無功與諧波補償檢測的光伏并網仿真研究

楊國華 姚 琪

(寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏 銀川 750021)

0 引言

隨著我國工業化進程的加快和光伏發電并網規模的逐漸擴大，電力電子器件在光伏并網發電系統中的應用趨于廣泛。光伏并網發電系統存在大量的非線性和沖擊性負載，產生的諧波對電網電能質量的污染較為嚴重，同時，諧波對電力系統的安全、經濟與可靠運行也造成了不良影響［1－2］。

光伏發電必須通過逆變裝置將直流電逆變成交流電后才能并入電網。由于電力逆變器接入配網的調節和控制方式與常規方式有較大不同，其開關器件的頻繁開通和關斷容易在開關頻率附近產生諧波分量，這給電網帶來電力諧波污染。考慮到傳統無源濾波不能滿足較高電能質量的要求，因此，有必要采取新的方法，即通過光伏并網發電與有源電力濾波器統一控制的策略，實現在光伏并網發電的同時補償無功及負載諧波電流。在此過程中，無功及諧波電流的檢測是系統完成補償功能的關鍵，所以在光伏并網發電系統中，有必要對系統中的諧波進行檢測、分析與抑制，從而提高電網電能質量［3－4］。

1 光伏并網發電系統

1.1 光伏并網發電系統結構

通過分析不可調度式光伏并網發電系統的拓撲結構，可知系統中的電能轉換單元與傳統電力有源濾波器(active power filter，APF)具有相似性。APF主要用于解決無功電流和諧波電流等電能質量問題。APF中直流側的能量主要通過吸收電網有功電能來維持，光伏并網發電裝置可向電網注入有功電能，可將光伏陣列直接或經升壓電路接到APF的直流側，并提供穩定的直流側電壓，這是正常進行無功及諧波電流補償的關鍵［5］。電流檢測部分通過檢測算法檢測非線性負載的無功和諧波電流，形成無功和諧波補償指令電流;最大功率跟蹤控制部分跟蹤光伏陣列的最大功率點，形成并網指令電流;控制部分把無功和諧波補償指令電流和并網指令電流進行合并后，利用合適的控制方法控制變流器按合成后的指令電流向電網注入電流，就可以同時實現電流質量治理和光伏并網發電。系統在實現并網發電的同時不會影響APF的功能，反而在電網故障時，系統可以把直流側的電能直接供給負載，保證負載的不間斷工作。這種統一控制的系統可以集諧波與無功電流補償和光伏并網發電于一體，從而提高電網電能質量。光伏并網發電系統結構如圖1所示。

圖1 光伏并網發電系統結構圖Fig.1 Structure of photovoltaic power generation system

1.2 無功與諧波電流檢測

電流檢測部分是通過相應的檢測算法檢測出非線性負載的無功及諧波電流，從而形成無功和諧波補償的指令電流。指令電流的計算包括無功及諧波電流的補償指令電流、光伏并網發電的有功指令電流以及合成運算，其中補償功能主要通過對無功及諧波電流進行檢測實現。本設計選用基于瞬時無功功率理論的檢測方法，以便同時實現諧波電流的檢測及其與并網發電有功電流的合成運算［6］。

諧波電流檢測及指令電流的合成運算框圖如圖2所示。

圖2 合成運算框圖Fig.2 Diagram of compositional operations

圖2中:C32為三相/兩相坐標變換矩陣，即abc坐標系到正交αβ坐標系的變換矩陣;C23為兩相/三相坐標變換矩陣，即正交αβ坐標系到abc坐標系的變換矩陣;C為正交αβ坐標系到pq旋轉坐標系的變換矩陣;C－1為pq旋轉坐標系到正交αβ坐標系的變換矩陣。

根據瞬時無功功率理論，采用的諧波電流檢測方法不受電網電壓和電流是否畸變的影響，數字鎖相環(phase locked loop，PLL)得到與電網相電壓同相位的正弦和余弦信號，以保證電流的檢測精度。將測得的三相負載電流ia、ib和ic經C32、C坐標變換得到有功電流ip，再經過低通濾波器(low pass filter，LPF)后得到的直流分量為有功基波ip。ipv為光伏并網直流指令分量，它是由MPPT指令電壓和當前光伏陣列輸出電壓 udc經電壓調節器(automatic voltage regulator，AVR)后得到的有功直流分量。將的合成運算值經C－1、C25坐標變換得到三相基波正序有功電流iaf、ibf、icf，負載電流減去基波正序有功電流即為補償電流的指令值。當K斷開時，檢測結果中包含負載的無功及諧波電流;當K閉合時，算法只檢測負載中的諧波電流含量，并與并網指令電流合成，得到諧波補償和并網發電電流的合成指令。

根據圖2所示的運算原理，設計中確定的諧波電流檢測與指令電流合成算法如下［7－9］:

式中:iaf(t)、ibf(t)、icf(t)為無功及諧波電流分量;ip為有功基波電流為光伏并網直流指令分量。其中，矩陣 C23、C－1分別為 C32、C 的逆矩陣，且有:

1.3 電流跟蹤控制

設計中采用了滯環PWM的控制方式對指令電流進行控制。該控制方式具有動態響應快和無需載波等特點，可以很容易地用模擬器件來實現。滯環PWM控制方式如圖3所示。

圖3 滯環PWM控制方式Fig.3 Control mode of hysteretic PWM

該方式首先通過比較補償電流的指令信號i*aref與實際的補償電流信號iaref，將兩者的偏差Δi作為滯環比較器的輸入;然后利用滯環比較器產生的PWM信號控制主電路中開關器件的開通與關斷;再經驅動電路來控制開關器件的通斷，從而較好地控制補償電流iaref的變化。

2 光伏并網仿真系統模型的建立

通過以上的理論分析，在PSCAD/EMTDC下建立了相應的配電網系統模型，并對APF與光伏并網發電統一控制進行了仿真。系統中負荷采用了帶阻容負載的整流器來模擬含有諧波的負荷模型［10］。系統模型的主要仿真參數設定如表1所示。

表1 仿真參數設定Tab.1 Simulation parameter settings

模型中，光伏發電系統通過開關與380 V低壓配電網相連，同時負載也通過開關與配電網相連;仿真時間設為0.5 s。當仿真時間運行到0.15 s時，將光伏電源并入電網;當仿真時間到達0.3 s時，將開關4閉合接入負載，使系統負荷增加。

3 仿真結果分析

根據系統仿真模型，在光伏電源并網前系統電流波形含有大量諧波。當系統運行到0.15 s時，光伏電源并網向電網注入了正弦基波電流，同時并網后的光伏電源能夠較好地抑制系統諧波與補償無功，使得電網電流得到較好的補償。由于負荷容量小于光伏并網輸出功率，所以系統會向電網輸送一定的功率，從而使得系統電流反向增大，有功功率波形有一定幅度的下降;當系統運行到0.3 s時，開關4閉合，使得下游的負荷容量增加，從而使得系統電流相應減小，有功功率波形有一定的回升。系統輸出的電流波形、有功功率波形、無功功率波形、相間電壓波形如圖4所示。

圖4 系統輸出波形Fig.4 Output waveform of system

由系統的無功功率輸出波形可見，從0.15 s開始光伏電源并入電網工作，系統會向電網輸送功率，此時電網輸出的無功功率逐漸減為零，全部由光伏電源進行功率補償，達到了較好的無功功率補償的效果。

由光伏電源輸出的相間電壓波形可見，在0.15 s光伏電源并網工作后，其輸出的相間電壓由方波變為正弦波，同時光伏電源輸出正弦基波電流，抑制了電網中的諧波電流。所以，通過無功與諧波電流的檢測及其跟蹤控制，能較好地防止諧波對電網電能質量的污染。

4 結束語

本文利用將光伏并網發電與有源電力濾波器進行統一控制的策略，選用基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測算法，通過檢測負載無功電流和諧波電流，進一步與光伏并網指令電流合成運算，實現光伏并網發電的同時，補償無功及負載諧波電流，使系統在提高負荷特性和減小電網電流諧波方面有較好的效果。在PSCAD/EMTDC下建立配電網系統模型，對系統統一控制進行仿真分析。結果表明，光伏并網發電系統能夠在輸出有功的同時補償系統無功并消除負載的諧波，從而提高電網的電能質量。

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