三相四線制光伏并網發電與電能質量調節器的統一控制

文 文

（南方電網超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550000）

隨著傳統化石能源的不斷衰竭，新能源發電技術呈現出越來越快的發展趨勢。而這些新能源中將會有較大一部分以分布式發電形式接入在電網中，這些通過并網逆變器并入低壓電網的分布式發電系統將會對低壓配電網的運行與管理產生較大的負面影響。然而，在另一方面，如果能將這些并網逆變器功能與電能質量調節器的功能相結合，實現在向電網注入用功電能的同時，還能對電網的電能質量進行調節，將會取得較大的收益。

并網逆變器可以分為電壓型并網逆變器[1]和電流型并網逆變器[2]，對于電壓型并網逆變器，其與電網并聯運行的輸出控制可分為電壓控制[3]和電流控制[4]。并網輸出采用電壓控制時，實際上就是一個電壓源與電壓源并聯運行的系統，這種情況下必須要保證逆變器輸出電壓與電網電壓同幅、同頻、同相，其控制較為復雜，尤其是在配電網中，電網電壓經常會有較大的畸變，很難達到預期效果。而如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需要控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網電壓，同時設定輸出電流的大小，即可達到并聯運行的目的。由于其控制方法相對簡單，效果也比較好，因此使用廣泛。并且采用電流控制時，還可以控制逆變器在輸出正弦有功電能的同時，向電網注入相應的無功和諧波電流，用以改善電網的電能質量。

目前，已有不少文章對并網發電和電能質量調節的統一控制進行了研究。然而，這些研究大多是針對三相三線制系統[5-7]或單相系統[8]，對于三相四線制并網系統的研究卻很少。在三相四線制系統中，除了由諧波和無功產生的電能質量問題外，還有不平衡電流產生的電能質量問題。不平衡電流會導致三相電壓不對稱、線路以及變壓器損耗增大，甚至在不平衡度過大時，導致中線電流過大而燒毀中線[9]，從而威脅到電氣設備的正常運行?；诖耍疚囊阅壳把芯枯^多的新能源之一——太陽能為研究對象，設計了一種三相四線制光伏并網發電系統，該系統輸出采用電流控制。在并網運行時，除了向電網輸出正弦有功電流外，還可以對電網的無功和不平衡電流進行補償，并且對諧波具有一定的抑制作用，從而達到改善電能質量的目的。并且該系統在夜間光伏電池不能發電的狀態下，繼續以有源濾波器的狀態工作，有效提高了并網逆變器的利用率。

1 光伏并網系統的基本結構及其工作原理

光伏并網的基本結構如圖1所示，系統主要由光伏電池板、一個 DC/DC（Boost）變換器以及一個DC/AC變換器（逆變器）構成。其中Boost變換器負責將太陽能電池組件的寬范圍直流輸出電壓變換為并網逆變器所需要的穩定的直流母線電壓，并實現最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）；三相四線制的并網逆變器，負責將光伏電池發出的電能以交流電的形式送入電網，供負載使用。

圖1 光伏并網系統的基本結構

1.1 光伏電池的仿真模型

圖2是光伏電池等效模型[10]。它由理想電流源Isc，反向并聯二極管D、串聯電阻 Rsh和并聯電阻 Rs構成。其中 Isc的值等于電池的短路電流，其大小反映了光伏電池所處環境的日照強度。日照越強， Isc越大；反之越小。式（1）是光伏電池的I-V特性關系方程。

式中， Tc是電池內部絕對溫度，V是光伏電池輸出電壓， Id0是二極管飽和電流， Rsh是內部并聯電阻，Rs是內部串聯電阻，q是電子電荷，為1.602×10-19C，A是二極管系數,通常為1.0～3.0，k是波爾茲曼常數，k=1.38058×10-23J，n是多個電池串聯系數。

圖2 光伏電池的等效電路

圖3是根據上述仿真模型在PSIM6.0中搭建起仿真電路得到的光伏電池的I-V和P-V曲線，可見該仿真模型可以較好的反應光伏電池的特性。

圖3 光伏電池的I-V、P-V特性曲線

1.2 并網逆變器拓撲的選擇

三相四線制并網逆變器的拓撲類似于三相四線制有源電力濾波器[11]，主要有三種典型的拓撲結構，即電容器中分式、四橋臂式以及三單相全橋式[12]。已經有不少文章對這三種拓撲的特點進行比較[13]，電容器中分式結構由于中線電流完全流入電容，且兩個電容電壓之間不均衡，需要額外的均壓控制，所以這種補償能力有限，適用于中線電流較小的場合；四橋臂式結構單獨利用一個橋臂對中線電流進行控制，控制效果以及對中線電流的補償能力均要優于前者，其主要的控制難點在于中線橋臂開關狀態的選擇；三單相全橋式結構由于各相完全解耦，控制最為靈活和簡單，并且補償功率大，雖然完全從技術角度上考慮是最優選擇，但是由于需要隔離變壓器進行并網以及開關器件個數眾多，成本過高。本文的設計采用四橋臂式結構作為逆變器主電路，其結構如圖4所示。

圖4 四橋臂逆變器主電路

2 光伏并網發電與有源濾波的統一控制

控制系統的結構如圖5所示，光伏電池以直流源的形式，為并網逆變器提供電能，并網逆變器采用電流控制方式，以電流源方式向電網注入功率，傳統的方式是將輸出電流控制為與電網電壓同頻同相的正弦波，以達到向電網注入有功功率的目的。由于常規并網逆變電源直流母線電壓控制與有源濾波器的直流母線電壓的電壓控制方式是一致的，即通過調節并網電流有功電流分量的大小和方向來穩定直流母線電壓[14]，并且它們的輸出都是采用的電流跟蹤控制。因此，兩者的統一控制是可行的，通過檢測負載交流母線上的無功、諧波以及不平衡電流分量，并將其換算為補償電流指令，與逆變器所要輸出的有功電流指令相合成，即可得到最終并網電流指令，經電流內環調節即可實現光伏并網發電和電能質量調節的統一控制。

圖5 光伏并網發電與有源濾波的統一控制

并網逆變器采用電壓控制為外環、電流控制為內環的雙環控制結構。電壓外環穩定直流側電容電壓，如圖中虛線框內所示部分，利用直流側實際的檢測電壓 Udc與直流側參考電壓的誤差經過 PI調節后的輸出來調節電流內環的線電流參考給定幅值信號，用以抑止直流側電壓的波動；為逆變器所要輸出的并網有功電流的幅值，它是與MPPT環節中所計算出的每一時刻的最大功率相對應的，用以保證光伏電池發出的功率與并網逆變器的輸出功率相等，實現系統的功率平衡。電流內環實現并網電流的跟蹤控制，并保證電流跟蹤的快速性以及較小的誤差。

要實現對電能質量調節以及并網電流的綜合控制，其關鍵技術是電網無功、諧波以及不平衡電流的檢測，并將檢測的指令信號與并網電流指令信號合成。為了保證電網的供電質量，系統必須能夠實現對無功電流補償的快速反應。在電流檢測完成的基礎上，其各相檢測值作為補償電流的指令值，與直流電壓環輸出并網電流的有功分量合成，作為調節器輸出電流指令。

3 指令信號的檢測與控制

對于三相四線制系統的諧波、無功以及不平衡電流的檢測，目前采用較多的是基于瞬時無功功率的檢測方法[15]，以ip-iq法為代表的瞬時無功功率理論的突出優點是實現電路比較簡單、延遲少,且具有很好的實時性。其原理框圖如圖6所示。

圖6 基于瞬時無功功率的諧波及無功電流檢測

設三相三線制系統三相不平衡電流 ia、ib、ic為

將它們經過C32和C矩陣變換并通過低通濾波器濾波后可以得到

傳統的做法是將式（4）進行Park反變換和C23變換（如圖6所示）得到三相基波正序電流，即

式中，CT、C23分別為C、C32的逆矩陣。

然后將實際電流 ia、ib、ic分別與上面得到的三相基波正序電流相減，即可獲得實際電流中的諧波分量及應補償的不平衡分量，將上述得到的量作為參考值與逆變器實際輸出的進行比較，形成閉環控制；如果系統需要同時檢測無功分量，則只需將基波有功直流分量I1p經CT和C23的逆變換，進而獲得實際電流中的基波有功電流分量，將實際電流 ia、ib、 ic與其基波正序電流的有功分量相減，即可獲得其中的基波無功、諧波分量以及不平衡補償分量。

然而由于該逆變器的功能設計中要求具有對電網中的不對稱電流進行補償的功能，因此，逆變器實際輸出的電流將不再是對稱的，即有可能同時含有正序、負序以及零序分量，采用傳統的控制方法難以同時實現對這三個分量進行較好的控制，導致實際的輸出電流存在較大的誤差?；诖?，本文提出了針對三相四橋臂逆變器輸出電流的解耦控制策略，其控制原理如圖7所示。

圖7 三相四橋臂逆變器輸出電流的解耦控制

圖中d、q通道的前饋項Lω id與Lω iq的作用是實現d軸和q軸電感電流的完全解耦。abc/dq0坐標變換與圖6中的CC32矩陣變換基本等效，不同的只是abc/dq0坐標變換中多了一個零序分量分離通道，而這一通道在圖 6中已單獨給出；dq/abc坐標變換與圖 6中的 CTC23矩陣變換完全等效，二者的表達式如下所示：

4 逆變器工作模式的切換

本文所設計的光伏并網發電系統具有白天并網發電、夜晚不停機繼續工作在有源濾波器狀態的兩種工作模式。這兩種工作模式的切換通過檢測圖6中的大小來實現的，如上所述大小反映了光伏電池所發出功率的大小，當檢測到小到一定值時，說明此時的光伏電池板已經基本不發電了，可以將其切除，并將的值設為0，則此時并網逆變器成功的實現了工作模式的切換，僅工作在有源濾波器的狀態。

5 仿真研究及結果

根據上述對光伏并網系統所實現的功能的要求，即在實現注入有功電能的同時還可對電網的諧波、無功以及不平衡性電流進行補償，運用PSIM6.0仿真軟件對該系統在三種不同的工作狀態下進行仿真，即只進行電能質量調節、同時進行電能質量調節并網發電以及光伏電池輸出功率突變。仿真時設置電網線電壓為380V、頻率50Hz，三相負載為非對稱性負載，且a相負載為非線性負載，圖8為逆變器未投入運行時三相電網的電流以及中線電流，從圖中可以看出三相電流存在較大的不平衡性，且中線電流較大。

圖8 逆變器未投入運行時電網電流（t/s）

圖9為逆變器僅工作電能質量調節狀態下在電網電流，此時的逆變器相當于一個三相四線制有源電力濾波器，起到改善電網電能質量的作用，從圖中可以看出，逆變器投運以后，電網電能質量得到了極大的改善。

圖9 逆變器工作于電能質量調節器時的波形（t/s）

圖10為逆變器同時工作在電能質量調節和并網發電時的波形，此時的逆變器在對電網提供諧波、無功以和不平衡性電流補償的同時，還向電網注入一定的有功電能，從圖中可以看出三相電流為與三相電壓波形相同的純正弦波形，且由于有功電流的注入，電網電流減??；從c圖中可以看出直流母線電壓是穩定的，表明系統工作是穩定的。

圖10 逆變器同時工作于并網和電能質量調解時的波形（t/s）

圖11為系統中光伏電池輸出功率突變的情況下系統的工作波形，此時的的負載電流仍然如圖 8所示，在0.65s出，光伏電池輸出功率突然減小如a所示；由于光伏電池輸出功率的減小，導致其并網電流減小，從而導致電網向負載提供的電流增大，如圖b所示；圖c為光伏電池輸出功率突然減小的情況下的直流母線電壓，可以看出其仍然是比較穩定的，也就是說該系統在動態情況下具有較好的穩定性。

圖11 光伏電池輸出功率突變情況下的波形（t/s）

6 結論

本文為分布式發電系統設計了一種三相四線制光伏并網發電系統，該系統中并網逆變器將有源濾波器和并網發電控制相結合，在實現并網發電的同時，還可以對電網的諧波、無功和不平衡電流進行補償，從而改善電網的電能質量，為配電網電能質量的改善提供了一條新的途徑，并且對于進一步提高三相四線制并網逆變器的靈活性和應用范圍具有較大的意義。仿真結果驗證了該設計的有效性和可行性。

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