弱电网下光伏并网逆变器电能质量控制策略研究

周识远

(国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州 730070)

太阳能作为一种清洁可再生能源，以无污染、储存量丰富、分散等优点在新能源领域占据重要角色。目前太阳能的利用以光伏发电形式最为广泛[1]。但对我国而言，受土地、光照资源的限制，大规模光伏电站主要建设在沙漠或半沙漠偏远地区，此时长距离的输电线路将导致线路阻抗增大，而且用户负载通常以离网或与外网以弱联系的形式连接，电网结构薄弱，系统供电能力较差[2-3]。逆变器作为并网光伏发电系统中最为关键环节之一，伴随远距离电网末端光伏逆变器并网数量增多、单机容量增大，其控制变得越来越复杂，电网安全稳定运行无法保证，若不能有效解决逆变器安全稳定运行问题，将对电网电能质量产生严重影响，甚至导致整个电力系统崩溃[4]。此外，弱电网环境下，负荷侧的切入与切除以及光伏发电系统输出功率波动都将导致主网电压的波动，从而使得并网点电压波形畸变甚至越限，输入谐波增大，系统电能质量变差，供电可靠性降低。

传统逆变器的设计都将电网视为理想电压源，但在弱电网下传统电网模型将无法适用。此时基于戴维南定理，将网侧等效为理想电压源串联等值阻抗，但较大的电网阻抗对于弱电网将产生不利影响，而且伴随电网阻抗的增加，尤其是其中感性成分的增加，系统串/并联谐振现象将越发明显，这将导致电力系统的安全稳定性能下降，从而进一步恶化电网的稳定运行[5]，弱电网下系统电能质量问题变得越来越突出。为实现电网的无功补偿和电流谐波抑制，国内外学者对其进行了大量研究。文献[6]提出一种基于高频注入的电网阻抗检测方法，并通过试验验证所提方法的正确性，该方法改善了电流基波对电网的影响，但高频信号对用户侧所引入的Cg干扰不容忽视。文献[7]利用最小二乘法检测阻抗，该方法对电力系统的稳定性和网侧电能质量的影响较小，但其涉及计算量庞大，而且算法比较复杂。文献[8-9]对传统锁相技术进行改进，电网波形发生畸变时可及时检测电网电压相位，从而提高并网电能质量，该控制策略简单易行，但其只能减少特定谐波。文献[10]针对弱电网下多逆变器并联运行时，电网阻抗参数对光伏逆变器稳定运行影响及系统谐波振荡放大的原因进行了详细分析，为本文提供了有益的参考。文献[11]提出一种基于瞬时无功功率理论的光伏并网逆变器的控制策略，该控制策略实现了光伏发电系统的消谐和无功补偿功能，提高了配电网的电能质量，但其未考虑PCC点电压稳定问题。

针对上述问题，本文以弱电网为研究背景，分析了光伏发电系统接入电网后的谐波以及电压波动问题，基于瞬时无功功率理论以及PCC点电压幅值控制方法，以提高光伏逆变器无功输出性能，从而实现PCC点电压的稳定和谐波环流的抑制，并采用Matlab/Simulink进行仿真验证。

1 单相光伏并网逆变器

为提高控制精度，采用光伏并网逆变器双级式结构，前级采用Boost升压电路，后级采用单相全桥逆变电路。考虑电网阻抗(阻感性)，单相全桥逆变器在并网状态下的等效模型如图1所示，其中光伏并网逆变器由DC/DC升压斩波电路与DC/AC单相全桥逆变电路构成。逆变器输出电流经LCL滤波电路后，通过并网继电器并入电网。

图1 并网状态下单相全桥逆变器的等效模型

由于弱电网下存在较大的电网阻抗使得光伏阵列输入谐波增大，PCC点电压发生波动，其输出特性呈非线性。为提高光伏并网发电系统输电效率，Boost升压斩波电路输出侧电压一般不低于500 V[12]。图1中，Boost升压电路将电压值较低且变化范围大的Upv转换为适合DC/AC变换的直流侧电压Udc，Cdc是容量比较大的电容，从而稳定Udc。逆变电路将直流侧电压Udc变换为与电网电压幅值接近、频率相同的电压Uinv，由于该电压在开关频率处具有高频谐波，因而直接并入电网会带来大量谐波，要通过LCL滤波器滤波，使电流以较低的畸变率并入电网Ug。

根据图1，建立弱电网下的单相光伏并网逆变器的动态方程如下：

(1)

(2)

(3)

写出上述动态方程对应的s域表达式如下：

(4)

式中：Ug为电网电压；Uinv为逆变桥臂输出的正弦脉宽调制电压；Ls1为滤波电感；C为滤波电容；Lg和Rg分别为电网的等效电感和电阻；Ig为电网电流。

2 弱电网下单相光伏并网逆变器控制

光伏逆变器的并网控制包括升压电路控制和逆变电路控制，主要研究后级并网逆变器的控制。本文采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq电流检测算法对电路中的瞬时电压和瞬时电流进行控制，进而实现对光伏并网逆变器谐波和无功补偿的检测。其中，直流侧稳压采取电压外环和无差拍的电流内环双闭环控制，PCC点稳压采取电压幅值反馈控制[13]。

2.1 直流侧稳压控制

图2所示为单相光伏并网逆变器控制框图。VSC的控制策略为直流电压外环、交流电流内环控制，并在控制环中引入电网电压前馈。

图2 单相光伏并网逆变器控制框图

电流环采用无差拍控制技术，开关频率固定，动态响应快，能在下一个控制周期内消除目标误差，抑制谐波环流，实现稳态无静差效果。

2.2 PCC点稳压控制

PCC点的稳压采取电压幅值反馈控制，即通过补偿无功功率来实现。其控制框图如图3所示。

图3 PCC点的稳压控制框图

(5)

(6)

(7)

3 仿真分析

根据系统控制框图，在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型，并进行分析。系统控制参数见表1。

表1 系统参数

3.1 直流侧稳压分析

针对电网阻抗不断变化的情形，采用PI控制进行仿真分析。阻抗值为0.1 mH时，采用PI控制下的逆变器输出实际电流和参考电流的仿真波形如图4所示，其中，蓝色为并网电流，红色为参考电流。图5为阻抗值为0.1 mH时，并网电压和并网电流的波形图，红色代表并网电压Uinv，蓝色代表并网电流Iinv。阻抗值为0.2 mH时，并网电压和电流的波形图如图6所示，由于阻抗值的变化，并网电压和并网电流发生变化，因此纵坐标取值范围与图5有所差别。

图4 逆变器输出实际电流和参考电流波形图

图5 阻抗值为0.1 mH时并网电压和电流的波形图

图6 阻抗值为0.2 mH时并网电压和电流的波形图

由图5、图6中可知，在电网阻抗增加时，并网电流始终能较好的跟随并网电压，功率因数较高，验证了所提控制策略的正确性和有效性。

3.2 无功补偿分析

图7所示为PCC点未加电压幅值反馈控制下的无功波形图，图8所示为PCC点加入电压幅值反馈控制的无功补偿波形图，其中，蓝色曲线为有功功率，红色曲线为无功功率。

图7 PCC点未加电压幅值反馈控制下的无功波形图

图8 PCC点加入电压幅值反馈控制下的无功波形图

由图7中可知，在没有加入无功补偿装置时系统的无功功率随着负荷的变化，波动变化比较大，系统功率因数为0.81。另外，由图8中可大致看出无功功率的平均有效值大致在0.5 s，此时有功功率P=1.6×106W，无功功率Q=0.9×106var，计算得此时的功率因数为0.87。因此，为了减小无功功率随着负荷变化而波动较大的现象，应该在线路中添加无功补偿来减小系统无功功率的变化，提高功率因数，从而稳定PCC点电压。

4 结束语

本文提出一种基于瞬时无功理论的光伏并网逆变器电压控制策略，通过检测瞬时电压与瞬时电流，将电压外环与电流内环相结合，采用双闭环控制实现直流侧电压稳定，有效抑制了弱电网下接入较大电网阻抗而导致的谐波环流。此外，利用电压幅值反馈控制补偿PCC点无功功率，使得PCC点电压基本维持稳定。仿真结果表明：本文所采用控制策略可有效改善电网电能质量。