有源電力濾波與光伏發(fā)電的統(tǒng)一控制研究

王天闊，汪澤明（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州，310030）

有源電力濾波與光伏發(fā)電的統(tǒng)一控制研究

王天闊，汪澤明
（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州，310030）

本文提出一種光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源電力濾波器的統(tǒng)一控制策略，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略在實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)，也能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功及諧波補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能，通過(guò)整合資源，降低成本，推動(dòng)APF和光伏發(fā)電技術(shù)的共同發(fā)展。文中對(duì)APF和光伏并網(wǎng)的統(tǒng)一控制原理、新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變、系統(tǒng)工作原理和控制策略等進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，利用MATLAB/Simulink對(duì)提出的APF和光伏發(fā)電統(tǒng)一控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略的可行性和正確性。

有源電力濾波器；光伏并網(wǎng)，統(tǒng)一控制；諧波補(bǔ)償

0　引言

三相光伏并網(wǎng)發(fā)電和有源電力濾波都有廣闊的前景，同時(shí)也面臨著或多或少的限制。例如應(yīng)用成本較高、經(jīng)濟(jì)效益低、政策支持不完善等等。APF和光伏并網(wǎng)逆變器均是電壓源型逆變器，主體構(gòu)造基本一致。因此在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，本文將其進(jìn)行統(tǒng)一控制。系統(tǒng)在晴朗的日間實(shí)施光伏并網(wǎng)發(fā)電，還可以補(bǔ)償或抑制電網(wǎng)中的諧波與無(wú)功電流；天氣不好或夜晚光伏陣列無(wú)輸出，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可作為APF使用。通過(guò)整合資源，高效利用設(shè)備，促進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)和APF的應(yīng)用發(fā)展。這不僅會(huì)推動(dòng)技術(shù)上的共同發(fā)展，而且能促進(jìn)新能源建設(shè)、環(huán)保和綠色電力的發(fā)展。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1　并聯(lián)型APF原理圖

如圖1所示，APF系統(tǒng)由指令電流運(yùn)算和電流跟蹤控制部分組成。圖2所示為典型單級(jí)光伏并網(wǎng)裝置原理圖，APF和光伏并網(wǎng)裝置在構(gòu)造、功能和控制方式上是一致的，所以可以對(duì)兩者實(shí)施同時(shí)控制。若能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一對(duì)其控制，那么一個(gè)系統(tǒng)中就可以包含多種功能，對(duì)于技術(shù)的推廣有重大意義。

統(tǒng)一控制系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)述如下：電流檢測(cè)部分可以通過(guò)相應(yīng)的算法，檢測(cè)出非線性負(fù)載的諧波和無(wú)功電流，生成上述兩種補(bǔ)償指令電流；通過(guò)跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，最大功率跟蹤控制部分生成并網(wǎng)指令電流，歸并無(wú)功補(bǔ)償以及并網(wǎng)指令電流，然后使用合適的控制方式，把指令電流通過(guò)變流器并網(wǎng)，在實(shí)現(xiàn)電流質(zhì)量的優(yōu)化的同時(shí)也將光伏并網(wǎng)發(fā)電。

圖2　單級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)原理圖

新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。統(tǒng)一控制系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致停運(yùn)時(shí)，可以把直流側(cè)能量立即供給負(fù)載，進(jìn)而可以保證負(fù)載不斷電。

圖3　統(tǒng)一控制系統(tǒng)原理圖

2　變流器的控制策略

電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)統(tǒng)一控制系統(tǒng)以并網(wǎng)模式工作，該工作模式下系統(tǒng)同步完成光伏并網(wǎng)發(fā)電、無(wú)功補(bǔ)償以及諧波治理，此時(shí)變流器以V輸入，I輸出，使變流器輸出電流跟蹤給出的的指令電流，該電壓源型變流器的控制方式方式為電流控制方式。目前這種控制方式主要有：三角波比較控制、滯環(huán)比較控制和無(wú)差拍控制等方式。

在非線性閉環(huán)電流控制方式中，滯環(huán)比較方式使用最廣，它通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生以特定電流為核心的滯環(huán)，其變流器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由反饋電流與給定電流的滯環(huán)比較誤差來(lái)操控。其流程如圖4所示。

圖4　滯環(huán)控制流程圖

為驗(yàn)證本文中滯環(huán)比較方式的準(zhǔn)確性，文章對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。圖5為非線性負(fù)載 相電流電壓波形圖。

圖5　相負(fù)載電壓電流波形圖

仿真時(shí)規(guī)定在 秒以前，只開(kāi)展無(wú)功及諧波治理， s后加入光伏并網(wǎng)發(fā)電。即在 s以前指令電流中僅含有諧波和無(wú)功量， s以后的指令電流中，既有無(wú)功和諧波分量，又有有功分量。A相指令電流波形如圖6所示。圖7為A相注入電網(wǎng)電流波形。觀察圖6和圖7可知，變流器的輸出電流能有效地跟蹤給定的指令電流，可見(jiàn)滯環(huán)方式能取得較好的控制效果。

圖6　相指令電流波形

圖7　相注入電網(wǎng)電流波形

3　仿真結(jié)果分析

依據(jù)本文所提的光伏并網(wǎng)和APF統(tǒng)一控制策略，通過(guò)Simulink對(duì)其進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。A相負(fù)載電流與電網(wǎng)電流波形如圖8所示，通過(guò)結(jié)果可得，雖然負(fù)載電流波形嚴(yán)重畸變，但電網(wǎng)電流波形正弦性較好，說(shuō)明該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功補(bǔ)償。

圖8 相負(fù)載電流與電網(wǎng)電流波形圖

圖9是A相電源側(cè)電流電流電壓波形圖， 以前電流電壓同相位，說(shuō)明電源發(fā)出有功功率， 以后，電流電壓相位相反，說(shuō)明電源吸收有功功率，也說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)出的能量一部分提供給負(fù)載，一部分回饋給電網(wǎng)。同時(shí)，電流電壓的相位關(guān)系也說(shuō)明了指令合成算法的正確性和諧波電流補(bǔ)償效果的有效性。

圖9　相電源側(cè)電流電壓波形圖

4　結(jié)論

文章對(duì)APF和光伏并網(wǎng)發(fā)電的統(tǒng)一控制構(gòu)造和控制策略進(jìn)行了討論，通過(guò)Simulink進(jìn)行了仿真分析，matlab運(yùn)行結(jié)果表明，基于瞬時(shí)無(wú)功理論的指令電流合成算法能準(zhǔn)確地產(chǎn)生諧波、無(wú)功電流和并網(wǎng)電流的合成指令。分析了一種常用的跟蹤型PWM控制方法并對(duì)該方法進(jìn)行仿真，結(jié)果表明滯環(huán)比較控制具有良好的效果，能夠滿足電流控制的要求。APF和光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置可以進(jìn)行統(tǒng)一控制，即可達(dá)到電流質(zhì)量治理的目的又能將光伏并網(wǎng)發(fā)電，在晚上或天氣不好時(shí)，光伏陣列無(wú)輸出，在有源電力濾波模式下才工作，在光照時(shí)，光伏陣列有輸出，系統(tǒng)可將光伏并網(wǎng)發(fā)電，同時(shí)也進(jìn)行有源電力濾波，有力提高設(shè)備的效率和性價(jià)比。

［1］ 陳文杰.光伏并網(wǎng)的有源電力濾波器的研究［D］.三峽大學(xué)，2013.

［2］ 王雪，張建成.可調(diào)度型單相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2012， 40（16）：95-100.

［3］ 楊偉昕.光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤及并網(wǎng)運(yùn)行［D］. 南京航空航天大學(xué)， 2010.

［4］ 金海，梁星星.具有有源電力濾波器功能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究［J］.船電技術(shù)， 2011， 31（5）：4-7.

［5］ 崔偉.基于有源電力濾波器的光伏發(fā)電控制系統(tǒng)研究［J］. 電器工業(yè)， 2011（9）：65-70.

［6］ 張鐵良.有源電力濾波器與光伏發(fā)電的統(tǒng)一控制研究［D］. 合肥工業(yè)大學(xué)， 2007.

［7］ 葉小軍，曾江，王克英，等.并聯(lián)有源電力濾波器雙滯環(huán)電流控制策略［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2009， 37（9）：60-64.

［8］ 魏少華， 王慧貞. 三態(tài)調(diào)制與兩態(tài)調(diào)制逆變器穩(wěn)定性淺析及比較［C］// 華東地區(qū)電源技術(shù)研討會(huì). 2002.

A Control Strategy of APF and PV Generatio

Wang Tiankuo， Wang Zeming
（CHDER，Hangzhou Zhejiang，310030）

This paper proposed a control strategy of APF and PV generation，the new system structure and control strategy can achieve the function of photovoltaic power generation，and compensate the reactive power and harmonics at the same time，achieving multiple functions in a device，through integrating resources，reducing costs，ultimately promoting the common development of APF and photovoltaic technology.In this paper，the combined control theory of APF and PV grid connected generation，evolution of the new system configuration，work principle and control strategy of the system are researched in detail，the combined system proposed is analyzed and verified by simulation with MATLAB/Simulink，the results of the simulation prove the validity and feasibility of the system and control strategy above.

Active power filter；photovoltaic grid connected；combined control；harmonic compensation

TM615

A

王天闊（1992-），男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，主要從事發(fā)電系統(tǒng)電氣專(zhuān)業(yè)二次調(diào)試、檢修、預(yù)試相關(guān)工作。