光伏并網(wǎng)逆變器多種功能協(xié)調(diào)控制的研究

黨 克，衣鵬博，劉子源，田 勇

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

光伏(photovoltaic,PV)發(fā)電作為目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的可再生能源生產(chǎn)技術(shù)受到廣泛關(guān)注。國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者都對光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，中國在光伏發(fā)電研究方面基本成熟[1]。非線性負(fù)載容易產(chǎn)生各種諧波，對電網(wǎng)將造成污染，另外產(chǎn)生的大量無功電流也會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響，將導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。為有效解決以上問題，國外內(nèi)很多學(xué)者對有源電力濾波器(active power filter,APF)進(jìn)行了深入研究[2]，并由于近年來國家對于光伏并網(wǎng)低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)的要求越發(fā)嚴(yán)格，光伏電站經(jīng)長距離輸電線路接入電網(wǎng)后,并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3]，因此為了減輕逆變器的壓力和低電壓穿越功能，靜止同步補(bǔ)償器的無功補(bǔ)償性能被充分開發(fā)。

現(xiàn)在的光伏并網(wǎng)逆變器、靜止無功補(bǔ)償器(sta-tic reactive power compensator，STATCOM)和APF都有不同的缺點(diǎn)。光伏逆變器由于白天陽光充足可進(jìn)行發(fā)電，晚上沒有陽光不能發(fā)電，利用率過低并且經(jīng)常切換開關(guān)會使電網(wǎng)不穩(wěn)定。不過APF在補(bǔ)償無功電流或者過濾諧波時，其容量相對比較小，且成本很高，很難大規(guī)模應(yīng)用在電網(wǎng)中[4]。STATCOM雖然容量較大，對無功補(bǔ)償?shù)男Ч浅ｏ@著，但性能有些單一。根據(jù)APF、STATCOM和PV并網(wǎng)逆變器的分析，APF和STATCOM向電網(wǎng)提供無功功率和補(bǔ)償諧波，而PV并網(wǎng)逆變器只提供有功功率。從這個角度來看，其工作過程中雖然給電網(wǎng)提供的電能不同，但整體上的結(jié)構(gòu)基本相似，且關(guān)鍵技術(shù)也基本一致，理論上可以進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制?，F(xiàn)在已有機(jī)構(gòu)對其中兩者統(tǒng)一控制進(jìn)行研究，包括將無功補(bǔ)償系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)一控制，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的統(tǒng)一控制[5]。

本文將APF、STATCOM與光伏逆變器結(jié)合起來，形成統(tǒng)一的多功能協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)，在光伏并網(wǎng)過程中實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償和調(diào)節(jié)電能質(zhì)量的功能。在電網(wǎng)發(fā)生故障電壓降落時可以充分補(bǔ)償無功以支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)，完成低電壓穿越。所提出的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略已在Matlab上得到了驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了本文提出的系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1,其中usa、usb、usc分別為三相電源直流側(cè)電壓；ica、icb、icc分別為三相采樣電流；VT1至VT6分別為控制單元的晶閘管；VD為采樣二極管；VT為直流單元晶閘管；uia、uib、uic分別為控制單元的三相電流；Udc為直流側(cè)電壓；UPV為直流單元光伏輸出電壓；C、L、R分別為電容、電感和電阻，PCC為公共連接點(diǎn)。APF主要是在電網(wǎng)中將各種諧波電流過濾掉，補(bǔ)償無功電流，有效解決電網(wǎng)中存在的電流不平衡等問題[6]。在APF中，要實(shí)現(xiàn)諧波和無功電流的補(bǔ)償，關(guān)鍵在于直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定[7]。APF的直流(direct current,DC)側(cè)直接連接到電容器，此時APF將和電網(wǎng)發(fā)生有功能量交換，補(bǔ)償電容器中的電能。通過分析DC側(cè)APF的控制原理可知，如果DC側(cè)電壓比額定值更高時，APF會將電能傳遞到電網(wǎng)中，DC側(cè)電壓將會降低，即DC側(cè)電能可通過APF直接輸送到電網(wǎng)。光伏陣列可以直接或通過升壓電路連接到APF的DC側(cè)。通過實(shí)施最大功率點(diǎn)追蹤(maximum power point tracking,MPPT)，光伏陣列在工作過程中可以向電網(wǎng)注入能量，且功率可以達(dá)到最大。與此同時，APF和光伏陣列可以在不相互影響的情況下提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖1 本文提出的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

在三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，相比常規(guī)STATCOM，多了一級Boost升壓電路[8]，所以也可以把光伏陣列直接或經(jīng)過一級Boost升壓電路接到STATCOM的DC側(cè)，當(dāng)光伏陣列向電網(wǎng)輸送電能時無須修改硬件即可實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電功能。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障使并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低時，利用STATCOM可以靈活地調(diào)節(jié)無功功率的優(yōu)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。例如電網(wǎng)因?yàn)榘l(fā)生故障導(dǎo)致電壓突然下降，此時STATCOM發(fā)出無功功率，將可以有效提高電網(wǎng)的電壓，并使得光伏逆變器電流輸出壓力降低，進(jìn)而幫助光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越[9]，這樣就可在同一設(shè)備上同時實(shí)現(xiàn)無功電流和諧波電流補(bǔ)償、光伏并網(wǎng)發(fā)電和低電壓穿越等多種功能，提高了設(shè)備的利用率和減少了設(shè)備重復(fù)投資。該設(shè)備可以適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展需要。

2 系統(tǒng)的算法建立

本文所提出的系統(tǒng)要同時具有提高光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量和低電壓穿越時無功補(bǔ)償?shù)墓δ埽碗娔苜|(zhì)量考慮時指令電流的計(jì)算與合成是本系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。就低電壓穿越時基于STATCOM功能的逆變器的無功補(bǔ)償是本系統(tǒng)的重要內(nèi)容。

2.1 諧波檢測及指令合成算法

指令電流的計(jì)算目前包括無功補(bǔ)償指令電流和諧波補(bǔ)償電流以及光伏并網(wǎng)發(fā)電最大功率有功指令電流。實(shí)現(xiàn)APF功能的過程中，檢測無功功率和諧波電流非常重要。目前有很多種諧波電流的檢測方法[10]，其中最快的檢測方法就是瞬時無功功率理論。

圖2為兩種電流合成和檢測的原理框圖。A相電網(wǎng)電壓Ua相位由數(shù)字鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)跟蹤，可以確保電流檢測精度。

圖2 指令電流合成和檢測的原理框圖

(1)

(2)

由式(2)可知，前者是無功及諧波電流分量，后者是三相基波電流[11]。控制變流器將指令電流注入到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電，也提高了電能質(zhì)量。

2.2 無功功率的補(bǔ)償算法

當(dāng)本文提出的系統(tǒng)補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率時，可以將該系統(tǒng)視為電壓源，且其電壓可以發(fā)生改變。圖3為本文提出的系統(tǒng)等效電路圖，其中，Us和Uc分別為電網(wǎng)相電壓和本文中提出的系統(tǒng)的輸出電壓，UL為負(fù)載電壓，X為等效電抗，R為等效電阻(線損與其他損耗)。從本文提出的系統(tǒng)的簡化電路圖可以得到:

圖3 本文所提系統(tǒng)等效電路

(3)

其中δ為系統(tǒng)輸出電壓和電網(wǎng)電壓的相位差，φ為電網(wǎng)電壓初相角，由式(3)可以得到:

(4)

由式(4)可知：當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，新系統(tǒng)吸收的有功電流和無功電流分別為:

(5)

由式(5)可知：本文提出的系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的無功能量交換可以通過改變δ的大小來進(jìn)行調(diào)整，所以在電網(wǎng)電壓突然跌落時，本文提出的系統(tǒng)可以控制自身向電網(wǎng)輸送的功率，由此可以對電網(wǎng)起到支撐作用，避免電網(wǎng)電壓突然下降時光伏逆變器無功補(bǔ)償壓力過大，同時可以使得光伏系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定，確保在故障發(fā)生時仍可靠供電。

3 系統(tǒng)控制方法

本文提出的逆變器在控制過程中有并網(wǎng)控制模式和低電壓穿越控制模式。并網(wǎng)工作模式是通常狀態(tài)下的控制方式，系統(tǒng)將為電網(wǎng)提供無功電流補(bǔ)償，過濾諧波電流，對電網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高其電能質(zhì)量。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓或者低電壓穿越時需要模式切換控制。不過在不同控制模式下，電壓和頻率需要保持一致，因此有必要在兩種模式切換時鎖定相位。利用三相鎖相環(huán)控制環(huán)節(jié)[12]進(jìn)行相位的鎖定，來減小開關(guān)電流的沖擊，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。

3.1 正常運(yùn)行模式切換到故障模式

如果電網(wǎng)電壓突然下降，電壓幅值已經(jīng)低于額定電壓90%，此時將切換到低電壓穿越控制模式，圖4為對應(yīng)的鎖相環(huán)控制電路。

圖4 模式切換控制圖

3.2 從故障模式到正常運(yùn)行模式

模式切換時，系統(tǒng)輸出電壓與電網(wǎng)電壓將存在一定的差值，導(dǎo)致出現(xiàn)沖擊電流、設(shè)備損壞或新的故障，因此，有必要在模式切換之前對電壓進(jìn)行預(yù)同步，以確保在模式切換回到正常運(yùn)行模式之前，二者的輸出幅度和相位保持一致。

(6)

(7)

圖5為預(yù)同步控制器的原理框圖：首先獲得電網(wǎng)相位θg，并求得其與光伏逆變器相位θn的相位差Δθ，對該相位差進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用比例微分調(diào)節(jié)器。這樣會得到一個頻率補(bǔ)償信號Δf，再將Δf與低電壓穿越運(yùn)行下的頻率參考值fLVRT相疊加，主控制器參考頻率采用該疊加頻率，然后計(jì)算出參考相位。以上措施將能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制模式切換前后，逆變器和電網(wǎng)電壓相位相同，避免出現(xiàn)電流沖擊。

圖5 預(yù)同步控制器的原理框圖

4 仿真驗(yàn)證

本文在Matlab環(huán)境下對提出的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真分析。在仿真模型中，將電網(wǎng)電壓和頻率分別設(shè)置為380 V和50 Hz；電阻R=5 Ω；通過阻感負(fù)載模擬產(chǎn)生電網(wǎng)中有功和無功功率，P=50 kW，Q=51 kvar。

4.1 當(dāng)系統(tǒng)作為光伏并網(wǎng)功能運(yùn)行時

當(dāng)系統(tǒng)作為光伏并網(wǎng)功能運(yùn)行時，需要進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，0.08 s投入本文提出的系統(tǒng)，仿真波形見圖6(a)。

圖6 本文所提系統(tǒng)電能質(zhì)量提高功能仿真波形

由圖6明顯看出，圖6(a)在0.08 s之前沒有投入本文提出的系統(tǒng)的時候，由于存在諧波與無功電流導(dǎo)致電網(wǎng)中的電流滯后于電網(wǎng)的電壓；在投入本文提出的系統(tǒng)后，電能質(zhì)量有了明顯的改善且電流與電壓同相。并且對A相進(jìn)行快速傅立葉變換得到圖6(b)，電網(wǎng)向負(fù)載注入的有功電流的幅值明顯變小，系統(tǒng)中 5 次及 7 次諧波的含量也明顯降低，諧波畸變率也由8.44%明顯降低到1.87%，所以仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果。

4.2 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行低電壓穿越功能操作時

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行低電壓穿越功能操作時，需要提供無功功率來支持并網(wǎng)點(diǎn)的電壓恢復(fù)。設(shè)定仿真條件為電壓跌落到30%額定電壓，仿真波形見圖7。

圖7 本文所提系統(tǒng)低電壓穿越功能仿真波形

由仿真結(jié)果明顯看出，圖7(a)顯示當(dāng)系統(tǒng)沒有投入低電壓穿越功能時，并網(wǎng)點(diǎn)電壓降落至額定電壓的30%，電壓明顯降低。由圖7(b)可知，當(dāng)系統(tǒng)以STATCOM功能投入時，并網(wǎng)點(diǎn)電壓明顯升高，發(fā)生故障前后的電壓波動幾乎為零，所以仿真結(jié)果顯示達(dá)到了恢復(fù)電網(wǎng)電壓的效果，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.3 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行模式切換時

圖8為系統(tǒng)模式切換時兩種控制模式下的角速度，在0.1 s時電壓降落，系統(tǒng)為低電壓穿越模式，在1s時完成低電壓穿越，系統(tǒng)恢復(fù)并網(wǎng)模式。

圖8 本文所提系統(tǒng)模式切換功能仿真波形

由圖8可以明顯看出，系統(tǒng)迅速發(fā)現(xiàn)短路故障并且轉(zhuǎn)換模式，在低電壓穿越期間控制信號也可以很好的跟蹤被控制信號，兩種模式下的控制信號也幾乎重合，保證了兩種模式相位的統(tǒng)一，達(dá)到了預(yù)同步效果，避免了電流沖擊，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

為了減小光伏并網(wǎng)逆變器、APF和STATCOM的各自的缺陷，減少設(shè)備重復(fù)投資并且提高其利用率，滿足未來電網(wǎng)的發(fā)展需要。本文提出在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種功能的統(tǒng)一控制系統(tǒng)，且通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性。本文提出的系統(tǒng)及新控制策略的特點(diǎn)如下。

a.在同一個設(shè)備上實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電與電能質(zhì)量提升，并且在電網(wǎng)發(fā)生短路故障過程中，該系統(tǒng)會通過充分地補(bǔ)償無功功率來進(jìn)行并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

b.在光伏并網(wǎng)控制與低電壓穿越控制之間自由切換，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時本文提出的系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)功能，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時本文提出的系統(tǒng)會切換到低電壓穿越控制模式并且通過鎖相環(huán)進(jìn)行相位的鎖定，從低電壓穿越模式切換回并網(wǎng)模式時還會進(jìn)行預(yù)同步處理以保證模式前后的輸出相位一致，減小了沖擊電流并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。