具有諧波抑制與無功補償功能的光伏并網系統*

王 萍，鄭常寶

（安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥230039）

隨著能源與環境問題的日益嚴峻，開發新能源和可再生能源已迫在眉睫。太陽能是一種清潔的隨處可得的可再生能源，對環境無污染，因此備受關注并且前景看好。常規的光伏并網發電系統的主要功能是完成光伏陣列的并網發電控制，即將光伏陣列的直流電能轉換為與電網同頻同相的交流電能饋送給電網，并保證有較好的并網功率因素，它的控制調節與電網負載特性無關。而希望光伏陣列在光伏并網發電的同時還可以對電網中的無功和諧波進行補償和抑制，從而提高電網供電的質量和能力。為此本文介紹了一種新的光伏并網發電系統，它利用光伏并網逆變主電路的特點，將光伏并網的發電控制與無功補償、有源濾波相結合，使得主電路具備提供有功和無功電流的控制功能。系統可以檢測負載電流中的無功和諧波分量，進而達到無功電流補償控制的目的。并網系統的仿真結果表明，該系統在進行發電的同時可以有效地進行諧波抑制與無功補償。

1 光伏陣列模型的建立與仿真

1.1 光伏陣列的數學模型

基于光伏陣列的等效電路模型[5]如圖1所示，在Matlab環境下建立其通用仿真模型。

圖1 光伏陣列等效電路

其中，Rs為串聯電阻，忽略不計以簡化計算；Rp為并聯電阻；Iph為光生電流；Id為暗電流。整理上式可得光伏陣列的數學模型：

其中，Vt=NsKT/q，Isc為短路電流；Voc為開路電壓；KI為電流溫度系數；Kv為電壓溫度系數；a為二極管理想常數；q 為電子電 荷；K 為玻耳茲 曼常數；ΔT=T-Tn，T、Tn為實際溫度和標準溫度(單位K)；G、Gn為實際太陽輻射和標準太陽輻射。

1.2 光伏陣列的最大功率點跟蹤（MPPT）

光伏陣列P-V特性是非線性的，存在唯一的最大功率點。光伏陣列在任意光照和任意環境下的功率為：

由極值條件dp/dv=0得：

式(4)為超越方程，用迭代法求解。本文采用以簡單且收斂速度快而被廣泛應用的牛頓迭代法來求解出對應 最 大 功 率 點 的 電 壓 ：Vk+1=Vk-P′(Vk)/P″(Vk)，當≤ε時，Vmax=Vk+1。其中 Vk+1和 Vk分別是 V的第K+1次和第 K次迭代值，ε為迭代精度，P′(Vk)和 P″(Vk)分別是第K次迭代下P對V的一階導數和二階導數。將所得的最大功率點電壓 Vmax代入式（2），得 Imax，進而可求得最大功率。

1.3 光伏陣列模型的仿真

基于上述數學模型，在Matlab環境下利用Simulink工具[3]建立光伏陣列的仿真模塊，改變其中各個參數可得到具有不同I-V特性的光伏陣列，特性曲線如圖2、圖3所示。

圖2、圖3中各條曲線表示不同光照條件下光伏陣列的I-V、P-V特性曲線，它們與典型的光伏陣列特性曲線相一致，驗證了本文中光伏陣列仿真模型的正確性和實用性。

2 光伏陣列并網系統的原理

本文設計的新型光伏并網發電系統[4]最大的特點就是將光伏并網發電控制與無功補償相結合，使得光伏陣列在并網發電的同時還可對電網進行諧波抑制與無功補償。其基本原理是：基于瞬時無功功率理論對負載電流、電壓進行檢測，經指令電流運算電路得出含有負載電流諧波及無功分量的指令電流，將指令電流和并網電流進行比較，產生PWM波控制逆變電路中各IGBT的導通和關斷，實現并網電流對指令電流的跟蹤，最終得到理想的電網電流。其工作原理如圖4所示，其中PV為光伏陣列；MPPT單元為最大功率跟蹤控制單元，它完成光伏電池陣列最大功率點工作電壓的確定。AVR為電壓調節控制單元，其調節輸出是并網電流有功分量的幅值給定ip*。瞬時無功檢測及指令電流合成單元完成對電網電流的無功檢測并最終合成并網電流的指令值。電流控制單元采用滯環比較的控制方式，保證并網電流對指令電流的實時跟蹤。

2.1 無功電流瞬時檢測及指令電流的合成

本文設計的并網系統在發電的同時要實現諧波抑制與無功補償，因此指令電流的計算是一個關鍵。指令電流的計算包括無功和諧波電流的補償指令電流計算、光伏并網發電有功指令電流計算及這兩者的合成運算。諧波電流的檢測方法有很多，其中以基于瞬時無功功率理論的檢測方法速度最快、應用最廣，因此本文利用該檢測方法來同時實現諧波電流的檢測和指令電流的合成。其中運用數字鎖相環（PLL）跟蹤A相電網電壓的相位，因此檢測結果不會受電壓畸變的影響，可以保證電流檢測的精度。

根據瞬時無功功率理論[1]，三相負載電流 ia、ib、ic經過變換矩陣和低通濾波器LPF后得到基波有功直流分量。ip*是光伏并網直流指令分量，由光伏陣列最大功率點工作電壓Upv*和當前光伏陣列輸出電壓 Upv經調節器AVR調節后得到的有功直流分量。基波有功直流分量和ip*相疊加經過變換矩陣得到負載電流的基波有功分量 iapf、ibpf、icpf，將其與負載電流相減得到指令電流，指令電流表達式如下：

式(5)即為光伏并網指令電流表達式，第一項為瞬時無功功率理論得到的無功及諧波電流分量，是并網電流無功分量指令；第二項為光伏陣列輸出的并網電流有功分量指令，它體現了光伏陣列發電功率的大小。

2.2 電流跟蹤控制

電流跟蹤控制電路的作用是根據得到的指令電流和逆變電路輸出的實際并網電流之間的相互關系，得到控制逆變電路中各器件通斷的PWM信號，從而保證并網交流電流跟蹤指令電流的變化。本文采用滯環比較器[2]的瞬時值比較方式進行電流跟蹤控制。該方法把指令電流與實際并網電流的偏差作為輸入，通過滯環比較器產生PWM信號來控制開關器件的通斷，從而使得實際并網電流可對電網電流進行諧波抑制和無功補償。

3 并網系統仿真及實驗研究

對本文的并網系統進行仿真，負載是帶阻感負載的三相整流橋，實驗結果如圖5～圖7所示。由圖5可以看出，當光伏并網系統發電的同時進行諧波抑制時，a相電流接近正弦波即不再含有諧波，但a相電流、電壓存在一定的相位差，即a相電流含有無功分量。圖6表示并網發電的同時對電網中的無功進行補償，圖中a相電流、電壓同頻同相無相位差，即無功得到了完全的補償，a相電流不再含有無功分量但含有諧波分量。此時并網電流包括無功分量和有功分量而不再含有諧波分量，因此圖中的指令電流波形為三相正弦波并且與a相電壓存在一定的相位差。圖7則表示并網發電的同時進行諧波抑制和無功補償，此時a相電流、電壓同頻同相，無功得到了完全的補償；a相電流波形接近正弦波表示諧波抑制的效果很好，電流中只存在一些由開關過程引起的毛刺，可忽略不計，流入電網的電流畸變率非常小，處于允許的范圍之內，此時光伏系統在并網發電的同時對負載電流進行了有效的諧波抑制與無功補償。

本文中的光伏陣列通用仿真模塊考慮了光伏電池內部參數和外部環境等眾多因素并結合了MPPT仿真算法，可以實時模擬光伏陣列的動態特性，具有良好的可信性和實用性。針對常規的光伏并網發電系統只進行并網發電這一特點，本文提出一種新型的并網發電系統，將光伏并網的發電控制與無功補償、有源濾波相結合，在保證很好地進行光伏并網發電的同時還對電網中的無功和諧波進行補償與抑制，從而提高電網供電的質量和能力，仿真實驗的結果非常好。不足之處是本文中有關最大功率點跟蹤的實現，采用了實時優化迭代算法，該方法存在一定的誤差，可以用其他更好的算法代替。

[1]王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]林飛，杜欣編.電力電子應用技術的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[5]VILLALVA M G，GAZOLI J R，FILHO E R.Modeling and circuit-based simulation of photovoltaic arrays[J].Power Electronics Conference，2009：1244-1254.