三相光伏并網(wǎng)的控制策略研究

華東交通大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院 ■ 宋平崗 韓夢(mèng)夢(mèng) 侯潔紅 萬麗琴

0 引言

在傳統(tǒng)能源短缺和污染日益嚴(yán)峻的形勢(shì)下，新能源越來越受到人們的關(guān)注。太陽能以其取之不盡、用之不竭的優(yōu)勢(shì)成為具有發(fā)展?jié)摿Φ闹匾履茉碵1-2]，利用太陽能的光伏并網(wǎng)發(fā)電已成為最主要的分布式發(fā)電之一[3-5]，也是新型智能電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)[6]。

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，非線性負(fù)載投入使用的比例越來越高，產(chǎn)生的無功和諧波也越來越大，如果逆變器只對(duì)無功和諧波進(jìn)行抑制[7-8]，就會(huì)存在逆變器功能單一的問題，還會(huì)降低其使用效率。雖然將光伏發(fā)電與有源濾波結(jié)合起來對(duì)逆變器實(shí)行統(tǒng)一控制能提高其使用效率[9]，但不能將光伏發(fā)電的最大有功功率瞬時(shí)送入電網(wǎng)，就會(huì)降低光伏發(fā)電的使用效率。

本文通過光伏最大有功瞬時(shí)傳送和有源濾波結(jié)合起來對(duì)逆變器進(jìn)行綜合控制，考查其對(duì)APF中逆變器的使用效率及光伏發(fā)電的使用效率的影響。

1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

本文采用兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(圖1)：第一級(jí)為Boost型升壓電路，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制；第二級(jí)為全橋逆變器，產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同頻、同相的電流，兩者之間通過濾波LC電路相連。光伏的最大功率跟蹤和電網(wǎng)的諧波檢測(cè)單獨(dú)設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)和控制。

直流側(cè)電壓經(jīng)過AVR得到的電流與諧波檢測(cè)模塊檢測(cè)出來的電流共同合成并網(wǎng)參考電流，進(jìn)而控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)。有兩種運(yùn)行方式：其一，白天實(shí)現(xiàn)最大功率送入電網(wǎng)的同時(shí)，補(bǔ)償本地非線性負(fù)載投入使用產(chǎn)生的無功和諧波，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量；其二，晚上或陰天等惡劣天氣時(shí)，光伏發(fā)電功率小于60 W，光伏退出并網(wǎng)維持Boost電路電容的電壓穩(wěn)定，以便白天并網(wǎng)發(fā)電，減少并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的諧波；另外電路還可做無功和諧波補(bǔ)償設(shè)備使用，補(bǔ)償晚上本地線性和非線性負(fù)載所產(chǎn)生的無功和諧波。

如圖1所示，系統(tǒng)由光伏電池組成的光伏陣列、Boost電路、LC濾波器和非線性負(fù)載等組成。

圖1 系統(tǒng)電路圖

2 系統(tǒng)的控制方法

系統(tǒng)的控制部分有MPPT的控制、諧波無功電流檢測(cè)控制、最大功率注入控制和輸出控制，如圖2所示。

圖2 具有有源濾波功能的光伏并網(wǎng)的控制圖

通過MPPT跟蹤的最大功率轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同步的最大有功電流注入電網(wǎng)，減少電網(wǎng)向負(fù)載側(cè)提供的有功，使光伏利用效率提高，也提高了諧波無功補(bǔ)償設(shè)備的利用率，經(jīng)濟(jì)性得到提高。對(duì)比文獻(xiàn)[5](控制電容電壓的穩(wěn)定，控制輸出的有功)所提出的控制方法，該控制方法具有的優(yōu)勢(shì)為：可把光伏發(fā)出的有用功瞬時(shí)送入電網(wǎng)，避免光伏發(fā)電對(duì)電容C2過充造成C2電壓的升高，從而加速了對(duì)C2的穩(wěn)壓性能，因此，具有更快的響應(yīng)能力。

2.1 MPPT的控制

由于光伏電池發(fā)電成本高，因此要使光伏以最大的功率并網(wǎng)輸出，提高其效率。MPPT控制器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能板的發(fā)電電壓，并跟蹤最高電壓電流值，使系統(tǒng)以最高效率對(duì)蓄電池充電[10]。本文采用擾動(dòng)觀察法(P&Q法)得到光伏最大輸出功率。該方法先采樣輸出的電壓和電流，計(jì)算出功率，然后和前一刻采樣的電壓電流計(jì)算的功率進(jìn)行比較，如果現(xiàn)在時(shí)刻的功率大，則向相同方向進(jìn)行擾動(dòng)，否則向相反方向擾動(dòng)至找到最大功率輸出點(diǎn)為止。

P&Q法易采用模塊化控制回路，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)量參數(shù)較少且成本低。由于不能較快跟蹤光伏陣列的最大發(fā)電功率，因此，較多應(yīng)用于光照隨時(shí)間變化較慢的地方。但若增加采樣時(shí)間，可減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的損失。控制算法流程圖如圖3所示。

圖3 P&Q法算法流程圖

2.2 諧波電流檢測(cè)原理

電流檢測(cè)及指令電流的合成原理圖如圖4所示。由圖4可知，該方法通過鎖相環(huán)鎖定電網(wǎng)電壓（ua）的相位信號(hào)。首先將主電路中的A、B、C三相電流變成Clarck坐標(biāo)下的瞬時(shí)電流分量，緊接著經(jīng)過dq坐標(biāo)變換分離出有功電流和無功電流，然后經(jīng)過低通濾波器濾除諧波成分并將q通道斷開，得到基波有功電流減去穩(wěn)定光伏電容電壓的有功電流分量，從而得到基波負(fù)載所用的有效基波有功電流分量，再經(jīng)過dq和Clarck反變換得到三相基波有功電流分量，將電網(wǎng)中實(shí)際電流減去三相基波有功電流分量，由此得到諧波和無功電流的參考分量。

圖4 電流檢測(cè)及指令電流的合成原理圖

Clarck到dq坐標(biāo)變換表達(dá)式為：

Clarck變換得：

由式(1)、式(2)可得：

基波有功分量電流減去擾動(dòng)電流分量后轉(zhuǎn)化為三相基波有功分量的電流，表達(dá)式為：

由式(4)推出式(5)，即得到三相諧波無功補(bǔ)償電流分量：

式中：為三相有功基波分量，與三相基波電流相減得到需補(bǔ)償?shù)闹C波無功電流。

2.3 最大功率注入的控制

MPPT跟蹤的最大功率(Pmm)減去維持光伏系統(tǒng)運(yùn)行的功率(M=60 W)后，剩余功率為最大可并網(wǎng)有功功率(Pm)。已知直流側(cè)穩(wěn)壓控制的電壓和光伏跟蹤的最大可并網(wǎng)功率得到id，設(shè)iq=0，由式(6)﹑式(7)變換到與電網(wǎng)電壓同相位的基波有功電流，式(8)為該電流與三相諧波無功電流之和作為控制逆變器輸出的參考電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的閉環(huán)控制。本文運(yùn)用的是等功率變換。

式中：ia′、ib′、ic′為光伏電池輸送的三相最大有功基波電流分量；iaref*、ibref*、icref*為需要補(bǔ)償?shù)娜嘀C波無功電流的和；其兩者相減為參考輸出電流iaref、ibref、icref，即式(8)由式(5)和式(7)推出。式(6)中Udc=Ud，Ud為電網(wǎng)的三相電壓經(jīng)過dq變換到d軸的電壓，由此可計(jì)算出與電網(wǎng)電壓同相位的有功電流。

由式(6)～(8)可知，MPPT追蹤到的最大有功功率經(jīng)過瞬時(shí)功率計(jì)算模塊變換為最大有功電流，因此，光伏發(fā)出的最大瞬時(shí)有功功率注入電網(wǎng)或被用戶使用，提高了光伏的利用效率；又能保證補(bǔ)償配電網(wǎng)側(cè)的諧波無功，故對(duì)用戶側(cè)非線性負(fù)載的使用所造成電網(wǎng)電流的污染具有抑制作用。

2.4 滯環(huán)比較輸出環(huán)節(jié)的控制

此處采用三角波比較方式，其原理如圖5所示。將參考電流inref與實(shí)際輸出電流in的差值Δin通過比例調(diào)節(jié)器后作為調(diào)制波(n為a、b、c三相)，三角波為載波，比較后得到IGBT的開通時(shí)間。此方法與滯環(huán)比較輸出的控制相比具有的特點(diǎn)為[11]：硬件復(fù)雜；跟蹤誤差較大；器件開關(guān)頻率可調(diào)且等于三角載波頻率，從而減少了器件損耗和噪聲污染。

圖5 輸出控制方式

3 仿真結(jié)果和分析

電網(wǎng)電壓恒定，幾乎無變化，故把電網(wǎng)當(dāng)做理想電壓源處理。在一段時(shí)間內(nèi)光伏輸出有功功率穩(wěn)定的情況下，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。圖6為在本文提出的最大功率的控制方式下得到的仿真波形；圖7是在文獻(xiàn)[5]提出的控制方式下得到的仿真波形。電網(wǎng)A相電壓和電流的波形如圖6a和圖7a所示。從圖6a和圖7a可知：電網(wǎng)電流在0.1～0.3 s時(shí)，由于光伏輸出功率的降低，提供給負(fù)載的有功功率減少，以至于電網(wǎng)供給非線性負(fù)載的有功電流一直增大，且?guī)缀鯚o無功和諧波電流；電網(wǎng)電流在0.3～0.4 s時(shí)，由于整個(gè)光伏系統(tǒng)退出運(yùn)行，不再具有光伏的最大有功輸送和無功、諧波的補(bǔ)償功能，以至于電網(wǎng)輸出電流變大且畸變嚴(yán)重。圖6b和圖7b分別為在以上兩種控制方式下得到的電網(wǎng)A相輸出的電流圖。從圖6b和圖7b可知：當(dāng)光伏電源輸出的有用功減小時(shí)，電網(wǎng)輸出有功電流增大，且波形較好(較好地補(bǔ)償負(fù)載的無功和諧波)；當(dāng)光伏系統(tǒng)退出運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)輸出有用功增大，諧波得不到補(bǔ)償致波形畸變嚴(yán)重。圖6c和圖7c分別為在以上兩種控制方式下得到的直流側(cè)電容電壓。圖6c和圖7c比較可得：采用本文提出的控制方式，當(dāng)光伏輸出功率變化時(shí)，電壓重新穩(wěn)定約需0.015 s；而利用文獻(xiàn)[5]提出的控制方法，在光伏輸出的功率浮動(dòng)時(shí)，電壓達(dá)到穩(wěn)定約需0.03 s。因而，本文提出的最大有功輸送理論更有助于直流側(cè)電壓穩(wěn)定且電壓波動(dòng)更小。

圖6 本文提出的最大功率的控制方式下得到的仿真波形

圖7 文獻(xiàn)[5]提出的控制方式下得到的仿真波形

4 結(jié)束語

本研究不僅實(shí)現(xiàn)了光伏電源的并網(wǎng)，而且抑制了非線性負(fù)載投入使用所引起的電網(wǎng)電流波形畸變，從而提高了電能質(zhì)量。通過本裝置可把光伏電源發(fā)出的最大功率瞬間送入電網(wǎng)，對(duì)光伏電源的利用效率大幅增加，并且有助于提高光伏直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性。同時(shí)，陰雨或晚上，光伏電源退出電網(wǎng)，這時(shí)實(shí)現(xiàn)有源濾波，改善用戶端的電能質(zhì)量，也減少了對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染。

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