大型屋頂光伏電站并網(wǎng)直流抑制方法

李圣清，楊峻，徐天俊，張彬

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007；2.國網(wǎng)湘西供電公司，湖南吉首416000）

光伏直流分量注入屬于電能質(zhì)量問題。目前裝機(jī)容量在5 MW下的大型廠礦企業(yè)及商業(yè)建筑屋頂光伏電站普遍采用組串式三相非隔離型光伏逆變器。由于逆變器輸出端不經(jīng)變壓器直接與用戶或低壓配電網(wǎng)連接，光伏發(fā)電中產(chǎn)生的直流分量會(huì)直接注入用戶端或電網(wǎng)，造成變壓器工作點(diǎn)偏移，引起高初級電流峰值，增加電網(wǎng)諧波含量等一系列嚴(yán)重后果［1］。

當(dāng)前解決光伏直流分量注入問題的方法主要有：電容隔直法；反饋調(diào)制法；虛擬電容法［2］。電容隔直法最易實(shí)現(xiàn)但實(shí)際很少采用，一方面隨著系統(tǒng)容量的增大所需電容也將隨之增大，在經(jīng)濟(jì)上不劃算；電容器選取不當(dāng)極有可能造成系統(tǒng)諧振，得不償失。有的提出加設(shè)直流分量檢測電路，構(gòu)建閉環(huán)負(fù)反饋的方式消除直流分量［3］。結(jié)構(gòu)簡單，理論效果較好，但其抑制效果嚴(yán)重依賴于對直流分量的精確檢測，這在實(shí)際工況下是不容易實(shí)現(xiàn)的。有的提出一種虛擬電容法，其效果的實(shí)現(xiàn)同樣依賴于準(zhǔn)確檢測并網(wǎng)電流中的直流分量［4］。

本文提出一種三相非隔離型光伏逆變器系統(tǒng)并網(wǎng)直流注入抑制方法。通過定量分析得出系統(tǒng)并網(wǎng)直流分量與系統(tǒng)內(nèi)SVG 直流側(cè)電容紋波電壓成線性關(guān)系，對SVG直流側(cè)工頻紋波電壓經(jīng)過dq變換和LPF濾波處理后，最后對其構(gòu)建反饋閉環(huán)，在消除此紋波電壓的同時(shí)消除并網(wǎng)直流分量。

1 并網(wǎng)直流分量與SVG直流側(cè)電壓關(guān)系分析

目前兆瓦級大型屋頂及墻體光伏電站逆變器系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 含SVG三相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)Fig.1 Three-phase non isolated grid connected photovoltaic inverter system bearing SVG

在系統(tǒng)中接有SVG，用于對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償及特定次諧波抑制，其普遍采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)。對三相級聯(lián)SVG 做定量分析時(shí)通常采用單臺(tái)單相近似分析，其數(shù)學(xué)模型如圖2所示。其中Ceq為其直流側(cè)電容；is（t）為并網(wǎng)電流；iC（t）為電容的充電電流；S（t）為SVG開關(guān)函數(shù)。

圖2 單相SVG定量分析模型Fig.2 The quantitative analysis model of single phase SVG

iAC，IDC分別表示并網(wǎng)電流的交流分量和直流分量，系統(tǒng)并網(wǎng)電流is（t）可表示為

式中：In，φn，nf 分別為并網(wǎng)電流中各次交流分量的幅值、相位和頻率。S()t 為SVG開關(guān)傳遞函數(shù)，經(jīng)傅里葉變換可得：

式中：Sh(t )為開關(guān)函數(shù)高次諧波分量。只考慮基波分量時(shí)開關(guān)函數(shù)可被簡化為

式中：M為調(diào)制比。

由此可得SVG 直流側(cè)電容充電電流ic(t )表達(dá)式為

由于高頻分量已經(jīng)被濾除，因此可認(rèn)為充電電流中只含基波分量、直流分量及少量低頻諧波分量。只考慮基波分量時(shí)依據(jù)式（4）有

此時(shí)基頻電流分量對應(yīng)的電容電壓為

顯然并網(wǎng)電流中的直流分量IDC與SVG 直流側(cè)基頻電壓UC1呈線性關(guān)系。

2 三相光伏并網(wǎng)直流分量抑制

已經(jīng)證明并網(wǎng)直流分量與級聯(lián)SVG 直流側(cè)電容基頻電壓成線性關(guān)系，故可以通過消除此電壓間接消除并網(wǎng)直流分量。步驟為：先對SVG直流側(cè)電容電壓UC進(jìn)行dq坐標(biāo)變換，變換后電容上的直流電壓、2倍頻紋波電壓、基頻紋波電壓轉(zhuǎn)換成d軸、q軸上的直流及基頻電壓分量。合理設(shè)置LPF，使其導(dǎo)通頻率f 低于50 Hz，從而得到反應(yīng)原SVG 直流側(cè)基頻交流紋波電壓的直流電壓。最后通過對此直流電壓分量U1d構(gòu)建反饋閉環(huán)，在消除此紋波電壓的同時(shí)消除并網(wǎng)電流中的直流分量，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖Fig.3 Closed-loop control system block diagram

在設(shè)置濾波器導(dǎo)通頻率前，必須先對直流側(cè)電壓UC進(jìn)行dq 變換。由于是做單相分析，無法利用三相電壓做常規(guī)dq 變換，因此需利用UC構(gòu)建模擬三相電壓，具體方法為：將UC與滯后1/6 T的UC經(jīng)過圖4 的組合后得到互差120°的虛擬三相電壓。

圖4 dq變換示意圖Fig.4 Schematic diagram of dq transform

再以電網(wǎng)電壓鎖相所得的旋轉(zhuǎn)角ωt 對其做dq變換可得：

式中：G為dq坐標(biāo)變換矩陣；T為工頻周期。

對于級聯(lián)SVG，調(diào)制波與電網(wǎng)電壓同相，φm=0，故

對U1d構(gòu)建閉環(huán)負(fù)反饋，其模型如圖5 所示。其中：GLPF為低通濾波器傳遞函數(shù)。Gi為逆變器內(nèi)電流環(huán)傳遞函數(shù)；k 為系統(tǒng)反饋系數(shù)，k=1/ωCeq。

圖5 U1d閉環(huán)反饋框圖Fig.5 U1dclosed loop feedback block diagram

將處理信號經(jīng)負(fù)反饋系數(shù)k 環(huán)節(jié)后輸入至U1d端，在消除此紋波電壓的同時(shí)間接消除并網(wǎng)直流分量IDC。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文所提方法的可行性，在Matlab/Simulink 上搭建含SVG 仿真模塊的三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。逆變器系統(tǒng)仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：直流側(cè)電壓680 V，逆變器輸出電流峰值20 A，SPWM 方式，開關(guān)器件開關(guān)頻率20 kHz，電網(wǎng)電壓/頻率380 V/50 Hz。

圖6所示為未采用直流抑制措施時(shí)系統(tǒng)三相并網(wǎng)電流仿真波形。由于未采用直流抑制措施且三相直流分量含量不同，導(dǎo)致abc 三相電流幅值出現(xiàn)不對稱情況。

圖6 三相并網(wǎng)電流仿真波形圖Fig.6 The three-phase grid connected current simulation waveforms

圖7 為其中a 相（b，c 相略）并網(wǎng)電壓電流仿真波形圖；圖8 為a 相并網(wǎng)電流頻譜分析圖。顯然在沒有采取任何直流抑制措施的情況下，a 相的并網(wǎng)電流中含直流分量約0.62%，（國標(biāo)規(guī)定：不帶變壓器系統(tǒng)中允許最大直流電流為逆變器交流額定值的0.5%）不滿足并網(wǎng)要求。

圖7 a相并網(wǎng)電流及電壓仿真Fig.7 The a-phase current and voltage simulation

圖9 為采用本文所提直流抑制方法后的三相并網(wǎng)電流波形；在采用本文所提方法后，各相直流分量含量幾乎為零，abc三相電流幅值相等，波形對稱性好。

圖10 為采取本文所提直流抑制方法后的a相（b，c相略）并網(wǎng)電壓電流仿真波形圖；圖11為a相并網(wǎng)電流頻譜分析圖，其中直流分量含量約為0.04%，直流分量大幅減少，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足并網(wǎng)需要，充分證明了本文所提方法的有效性。

圖8 a相電流頻譜分析圖Fig.8 The a-phase current spectrum analysis diagram

圖9 三相并網(wǎng)電流仿真波形圖Fig.9 The three-phase grid connected current simulation waveforms

圖10 直流抑制后a相并網(wǎng)電流及電壓仿真Fig.10 The a-phase grid connected current and voltage simulation after DC inhibition

圖11 a相電流頻譜分析圖Fig.11 The a-phase grid connected current simulation waveforms

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法，作者搭建了含小型SVG 的三相非隔離型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，參數(shù)設(shè)計(jì)如下：逆變器系統(tǒng)輸出功率17 kW，直流側(cè)輸入電壓620 V，電網(wǎng)電壓為230 V，開關(guān)器件開關(guān)頻率為20 kHz，SVPWM算法為調(diào)制算法，主控芯片采用TI 公司的TMS320F28335。圖12為直流抑制策略未啟動(dòng)時(shí)a相并網(wǎng)電流波形；圖13 為直流抑制策略啟動(dòng)后a相并網(wǎng)電流波形。

圖12 未抑制直流分量時(shí)a相電流波形Fig.12 The a-phase current waveform before DC inhibition

圖13 抑制直流分量后a相電流波形Fig.13 The a-phase current waveform after DC inhibition

采用泰克A621 交直流探頭對實(shí)驗(yàn)三相系統(tǒng)并網(wǎng)電流直流分量實(shí)時(shí)取樣檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)實(shí)測參數(shù)Tab.1 The experiment parameters

顯然，對比抑制前、抑制后并網(wǎng)直流分量含量可見，三相并網(wǎng)直流分量大幅減少，考慮到探頭精度為5 mA，可認(rèn)為抑制后并網(wǎng)直流分量幾乎為0，充分說明了本方法的有效性。

4 結(jié)論

解決三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)直流注入問題迫在眉睫。本文提出一種針對含SVG 大型非隔離型光伏電站并網(wǎng)直流注入抑制方法。通過定量分析三相并網(wǎng)電流中的直流分量與系統(tǒng)內(nèi)SVG 直流側(cè)電容紋波電壓的關(guān)系，對直流側(cè)工頻紋波電壓經(jīng)過類dq 變換和LPF 濾波處理后構(gòu)建反饋閉環(huán)，間接達(dá)到消除并網(wǎng)直流分量的目的。本方法在無需對并網(wǎng)直流分量準(zhǔn)確檢測的前提下仍能很好地實(shí)現(xiàn)直流抑制效果，且系統(tǒng)無需增加外設(shè)硬件電路，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。本方法對無SVG 的光伏電站不適用。

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