基于逆变器自适应功率控制的光伏并网点治理策略

2022-03-15徐永海何志轩

电力系统及其自动化学报 2022年2期

马宁，徐永海，何志轩

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

高渗透率分布式电源接入和高比例电力电子电源/负荷设备使配电网呈现出新的运行特征。其中，功率双向流动带来的电压越限[1-2]和非线性电源/负荷引起的谐波[3]成为影响电网安全稳定的两个重要原因。而由于光伏出力的随机性[4]和间歇性，光伏逆变器往往存在一定的闲置容量[5]。为了提高光伏逆变器利用效率，不少学者对兼顾电能质量治理功能的光伏逆变器控制策略进行了研究，利用光伏逆变器闲置容量进行并网点电压越限治理[6-7]和谐波抑制[8-9]。

基于光伏逆变器闲置容量的电压越限治理策略，主要通过增发无功功率实现。包括恒功率因数控制、基于并网点电压幅值的无功控制及基于光伏有功出力的无功控制等[6-7，10-11]。相比于并联电容器、分布式储能装置以及有载调压变压器分接头等，该方案控制经济性最优[12]，但闲置容量不足时治理效果并不理想。针对这一不足，有功无功协调控制[13-14]可以通过有功功率削减增大闲置容量，提升治理效果。以上研究给出了光伏逆变器闲置容量不足的解决方案，但是没有考虑电压越上限与越下限时有功削减对调节效果的影响的不同，在电压越下限时可能削减过多有功而导致并网点电压越限更加严重。

对于光伏逆变器的有功功率削减控制策略，文献[15-16]提出了在最大功率点跟踪控制MPPT（maximum power point tracking）和定功率控制CPG（constant power generation）之间切换的控制策略，可以根据任何设定点限制PV有功出力，但其强制光伏发电系统在最大功率点的左侧运行，只适用于两级式光伏；文献[17]提出的控制策略使光伏发电系统在最大功率点的右侧运行，可用于单级式/两级式光伏，但有可能进入开路状态无法正常工作[18]。

由于并网光伏逆变器拓扑结构与有源电力滤波器结构基本一致，其不仅能作为光伏并网的能量转换装置，还存在谐波治理的可能性[9]。为减小本地负载注入电网的谐波电流，文献[8-9，19-20]采用不同方式改进光伏逆变器并网电流控制策略，对本地谐波负载进行一定的电流补偿，但都未考虑进行谐波治理的同时出现电压越限的场景。

为对光伏并网点电压越限和谐波问题进行协同治理，提出了逆变器容量分配方法。其中，针对电压越限治理，提出了一种自适应功率控制策略，并且提出了一种考虑辐照度快速下降时开路电压变化的光伏逆变器有功功率削减控制策略。最后在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证。

1 逆变器容量分配及功率控制策略

光伏并网简化系统结构如图1所示，光伏集群经变压器及输电线路并入电网。

图1 光伏并网简化系统结构Fig.1 Simplified structure of PV grid-connected system

1.1 逆变器容量分配策略

针对并网点电压越限，可以利用逆变器闲置容量发出无功功率进行治理。同时，针对并网点谐波问题，可以利用逆变器闲置容量对并网点进行谐波抑制，两者均需利用逆变器闲置容量。基于此，提出逆变器容量分配策略，对逆变器用于电压越限和谐波治理的容量进行分配，避免出现逆变器容量不足的情况。

首先，对逆变器闲置容量进行限制，确保总使用容量不超过总容量，即

式中：SP为光伏设备并网有功占用容量；SI为逆变器闲置容量；S为逆变器总容量。

其次，根据逆变器总闲置容量，限制其用于无功支撑和谐波治理的功率，表示为

式中，Q和D分别为逆变器可以用于无功支撑的无功功率和用于谐波治理的畸变功率。

最后，划分优先顺序，由于光伏逆变器并非专用谐波治理装置，其闲置容量优先用于防止电压越限，若采用全部闲置容量进行无功支撑后并网点电压依然越限，可以适当削减光伏输出的有功功率，释放出更多的容量进行电压越限治理。

1.2 自适应功率控制策略

容量分配后，需按照容量分配结果进行电压越限、谐波治理。原有的基于有功无功协调控制的电压越限治理方法并未考虑有功削减后容量依然不足，进而无法完全治理电压越限的情况。当光伏逆变器无法完全治理电压越限时，若光伏并网点电压越上限，削减有功和增发无功都会对电压越限问题起到抑制作用；电压越下限时，增发无功可以缓解电压越限问题，但削减有功会导致电压进一步下降，若进行功率削减直至并网点电压不越限，可能过度削减有功，导致电压越限更加严重。针对这一问题，本文提出逆变器自适应功率控制策略，在电压越上限时，先通过逆变器无功-电压控制进行治理，若闲置容量不足，再进行有功功率削减释放出更大容量用于无功-电压控制；在电压越下限时，若闲置容量不足，先进行有功功率削减对并网点电压治理效果的分析，再根据分析结果决定是否进行有功功率削减。治理效果为正则进行有功功率削减，治理效果为负则维持原有功出力不变。

针对谐波治理，在按照自适应功率控制策略进行有功无功控制后，利用剩余容量进行并网点谐波治理。逆变器自适应功率控制策略分为4种工作模式：①正常工作模式；②最大功率点跟踪控制模式；③自适应功率削减控制模式；④电能质量提升控制模式。自适应功率削减控制模式又可再细分为电压越上限有功削减模式和电压越下限有功削减/维持模式。其容量分配情况和控制流程分别如图2和图3所示。

图2 逆变器容量分配情况示意Fig.2 Schematic of inverter capacity allocation

图3 自适应功率控制流程Fig.3 Flow chart of adaptive power control

当光伏逆变器正常工作时，按最大功率输出有功，同时利用剩余容量抑制并网点谐波。当光伏并网点发生电压越限，选择合适的工作模式进行治理。有光照时，光伏逆变器首先考虑采用闲置容量进行电压越限治理，保持工作于最大功率点跟踪模式，仅通过无功下垂控制进行电压支撑。无功功率可调节范围为

式中，P为光伏逆变器发出的有功功率。

若系统容量充足，在电压越限治理后，可进一步利用剩余容量进行谐波抑制，畸变功率可调节范围为

如系统中容量缺额较大，仅通过采用剩余容量增发无功功率的方式不足以使电压保持在正常工作范围，则进入有功削减控制模式，通过削减光伏逆变器的部分有功输出，释放出更多容量进行电压越限治理和谐波抑制。当并网点电压越上限时，进行有功削减直至电压恢复至正常范围。当并网点电压越下限时，则需比较削减有功释放容量进行电压支撑与被削减有功自身电压支撑效果，决定是否进行有功削减。

无光照时，光伏无有功输出，光伏逆变器运行于电能质量提升控制模式，相当于静止同步补偿器STATCOM（static synchronous compensator）+有源电力滤波器APF（active power filter），利用逆变器的全部容量进行动态无功支撑及并网点谐波抑制。维持并网点基波电压在合理范围内，同时减小并网点谐波电流。

1.2.1 最大功率跟踪控制模式

当光伏并网点电压越限，但逆变器容量充足时，仅通过无功功率Q（U）下垂控制调节并网点电压，有功功率仍按最大功率输出。

图1系统中，并网点Bus1处的电压表示为

式中：U为并网点电压；U0为电网电压，即Bus0处的电压；R为线路L1电阻R1与变压器T1电阻RT之和，R=R1+RT；X为线路L1电抗X1与变压器T1的电抗XT之和，X=X1+XT；k为变压器T1的变比；P1+jQ1为线路L1上流向电网的功率总和。

此时，根据并网点电压幅值和闲置容量确定无功下垂控制参考值，得

式中：U1～U4分别为0.93、0.94、1.06、1.07 p.u.；Qref和Qmax分别为光伏系统无功输出参考值和限值。

若在电压越限治理后系统容量仍充足，可进一步利用剩余容量进行谐波抑制。

1.2.2 自适应功率削减控制模式

当逆变器容量不足时，仅通过无功功率下垂控制不足以支撑并网点电压，此时需要对光伏发电系统有功功率及谐波功率（若存在）进行削减，释放出更多的闲置容量进行电压调节。

在光伏并网点电压越上限时，削减有功和增发无功都会对电压越限问题起到抑制作用，故可以进行功率削减直至并网点电压不越限。而当光伏并网点电压越下限时，增发无功可以缓解电压越限问题，但削减有功会导致电压进一步下降，若仍进行功率削减直至并网点电压不越限，可能过度削减有功，反而导致电压越限更加严重。基于此，提出电压越下限治理时削减有功增发无功调节效果的判断方法，推导过程如下。

由式（5）可知，忽略电压降落的纵分量并假设电网电压恒定，当电压越上限时，光伏功率变化对并网点电压的影响为

式中：ΔU1d为并网点电压下降量；ΔPPV为并网光伏有功削减量；ΔQPV为并网光伏无功增发量。

当电压越下限时，光伏功率变化对并网点电压的影响为

式中：ΔUs为电压越上限时有功削减释放出的容量全部用于增发无功后电压下降量；ΔUx为电压越下限时有功削减释放出的容量全部用于增发无功后电压抬升量。

由式（10）可以看出，在电压越上限时，削减有功增发无功必然会对电压越限有正的治理效果；在电压越下限时，ΔUx可能为负。需要对削减有功功率对并网点电压治理效果进行分析，选择对并网点电压支撑效果最好的方式。

由此，提出电压调节效果系数α，用以判断削减定量有功功率（这里指定5%额定容量的有功功率）后电压治理效果，表示为

式中：S为光伏集群额定容量；δ=R/X为线路阻抗比。当α大于1时，继续进行有功削减；当α小于1时，停止削减，维持功率不变。

若有功削减后释放出的闲置容量较多，进行电压越限治理后仍有盈余，则继续进行并网点谐波治理。

1.2.3 电能质量提升控制模式

无光照时，光伏运行于电能质量提升控制模式，将光伏电池从直流侧切除，此时光伏逆变器无有功输出，只作为电能质量优化装置，利用其逆变器容量为电网提供无功支撑和进行谐波优化。

2 控制器设计

本文所采用的光伏发电系统电路结构如图4所示，包括光伏阵列、逆变器及滤波器三部分。由前文自适应功率控制策略可以计算得到光伏功率参考值，进而通过有功功率削减控制得到光伏逆变器直流侧电压参考值，与无功下垂控制结合，为电流内环提供基波分量参考值；再通过提取并网点谐波电流得到谐波分量参考值，最终通过内环电流控制得到PWM载波信号实现并网功能。

图4 电路结构Fig.4 Circuit structure

控制器部分包括电压/功率外环控制、谐波检测控制、电流内环控制和脉宽调制PWM（pulse width modulation）控制。其中电压外环控制即为有功功率削减控制，包含2种工作模式：MPPT模式和CPG模式，功率外环控制为无功功率下垂控制。通过电压/功率外环控制得到电流的基波有功无功分量参考值，再通过谐波检测控制得到谐波分量参考值，三者叠加得到电流内环参考值，进而得到输出电压参考值，经PWM环节得到逆变器控制信号。

2.1 有功功率削减控制

有功功率削减控制即MPPT/CPG控制，根据光伏逆变器运行状况工作于MPPT模式或CPG模式。针对逆变器自适应功率控制过程中的有功削减问题，提出了一种考虑辐照度快速下降时开路电压变化，能自动改变工作电压避免逆变器工作于开路状态的CPG控制算法，使逆变器在辐照度快速下降时也能正常工作。

该算法基于光伏阵列P-Udc和Udc-Idc曲线，如图5所示。从图5（a）可以看出，随着辐照度减小，光伏阵列开路电压也会减小。而当辐照度不变时，光伏阵列输出的有功功率随光伏阵列端电压增大先增大后减小。由此可得

式中：ΔP为光伏阵列有功输出变化量；Udc和ΔUdc分别为光伏逆变器直流侧电压即光伏阵列端电压及其变化量；UMPP和Umax分别为光伏逆变器直流侧MPP电压和开路电压。故可以通过改变光伏逆变器直流侧电压改变光伏有功输出，但光照强度快速下降时可能使光伏阵列正常工作电压变为开路电压，导致逆变器工作于开路状态。

由图5（b）可知，光伏阵列输出电流与端电压一一对应，当端电压大于Umax时，输出电流为0，即

图5 光伏阵列特性曲线Fig.5 Characteristic curves of PV array

式中，Idc为光伏逆变器直流侧电流，即光伏阵列输出电流。故可以通过光伏逆变器直流侧电流是否为0，鉴别光伏是否处于开路状态。

当需要对光伏有功出力进行约束时，首先确认当前光伏逆变器直流侧电压是否为开路电压，若是开路电压且功率计算求得的参考功率Pref不为0，则降低电压至正常工作电压；若是正常工作电压，则比较Pref与逆变器当前辐照度下最大功率Pmax，再根据比较结果使逆变器工作于MPPT模式或CPG模式。当Pref＞Pmax，逆变器工作于MPPT模式，采用扰动观察法，使光伏按最大功率出力；当Pref＜Pmax，逆变器工作于CPG模式，对输出功率进行限制，通过改变光伏逆变器直流侧电压使光伏工作于非最大功率点，减小光伏功率。

由图5（a）可知，使光伏运行在最大功率点的左右两侧均可实现定功率输出。跟踪左侧功率点电流变化较小，主要依靠电压变化改变光伏出力；跟踪右侧功率点电压变化较小，主要依靠电流变化改变光伏出力。由于所采用光伏逆变器为单级式光伏逆变器，若跟踪左侧指定功率点，直流侧电压较低且在进行功率约束时变化较大，难以满足逆变器并网需求。故选择跟踪右侧指定功率点来实现指定功率输出，通过增加电流判断环节避免光照强度变化带来的开路电压变化导致算法失效，其具体算法流程如图6所示。

图6 算法流程Fig.6 Flow chart of algorithm

计算得到光伏逆变器直流侧电压参考值后，再通过电压外环控制确保光伏工作于该电压，得到基波有功电流参考值为

式中：Idref为电流内环基波有功分量参考值；kp和ki为PI控制器参数；1/s为PI控制器积分算子；Uref为光伏逆变器直流侧参考电压。

2.2 无功功率下垂控制

无功功率通过功率外环控制，根据式（5）确定无功参考值Qref，为功率外环提供参考，进而得到基波无功电流参考值为

式中：Iqref为电流内环基波无功分量的参考值；Q为光伏逆变器无功输出量。

2.3 并网点谐波检测控制

并网点谐波检测过程中，输入信号为逆变器电网侧a相电压及并网点非线性负荷三相电流。采用基于瞬时功率理论的谐波提取算法计算出谐波电流。再经派克变换得到逆变器电流内环谐波分量参考值Idhref和Iqhref。

2.4 电流控制

电流控制器将有功功率削减控制、无功功率下垂控制及谐波检测控制得到的基波、谐波电流控制信号转化为电压控制信号，作为正弦波PWM的调制信号，进而控制逆变器输出，表示为

式中：Ud、Uq和Id、Iq分别为dq坐标轴下光伏逆变器电网侧电压和电流；Udref和Uqref为所得电压信号的参考值；K为谐波治理效果系数，根据谐波治理所需容量与剩余容量关系调整，当谐波治理所需容量不大于剩余容量时取1，否则取0。

3 仿真分析

为验证所提出的光伏逆变器自适应功率控制策略的有效性，在Matlab/Simulink上搭建如图1所示简化系统模型。逆变器额定容量为1 MV·A，并网点接有500+j100 kV·A线性负荷及部分非线性负荷，并网点到电源点线路阻抗r0=0.45 Ω/km、x0=0.358 Ω/km，长度为15 km。设定节点电压上、下限分别为 1.07 p.u.和0.93 p.u.。

图7为光伏逆变器有功功率削减控制效果验证，设置有功功率削减至600 kW，光照强度E在0～1 s、1～2 s、2～3 s、3～4 s间分别为1000 W/m2、200 W/m2、600 W/m2、800 W/m2，从图中可以看出，在光照强度急剧变化时有功功率削减控制仍能正常工作，实现稳定输出。

图7 辐照度快速变化时有功功率削减控制效果验证Fig.7 Effectiveness verification of active power reduction control when irradiance changes rapidly

图8和图9分别为电压越上、下限两种情况下光伏发电系统输出的有功无功情况及并网点电压、谐波水平，其中电压越下限情况与现有基于有功无功协调控制的电压越限治理方法进行对比。在1～3 s之间，分别投入-2 Mvar和2 Mvar负荷，使系统出现无功缺额，并网点电压越限。在此期间，首先通过无功功率下垂控制，光伏集群根据自身闲置容量发出无功功率，并利用剩余容量进行谐波抑制。若无功缺额较大，则停止谐波抑制，只进行无功支撑，仍然不足时，通过有功削减控制增加可用闲置容量，提升并网点电压支撑效果。

图8 电压越上限自适应功率控制治理效果分析Fig.8 Analysis of effectiveness of adaptive power control when voltage exceeds the upper limit

图9 电压越下限自适应功率控制及传统方法对比Fig.9 Comparison between adaptive power control and the traditional method when voltage exceeds the lower limit

从图8中可以看出，1 s时在并网点投入2 Mvar容性无功负荷后，并网点电压越上限，由于采用了无功功率下垂控制，光伏发电系统利用闲置容量发出无功功率进行电压越限治理，此时闲置容量全部用于电压支撑，停止谐波抑制，并网点谐波含量上升，但并网点电压1.081 p.u.依然越限。为验证所提的控制的有效性，在2 s时进行自适应功率控制，抑制电压越限的同时释放出更大的闲置容量。自适应功率控制后，并网点电压1.068 p.u.不再越限，同时利用剩余容量进行谐波抑制，并网点电流谐波含量下降。

从图9中可以看出，1 s时在并网点投入2 Mvar感性无功负荷后，并网点电压越下限，由于采用了无功功率下垂控制，光伏发电系统利用闲置容量发出无功功率进行电压越限治理，此时闲置容量全部用于电压支撑，停止进行谐波抑制，并网点谐波电流含量上升，但并网点电压（0.915 p.u.）依然越限。在2 s时进行自适应功率控制，削减有功功率释放出更大的闲置容量。采用自适应控制方法，当有功功率削减为0.768 MW，无功功率为0.64 Mvar时，电压调节效果系数α小于1，停止削减有功功率，此时电压为0.923 p.u.，维持电压不变，越限情况得到缓解；采用有功无功协调控制方法，在有功削减为0.768 MW时，会继续削减有功增发无功，直至达到有功削减限值（设置有功削减限值为50%），最终电压为0.916 p.u.，削减有功更多，但调节效果反而变差。4 s时，2 Mvar无功负荷切除，电压恢复正常，停止进行无功支撑，并恢复有功功率输出，利用闲置容量进行谐波抑制，并网点谐波电流含量下降。