基于分布式光伏逆变器的电能质量综合补偿装置

2018-09-27陶亮程军照王文玺宫金武

电测与仪表 2018年16期

陶亮，程军照，王文玺，宫金武

(1. 武汉大学电气工程学院，武汉 430072；2. 云南电网有限责任公司电网规划研究中心，昆明 650011)

0 引言

太阳能是一种分布广泛、取之不尽用之不竭的可再生能源。经过数十年的发展，光伏发电已经越来越成熟，得到了广泛的应用[1-3]。目前我国光伏发电主要以集中电站为主，但是由于种种原因导致了严重的弃光问题[4-8]。因此，靠近负荷中心的分布式光伏受到人们的重视，装机容量增长迅速，成为一个重要发展趋势。从电网角度看，分布式光伏发电符合低压接入、就地消纳的原则，有利于减小输变电设备投资，经济效益显著。

于此同时，随着各种非线性负载的接入，配电网的电能质量问题日益突出[9-10]，主要有谐波超标、功率因数不达标、电网电流三相不平衡等问题，严重影响了配电网用户的正常工作。虽然有源电力滤波器(APF)、动态无功发生器(SVG)可以显著改善配电网电能质量，但是其需要较大的投资，不利于大范围推广。

常规的光伏并网逆变器与APF/SVG都属于并网型电力电子变流器，具有类似的主电路拓扑和控制器。不同点主要在于光伏逆变器是输出基波有功电流，而APF/SVG是输出谐波和无功电流[9,11-13]；两者因为控制目标的不一样导致主回路元件参数等有差异。由于光伏发电技术自身的特性，光伏逆变器不会一直以最大容量工作；将电能质量综合治理功能集成在光伏并网逆变器中，可以提高并网逆变器的利用率，使其具备更加灵活和实用的拓展功能，具有重要的工程应用价值。

目前利用光伏逆变器实现电能质量治理的研究还主要集中于实现无功、谐波补偿方面[14-17]，没有实现电能质量的综合治理，也少有考虑电能质量治理设备和光伏逆变器在主回路参数上的差异对DG-FACTS功能的影响，在检测算法和电流跟踪控制算法的选择及设计上也没有做出针对性的处理。文献[18]提出利用分布式并网逆变器治理谐波的方法，但考虑的系统较为简单；文献[19]是对文献[18]的深化，并针对利用分布式并网逆变器补偿谐波和端线补偿谐波进行对比分析；文献[20]提出了开发光伏逆变器实现无功补偿的新功能的方案；文献[21]以数字DSP芯片实现并网发电和无功补偿的统一控制，并做出样机；文献[22]提出利用分布式并网逆变器同时实现谐波治理和无功补偿，并与其他治理方法进行了比较。

文中以常见的三相分布式光伏逆变器为研究对象，对其电能质量治理功能进行扩展，首先通过比较分析选取了基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方案和基于改进型滑窗迭代DFT算法的谐波电流检测方法，其次研究分析了光伏并网逆变器实现电网不平衡电流补偿的方案，选取了基于旋转坐标系的负序电流提取方案；然后选取基于改进型重复控制的电流跟踪控制算法，分析研究指令电流合成的可行性，提出一种基于负荷类型判别和考虑优先级设定的指令电流合成策略。最后在MATLAB/Simulink中建立了系统仿真模型，验证了DG-FACTS功能的实现的可行性。

1 DG-FACTS的结构及分析

从本质来看，对系统进行谐波补偿、无功补偿和不平衡补偿都是对电流波形进行治理。谐波补偿旨在消除畸变电流，无功补偿旨在解决电流相位问题，不平衡补偿旨在解决电流不对称问题。经过统一补偿之后，系统电流对称且呈正弦。正是因为上述补偿物理性质的统一性，在光伏逆变器容量允许情况下，可以利用光伏逆变器实现电能质量综合治理功能。

文中研究的DG-FACTS系统的硬件结构与控制框图如图1所示。三相三线制光伏逆变器通过LCL滤波器接入电网，光伏电池板接入其直流侧，按照工作环境和参数设计的不同，可以在电池板和逆变器之间接入DC/DC电路。控制器采样光伏电池输出电压和电流，按照MPPT控制算法，生成有功电流指令；同时，控制器采样负载电流或者电网电流，分别通过无功电流检测算法、谐波电流检测算法、不平衡电流检测算法，求得对应的指令电流值。各个电流指令经过模式识别、优先级处理与幅值限制，实现指令电流合成，然后通过闭环电流控制器和IGBT驱动电路，控制并网变流器实现指令电流的无静差跟踪，达到DG-FACTS功能。

图1 光伏逆变器DG-FACTS功能实现框图

2 谐波、无功功率、负序电流检测算法

准确、快速的从负载电流(或者系统电流)中提取出谐波电流、无功、负序电流指令，是实现DG-FACTS功能的关键。指令电流的检测算法除了要能满足控制需求之外，还必须易于数字控制器实现。

2.1 谐波检测算法

考虑到光伏逆变器的主回路参数及配电网中常见的谐波集中在25次以下的事实，采用光伏逆变器进行谐波补偿时，需要有选择性的补偿低次谐波，因此需要谐波检测算法能实现分次提取谐波的功能。文中采用改进型的快速傅立叶变换(FFT)的谐波检测法，其实现原理如图2所示。

其中is表示待检测的电流，an、bn表示各次谐波的系数，ih表示谐波电流。将同步采样的电流信号is进行FFT处理，得到各次谐波幅值和相位系数an、bn，经低通滤波器检测出所需要的信号，对于检出的信号作FFT反变换即得补偿指令电流信号。

图2 FFT谐波检测示意图

为了减小计算延时和利于数字控制器实现，文中采取了滑窗迭代DFT算法。利用滑窗迭代算法的思想，对传统DFT中的an、bn的计算公式进行如下改进：

(1)

(2)

式中Nnew表示最新的采样数据点;u((Nnew-N+1)τ)表示N-1个采样周期前的采样数据，最新的实时采样数据加入到滑动窗，同时淘汰了最老的采样数据，因而加快了采样数据的更新速度。

进一步推导递推公式如下：

u((Nnew-N)τ)cos(nω(Nnew-N)τ)+

u(Nnewτ)cos(nωNnewτ)

(3)

u((Nnew-N)τ)sin(nω(Nnew-N)τ)+

u(Nnewτ)sin(nωNnewτ)

(4)

每个采样点的原始值，在和与之对应的旋转因子相乘之后存储在连续的数据缓冲区中这样计算就演变为一个加法和一个减法的迭代过程，设计了如图3所示的适用于DSP的滑窗迭代DFT谐波检测模块的实现方法。ia(k)是A相电流的第k个采样点，ian(k)是A相电流的第n次谐波的第k个瞬时值。N是每个工频周期的采样点数，ω0代表基波角频率。

图3 单次谐波DFT检测模块的DSP算法框图

2.2 无功检测算法

低压配电网中电压波形普遍存在一定的畸变，基于工程实现的考虑，文中采用基于瞬时无功功率理论的无功电流检测法。该方法的原理如图4所示。该方法中，需要用到与a相电网电压ua同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt，这可由一个锁相环(PLL)和一个正弦信号发生电路得到。根据定义计算出ip、iq，经LPF滤波得出ip、iq的直流分量ip-、iq-，ip-、iq-反变换后即可计算出iaf、ibf、icf，进而得到iah、ibh、ich。

图4 ip、iq运算方式的原理图

ip、iq运算实现的无功电流检测方式计算量小，抗干扰能力强，所需的PLL可以和谐波电流检测部分共用，易于数字控制器实现，适用于DG-FACTS系统。

2.3 不平衡检测算法

图5 网侧不平衡电流检测原理框图

3 指令电流合成

具有DG-FACTS功能的光伏逆变器工作状态主要有三种：(1)仅并网发电；(2)在保证并网发电功能的基础上，实现或者部分实现电能质量综合治理功能；(3)无光时，在容量允许的情况下，仅实现电能质量综合治理功能。图6为基于负荷类型判别和优先级设定的指令电流合成方案。

图6 指令电流合成原理框图

(5)

(6)

图7 指令电流控制流程图

4 仿真

文中基于MATLAB/Simulink搭建了三相光伏逆变器实现电能质量综合治理功能的仿真模型，主要仿真参数如表1所示。

表1 仿真主要参数

为了模拟光伏逆变器实现电能质量综合治理功能的各种不同的工作状态，仿真过程中操作如下：t=0.05 s时，光伏逆变器开始工作；t=0.14 s时，光伏逆变器开始补偿不平衡；t=0.34 s时，光伏逆变器开始发出有功指令；t=0.54 s时，光伏逆变器开始补偿无功分量；t=0.74 s时，光伏逆变器开始补偿谐波电流。此仿真旨在同时验证光伏逆变器实现电能质量综合治理功能和并网发电功能的可行性，图8是光伏逆变器实现电能质量综合治理功能的仿真结果图。

图8 DG-FACTS仿真结果图

分析综合治理前后网侧电流的波形图可知，治理后网侧电流的不平衡和谐波分量明显消除，重新达到平衡且正弦稳定输出；分析功率指令值与输出值对比图可知，光伏电池输出了35 kW的有功功率和10.6 kW的无功功率，系统功率的实际输出值与其指令值的误差小于1%，说明电流跟踪控制器中有功、无功跟踪性能良好；图8(e)可看出经过综合治理后，系统的功率因数从0.7变为1，说明光伏逆变器实现无功补偿功能良好；图8(f) 以A相电流为例，反应了综合补偿前后系统侧电流动态变换的过程，可看出电流波形由含有明显的谐波分量的波形变为标准的正弦波；对系统侧电流进行FFT分析可看出，光伏逆变器进行谐波补偿前后，THD由 24.12%下降到 2.93%，符合国家规定。