测[10]，实现谐波和无功电流补偿的快速反应，保证电网供电质量。检测原理如图3所示。

图3 基于-法的谐波电流检测

式中：ω为电网角频率。

三相负载电流经过两次坐标变化和低通滤波器(LPF)的处理得到有功和无功直流分量、，这是由基波电流产生的，因此将直流分量进行两次反变换即可得出三相基波电流，从而计算出三相谐波电流如式(4)。

2.2 补偿量的计算

补偿量的计算是整个系统的关键，据此动态调节谐波和无功电流的补偿量。补偿的基本思想是：根据系统并网发电之后的剩余容量，按照优先消除偏离电能质量国家标准(功率因数cosφ≥0.9，谐波含量系数THD≤5%)的一方，同时偏离时则优先补偿偏离电能质量国家标准较大一方，选择性输出补偿电流。具体的计算方法如下：

(1)若系统满功率并网发电之后无剩余容量，则不补偿无功和谐波，系统以最大功率并网发电；

(2)若系统满功率并网发电之后有剩余容量，当电网的谐波含量系数和功率因数均符合国家标准(即THD≤5%，cosφ≥0.9)时，系统不补偿无功和谐波，逆变器输出有功电流，系统只进行并网发电；

(3)若系统满功率并网发电之后有剩余容量，电网的谐波含量系数和功率因数有一个不满足国家标准，即当电网的谐波含量系数(或功率因数)不符合国家标准，THD>5%、cosφ≥0.9(或THD≤5%，cosφ<0.9)时，若逆变器的剩余容量足够大，则全额补偿谐波偏移量Δ(或Δ)。反之，若逆变器的剩余容量不足，尚不足以补偿全部谐波(或无功)偏差，则系统剩余容量全部用来补偿谐波(或无功)，此时逆变器持续工作在满功率状态；

(4)若系统满功率光伏并网发电之后有剩余容量，当电网的谐波含量系数和功率因数均不符合国家标准(即THD>5%、cosφ<0.9)时，此时需要考虑二者与国家标准之间的偏离量Δ和Δ，当Δ>Δ(或Δ<Δ)则优先补偿谐波(或无功)，若逆变器的剩余容量足够大，在全额补偿谐波(或无功)之后仍有容量剩余，则余下容量全部用来补偿无功(或谐波)；反之，若逆变器的剩余容量不足，则只补偿谐波(或无功)，具体计算流程图如图4所示。

图4 补偿量计算流程图

图4中：

根据定义电流的谐波含量THD：

功率因数cosφ：

图中表达式[式(1)～式(8)]如表1所示。

表1 表达式对应的谐波和无功指令电流

3 仿真研究与分析

本文利用仿真软件Matlab/Simulink根据图1对控制策略进行了仿真验证。主要参数：电源工频4 700 μF、=4.2 mH、=10.9 μF，负载是带阻感负载的不可控三相整流桥，逆变器额定容量10 kVA。实验结果如图5所示。

图5(a)为系统先进行有源滤波后光伏并网发电时仿真结果图。0.05 s时系统开始检测负载电流并向电网补偿无功和谐波电流进行有源滤波，0.11 s时光伏系统并网开关合上，开始向电网输入有功电能。由图5(a)可以看出，系统在0.05 s进行有源滤波后电网中谐波电流明显得到改善，电网电流的谐波含量由21.69%降低至3.23%，功率因数由0.86提高到0.91。在0.11 s进行并网发电后，由于向电网提供了有功电流，故电网需要提供的有功电流由27.23 A减小至13.21 A，说明本系统能够同时实现光伏并网与有源滤波功能。

图5 仿真实验结果

图5(b)、5(c)分别为系统单独补偿谐波和无功时的仿真波形图。如图5(b)所示，0.06 s合上并网开关后波形明显趋向于正弦波，即波形畸变得到改善，但是相位没有改变；图5(c)中，0.06 s合上并网开关后，波形畸变没有得到改善，但是相位得到了改变，功率因数提高。图5(b)、5(c)说明本系统能够单独实现谐波和无功的补偿功能。

光照强度的不同，光伏电池转换的功率不同，则逆变器的剩余容量也不同，系统的补偿顺序与补偿效果也不同。图5(d)为光照较弱，光伏并网逆变器剩余容量较大时，电网A相电压电流波形。系统运行过程中，0.06 s时光伏系统并网开关合上。图5(e)、(f)分别为光照较强和很强时电网A相电流波形图，0.05 s时光伏系统并网开关合上。从图5(d)、(e)、(f)中可以看出，当光照强度较弱时，系统的剩余容量较大，为补偿谐波和无功电流，需要从电网中吸收一部分有功，电网电流变大。随着光照强度的增加，系统的剩余容量减少，光伏电池产生的有功电流足以补偿谐波和无功电流，多余的有功电流则馈入电网，电网所需要提供的有功电流减少。同时，补偿的效果在国家标准的范围内稍差，如图5(e)、(f)所示。

4 结论

本文提出一种新的单级式三相光伏并网与有源滤波的统一控制策略。在系统容量有余额的基础上，检测电网的谐波含量和功率因数，根据其是否偏离电能质量指标及偏离量的大小，优先补偿偏离较大一方，实现谐波和无功电流的最优化补偿，充分利用装置容量，提高电网电能质量。仿真验证了该策略的有效性和可行性。这种新颖的统一控制策略不仅能提高系统的利用率，而且为光伏系统的电能质量控制提供一种新思路。不足之处是补偿量的计算时，考虑了功率因数和总的谐波含量的要求，暂时没有考虑某些危害性较大的单次谐波的补偿。这可以通过优化无源滤波器的设计加以改进。

[1]吴春华，王建明，陈卫民，等.单相光伏并网与有源滤波的统一控制[J].电工技术学报，2011,26(10):103-109.

[2]金海，梁星星.具有有源电力滤波器功能的光伏并网发电系统的研究[J].船电技术，2011,31(5):4-7.

[3]杜春水，张承慧，刘鑫正，等.带有源滤波功能的三相光伏并网发电系统控制策略[J].电工技术学报，2009,25(9):163-169.

[4]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，2012,40(9):137-145.

[5]汪海宁,苏建徽,张国荣,等.具有无功功率补偿和谐波抑制的光伏并网功率调节器控制研究[J].太阳能学报，2006,27(6):540-545.

[6]王萍，郑常宝.具有谐波抑制与无功补偿的光伏并网系统[J].微型机与应用，2011,30(14):58-61．

[7]傅望，周林，郭珂，等.光伏电池工程用数学模型研究[J].电工技术学报，2011,26(10):211-216.

[8]刘波，杨旭，孔繁林，等.三相光伏并网逆变器控制策略[J].电工技术学报，2012,27(8):64-70.

[9]邓晓艳.应用于电力有源电力滤波器的三相电流检测的研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[10]吴秋艳，王宏华.统一电能质量调节器并联侧APF谐波检测技术[J].电力电子技术，2012,46(1):66-69.

《燃料电池基础》

燃料电池（MFC）是21世纪最有希望的新一代绿色能源动力系统，有助于解决能源危机和环境污染等问题。本书是一本浅显易懂的教材和专业入门书籍，涵盖了关于燃料电池的基础科学与工程学。本书侧重于基本原理，简单明了地描述了燃料电池是如何工作的、为什么它可以产生如此高效的潜能，以及如何最佳地利用其独特的优势等。

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

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