基于优化FBD法的分布式光伏并网及电能质量调节的统一控制

焦明曦李 强张 旭

（1.国网长春供电公司发展策划部，长春 130000 2.国网菏泽供电公司发展策划部，山东 菏泽 274000 3.山东国研电力股份有限公司，济南 250000）

基于优化FBD法的分布式光伏并网及电能质量调节的统一控制

焦明曦1李 强2张 旭3

（1.国网长春供电公司发展策划部，长春 130000 2.国网菏泽供电公司发展策划部，山东 菏泽 274000 3.山东国研电力股份有限公司，济南 250000）

为提高分布式光伏发电系统的设备利用率及性能多样化，研究了一种将光伏并网和无功补偿及谐波抑制相柔性结合的统一控制方案。引入并优化了FBD算法，与传统瞬时无功功率理论相比，省去了复杂的反复坐标变换运算，无需锁相环及相关电路，节约了硬件成本，提高了系统检测精度及动态响应能力。在保证光伏并网的同时又改善了电能质量。仿真结果验证了所提方案的有效性和正确性。

分布式光伏并网；优化FBD法；无功补偿；谐波抑制

随着近代社会在工业及经济领域的高速发展，传统化石能源的大量消耗造成的日趋枯竭和严重的环境污染问题迫在眉睫。太阳能具有储量巨大，分布广泛，绿色无污染等优点，对其进行充分的开发利用可有效缓解当前能源危机，且光伏发电属于分布式发电范畴，可减轻输电负担，提高电力系统的可靠性。但光伏发电因为昼发夜停，也存在着设备利用率低、功能过于单一、经济性差的缺点。

低压配电网用户中存在着大量的非线性负载，不可避免的产生了无功及谐波污染问题，严重影响了电网供电质量。有源电力滤波器（APF）能够实时抑制谐波，动态补偿无功功率，但因造价较高、功能单一，其在推广上受到限制。

鉴于分布式光伏发电系统和APF在拓扑结构及控制策略上存在着较高的相似性，如将两者功能结合以扬长避短，既可提供有功电能，又能进行滤波和无功补偿，改善电能质量，且不增加额外设备投资，则该课题的研究具有非常积极的意义。

1 系统结构的分析

为了实现三相光伏并网和无功补偿及谐波抑制的一体化控制，一般多会采用电压型逆变电路作为研究对象，其主电路拓扑结构及控制原理如图1所示。

图1 主电路拓扑及控制原理框图

图1中，光伏列阵在一定的光照和温度条件下输出直流电能，根据太阳能电池列阵的特性，通过最大功率点跟踪单元 MPPT结合电压调节控制器AVR得到与电网电压同频同相位的基波有功电流Ipv。基于相关算法对采集到的电流电压信号进行运算，检测出需要补偿的无功及谐波电流，并与光伏有功分量合成统一控制的复合指令电流，经电流跟踪单元形成电流内环控制，控制逆变器的输出以获得理想的电网电流。

系统主要技术包括最大功率点跟踪、无功及谐波检测、指令电流的合成及跟踪控制。因本文研究焦点在于光伏并网及电能质量调节的柔性结合，所以对最高效率利用太阳能的MPPT不做赘述。

2 统一控制方案的设计

2.1 无功及谐波检测

统一控制要求光伏并网的同时，实现谐波抑制及无功补偿的电能质量调节功能。因此，快速准确的检测出负载产生的谐波和无功电流并加以补偿是本文控制系统关键之所在。

1）瞬时无功功率理论

目前，涉及到光伏并网和APF复合控制的论文为了能实时检测出无功及谐波电流，常会采用基于瞬时无功功率理论的p-q法、dq法及Ip-Iq法，这3种检测法的重点在于将三相复杂电流通过静止坐标系和同步旋转坐标系的变换及反变换，分离出基波有功电流或无功电流。以Ip-Iq法为例，其原理如图2所示。

图2Ip-Iq法检测原理

三相负载电流信号经静止坐标系变换矩阵C32和同步旋转变换矩阵C1后，可得含有基波有功/无功直流分量和高次谐波的Ip、Iq，分别通过低通滤波器并反变换后分离出三相基波有功电流或无功电流。如要检测无功及谐波，只需将三相负载电流信号与基波有功电流信号相减即可，其中：

矩阵中sin(ωt)及cos(ωt)由锁相环（PLL）及正余弦发生器提供，与Ua需保持同步。

2）FBD法

虽然基于瞬时无功功率理论的电流检测法具有可靠实用，易于实现的优点，但应用过程中必须使采样电流信号经过4次坐标系的变换，运算复杂，计算量过大。为此，本文引进了FBD法。

FBD法（fryze-buchholz-dpenbrock）是时域检测方式中的一种，其理论基础是：将实际电路中各相负载等效为串联在各相上的理想电导，并认为电路中的所有功率全都消耗在这个等效电导上。

基于上述理论基础，采用传统FBD法进行电流检测的原理如图3所示。

首先利用a相电压经PLL及信号发生器生成与电网同步的幅值为1的参考电压信号，即

图3 传统FBD法检测原理

采样得到三相负载电流信号为Ia、Ib、Ic，根据FBD法等效电导的定义，三相瞬时正序有功电导为：

经过低通滤波器LPF滤除高频谐波后可得直流电导分量为：

再将直流电导分别与三相参考电压相乘后，即为三相基波正序有功电流：

式中，I11为基波正序电流的幅值；φ11为基波正序电流与电压的夹角。

同理可计算三相瞬时无功电导：

经过低通滤波器LPF并与三相余弦信号（参考电压移相90°）相乘即为基波正序无功电流：

将所得基波正序有功电流与无功电流相加为三相基波电流，再用三相负载电流减去基波电流便能得到总的谐波电流。

2.2 FBD法的优化及应用

本文在保留原有FBD法计算量小、实时性好等优点的前提下，提出了改进办法，并依此合成并网指令电流，实现原理如图4所示。

图4 基于优化FBD法合成指令电流

通过采集两路电压信号瞬时值，结合三角函数运算构建与电网电压同频同相的正、余弦信号，进而获取FBD法所需的三相对称的单位正弦信号，省去了锁相环（PLL）及正余弦发生器等模拟电路，借助数字信号处理的方式减小了模拟电路带来的检测误差，并节省了硬件成本。具体实现方法如下所述：

设定电网电压理想，其三相瞬时表达式为：

采样a、b两相的电压信号，并根据三角函数关系可得：

其中电压幅值经推导为：

式（9）中M、N可如下获得：

结合式（8）、式（9）可得与a相电网电压同频同相位的单位正、余弦信号为：

根据三角函数关系及式（11）可构造FBD法中所需的三相参考电压信号：

因为本文要检测无功及谐波电流，则只需断开算法中Gq支路，单运算 Gp支路，再用三相负载电流与求得的基波有功电流分量相减即可。为了实现光伏发电，需将MPPT及AVR得出的基波有功电流加入到算法中。本文选择在得到Gp的直流分量后，直接与光伏有功直流分量Ipv相减再求指令电流，其公式可表达为：

式中，前一部分为无功及谐波的补偿指令电流，后一项为光伏并网基波有功电流。

无论是瞬时无功功率理论还是FBD检测法，为了滤出直流分量，常会采用低通滤波器，主要分为FIR型和IIR型两类，其设计将直接影响整个控制系统的精度和速度。但LPF的设计需兼顾截止频率特性及阶数，实现较复杂，且存在固有延迟。为了提高动态响应能力，在此引入均值滤波器理论，主要由积分、延时和增益三个环节构成。

考虑到非线性负载产生的谐波电流多以3、5、7等奇次为主，由式（2）可知，在所有电流分量降阶一次后，奇次谐波将成为偶次谐波，如果以 T/2为周期进行积分并计算平均值后，偶次谐波将为零，即可滤出基波降阶后的直流分量，其过程如图 5所示。

图5 均值滤波器原理

2.3 指令电流的跟踪控制

为了使逆变器的输出电流对给定的指令电流进行快速准确的跟踪，在良好动态性能的前提下，保证光伏有功电流能顺利并网，且谐波和无功电流得以最优化补偿，则需要逆变控制器具有很好的随动特性。

鉴于滞环电流控制法响应速度快、跟踪精度高、无需负载等优点，本文择其构成电流内环控制单元，将FBD法合成的指令电流作为给定值，以实际并网瞬时电流作为反馈值，通过两者的偏差量来产生逆变器的驱动信号，使实际输出电流实时跟踪指令电流的变化。

3 仿真及结果分析

为了验证上文所提方案的可行性，利用Matlab/ Simulink仿真软件搭建了实验模型。其中，三相交流线电压为 380V，频率为 50Hz；当地负载采用带阻感的三相不可控整流电路，电阻参数为 30Ω，电感参数为15mH；逆变器直流侧电压为700V；逆变器滤波电感参数为5mH；分布式光伏系统多采取就近并网、本地消纳的原则，设定与负载间线路长5km，线路电阻为2.585Ω，线路电感为1.014mH。

图6为补偿前的三相电网电流波形，可知由于谐波的存在使得电流畸变严重。图7为补偿前a相电压、电流波形，为了更好的比较两者相位，将电流大小增益10倍，由图可知因为电网需提供无功电流，所以电流相位明显滞后于电压。

图 8为优化的 FBD法和瞬时无功理论的 Ip-Iq法对有功电流的检测，可见改进的FBD法动态响应迅速，在半个工频周期内即趋于平稳，且检测出的电流对称性较好；而Ip-Iq法延迟较大，需近 1.5个周期，且波形幅值不稳。

图6 补偿前三相电网电流

图7 补偿前a相电压、电流波形

图8 优化FBD法与Ip-Iq法检测有功电流的对比

图9实际为指令电流及逆变器并网电流两个波形，由图可见，两者高度重合，表明了滞环电流控制法的可靠性，完全能保证控制方案实施的精准度。图 10为补偿结果，分两个阶段：前期先投入 APF功能，可见半个周期内电网即提供了负载所需的有功电流，且电网电流对称无畸变，表明统一控制系统可靠补偿了无功，抑制了谐波；控制系统在0.04s时同时投入光伏并网发电，可见电网电流在保证标准正弦波的前提下，向负载提供的有功电流明显变少了，表明改善电能质量及光伏并网同时成功。图11为补偿后电网 a相电压、电流（增益 10倍）波形，可见电压电流同步同相位，则系统可满足光伏并网时技术规范对功率因数应不小于0.98的要求。

图9 指令电流及实际并网电流

图10 补偿后三相电网电流

图11 补偿后电网a相电压、电流

4 结论

为了综合分布式光伏并网和电能质量调节功能，实现一机多用，提高经济效益，本文基于FBD法提出了改进，省去锁相环等模拟电路，减少了硬件成本，提高了精准度；以电流均值理论代替低通滤波器，增强了动态响应能力；采用滞环电流法构成电流内环控制，对光伏并网和无功及谐波指令电流进行了快速准确的跟踪；与常用的瞬时无功功率法相比，减少了计算量，降低了软件开销；最后通过Simulink仿真，验证了本文统一控制方案的可行性及有效性。

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Unified Control Strategy for Grid-connected Photovoltaic Systemwith Electric Energy Quality Adjustment based on Improved FBD Method

Jiao Mingxi1Li Qiang2Zhang Xu3
(1.State Grid Changchun Power Supply Company Development Planning Department,Changchun 130000;2.State Grid Heze Power Supply Company Development Planning Department,Heze,Shandong 274000；3.Shandong Guoyan Electric Power Co.,Ltd,Ji’nan 250000)

For the purpose of improving the utilization and performance of grid-connected photovoltaic system,this paper studies a unified control strategy for grid-connected photovoltaic and reactive compensation and harmonic suppression.Compared to the traditional theory of instantaneous reactive power,the introduced and improved FBD method does not need the complicated calculation for transformation,and save the cost of hardware because of no need for phase-locked loop and other relevant electronics circuit.This method can enhance the dynamic response capability and accuracy,and improve the electric energy quality meanwhile grid connected photovoltaic.Based on the results of simulation,it proved that the unified control strategy is correct and effective.

grid-connected photovoltaic system;improved method about FBD;reactive compensation;harmonic suppression

焦明曦（1986-），男，吉林省长春市人，硕士研究生，工程师，主要从事电网规划管理工作。