基于優化FBD法的分布式光伏并網及電能質量調節的統一控制

焦明曦李 強張 旭

（1.國網長春供電公司發展策劃部，長春 130000 2.國網菏澤供電公司發展策劃部，山東 菏澤 274000 3.山東國研電力股份有限公司，濟南 250000）

基于優化FBD法的分布式光伏并網及電能質量調節的統一控制

焦明曦1李 強2張 旭3

（1.國網長春供電公司發展策劃部，長春 130000 2.國網菏澤供電公司發展策劃部，山東 菏澤 274000 3.山東國研電力股份有限公司，濟南 250000）

為提高分布式光伏發電系統的設備利用率及性能多樣化，研究了一種將光伏并網和無功補償及諧波抑制相柔性結合的統一控制方案。引入并優化了FBD算法，與傳統瞬時無功功率理論相比，省去了復雜的反復坐標變換運算，無需鎖相環及相關電路，節約了硬件成本，提高了系統檢測精度及動態響應能力。在保證光伏并網的同時又改善了電能質量。仿真結果驗證了所提方案的有效性和正確性。

分布式光伏并網；優化FBD法；無功補償；諧波抑制

隨著近代社會在工業及經濟領域的高速發展，傳統化石能源的大量消耗造成的日趨枯竭和嚴重的環境污染問題迫在眉睫。太陽能具有儲量巨大，分布廣泛，綠色無污染等優點，對其進行充分的開發利用可有效緩解當前能源危機，且光伏發電屬于分布式發電范疇，可減輕輸電負擔，提高電力系統的可靠性。但光伏發電因為晝發夜停，也存在著設備利用率低、功能過于單一、經濟性差的缺點。

低壓配電網用戶中存在著大量的非線性負載，不可避免的產生了無功及諧波污染問題，嚴重影響了電網供電質量。有源電力濾波器（APF）能夠實時抑制諧波，動態補償無功功率，但因造價較高、功能單一，其在推廣上受到限制。

鑒于分布式光伏發電系統和APF在拓撲結構及控制策略上存在著較高的相似性，如將兩者功能結合以揚長避短，既可提供有功電能，又能進行濾波和無功補償，改善電能質量，且不增加額外設備投資，則該課題的研究具有非常積極的意義。

1 系統結構的分析

為了實現三相光伏并網和無功補償及諧波抑制的一體化控制，一般多會采用電壓型逆變電路作為研究對象，其主電路拓撲結構及控制原理如圖1所示。

圖1 主電路拓撲及控制原理框圖

圖1中，光伏列陣在一定的光照和溫度條件下輸出直流電能，根據太陽能電池列陣的特性，通過最大功率點跟蹤單元 MPPT結合電壓調節控制器AVR得到與電網電壓同頻同相位的基波有功電流Ipv。基于相關算法對采集到的電流電壓信號進行運算，檢測出需要補償的無功及諧波電流，并與光伏有功分量合成統一控制的復合指令電流，經電流跟蹤單元形成電流內環控制，控制逆變器的輸出以獲得理想的電網電流。

系統主要技術包括最大功率點跟蹤、無功及諧波檢測、指令電流的合成及跟蹤控制。因本文研究焦點在于光伏并網及電能質量調節的柔性結合，所以對最高效率利用太陽能的MPPT不做贅述。

2 統一控制方案的設計

2.1 無功及諧波檢測

統一控制要求光伏并網的同時，實現諧波抑制及無功補償的電能質量調節功能。因此，快速準確的檢測出負載產生的諧波和無功電流并加以補償是本文控制系統關鍵之所在。

1）瞬時無功功率理論

目前，涉及到光伏并網和APF復合控制的論文為了能實時檢測出無功及諧波電流，常會采用基于瞬時無功功率理論的p-q法、dq法及Ip-Iq法，這3種檢測法的重點在于將三相復雜電流通過靜止坐標系和同步旋轉坐標系的變換及反變換，分離出基波有功電流或無功電流。以Ip-Iq法為例，其原理如圖2所示。

圖2Ip-Iq法檢測原理

三相負載電流信號經靜止坐標系變換矩陣C32和同步旋轉變換矩陣C1后，可得含有基波有功/無功直流分量和高次諧波的Ip、Iq，分別通過低通濾波器并反變換后分離出三相基波有功電流或無功電流。如要檢測無功及諧波，只需將三相負載電流信號與基波有功電流信號相減即可，其中：

矩陣中sin(ωt)及cos(ωt)由鎖相環（PLL）及正余弦發生器提供，與Ua需保持同步。

2）FBD法

雖然基于瞬時無功功率理論的電流檢測法具有可靠實用，易于實現的優點，但應用過程中必須使采樣電流信號經過4次坐標系的變換，運算復雜，計算量過大。為此，本文引進了FBD法。

FBD法（fryze-buchholz-dpenbrock）是時域檢測方式中的一種，其理論基礎是：將實際電路中各相負載等效為串聯在各相上的理想電導，并認為電路中的所有功率全都消耗在這個等效電導上。

基于上述理論基礎，采用傳統FBD法進行電流檢測的原理如圖3所示。

首先利用a相電壓經PLL及信號發生器生成與電網同步的幅值為1的參考電壓信號，即

圖3 傳統FBD法檢測原理

采樣得到三相負載電流信號為Ia、Ib、Ic，根據FBD法等效電導的定義，三相瞬時正序有功電導為：

經過低通濾波器LPF濾除高頻諧波后可得直流電導分量為：

再將直流電導分別與三相參考電壓相乘后，即為三相基波正序有功電流：

式中，I11為基波正序電流的幅值；φ11為基波正序電流與電壓的夾角。

同理可計算三相瞬時無功電導：

經過低通濾波器LPF并與三相余弦信號（參考電壓移相90°）相乘即為基波正序無功電流：

將所得基波正序有功電流與無功電流相加為三相基波電流，再用三相負載電流減去基波電流便能得到總的諧波電流。

2.2 FBD法的優化及應用

本文在保留原有FBD法計算量小、實時性好等優點的前提下，提出了改進辦法，并依此合成并網指令電流，實現原理如圖4所示。

圖4 基于優化FBD法合成指令電流

通過采集兩路電壓信號瞬時值，結合三角函數運算構建與電網電壓同頻同相的正、余弦信號，進而獲取FBD法所需的三相對稱的單位正弦信號，省去了鎖相環（PLL）及正余弦發生器等模擬電路，借助數字信號處理的方式減小了模擬電路帶來的檢測誤差，并節省了硬件成本。具體實現方法如下所述：

設定電網電壓理想，其三相瞬時表達式為：

采樣a、b兩相的電壓信號，并根據三角函數關系可得：

其中電壓幅值經推導為：

式（9）中M、N可如下獲得：

結合式（8）、式（9）可得與a相電網電壓同頻同相位的單位正、余弦信號為：

根據三角函數關系及式（11）可構造FBD法中所需的三相參考電壓信號：

因為本文要檢測無功及諧波電流，則只需斷開算法中Gq支路，單運算 Gp支路，再用三相負載電流與求得的基波有功電流分量相減即可。為了實現光伏發電，需將MPPT及AVR得出的基波有功電流加入到算法中。本文選擇在得到Gp的直流分量后，直接與光伏有功直流分量Ipv相減再求指令電流，其公式可表達為：

式中，前一部分為無功及諧波的補償指令電流，后一項為光伏并網基波有功電流。

無論是瞬時無功功率理論還是FBD檢測法，為了濾出直流分量，常會采用低通濾波器，主要分為FIR型和IIR型兩類，其設計將直接影響整個控制系統的精度和速度。但LPF的設計需兼顧截止頻率特性及階數，實現較復雜，且存在固有延遲。為了提高動態響應能力，在此引入均值濾波器理論，主要由積分、延時和增益三個環節構成。

考慮到非線性負載產生的諧波電流多以3、5、7等奇次為主，由式（2）可知，在所有電流分量降階一次后，奇次諧波將成為偶次諧波，如果以 T/2為周期進行積分并計算平均值后，偶次諧波將為零，即可濾出基波降階后的直流分量，其過程如圖 5所示。

圖5 均值濾波器原理

2.3 指令電流的跟蹤控制

為了使逆變器的輸出電流對給定的指令電流進行快速準確的跟蹤，在良好動態性能的前提下，保證光伏有功電流能順利并網，且諧波和無功電流得以最優化補償，則需要逆變控制器具有很好的隨動特性。

鑒于滯環電流控制法響應速度快、跟蹤精度高、無需負載等優點，本文擇其構成電流內環控制單元，將FBD法合成的指令電流作為給定值，以實際并網瞬時電流作為反饋值，通過兩者的偏差量來產生逆變器的驅動信號，使實際輸出電流實時跟蹤指令電流的變化。

3 仿真及結果分析

為了驗證上文所提方案的可行性，利用Matlab/ Simulink仿真軟件搭建了實驗模型。其中，三相交流線電壓為 380V，頻率為 50Hz；當地負載采用帶阻感的三相不可控整流電路，電阻參數為 30Ω，電感參數為15mH；逆變器直流側電壓為700V；逆變器濾波電感參數為5mH；分布式光伏系統多采取就近并網、本地消納的原則，設定與負載間線路長5km，線路電阻為2.585Ω，線路電感為1.014mH。

圖6為補償前的三相電網電流波形，可知由于諧波的存在使得電流畸變嚴重。圖7為補償前a相電壓、電流波形，為了更好的比較兩者相位，將電流大小增益10倍，由圖可知因為電網需提供無功電流，所以電流相位明顯滯后于電壓。

圖 8為優化的 FBD法和瞬時無功理論的 Ip-Iq法對有功電流的檢測，可見改進的FBD法動態響應迅速，在半個工頻周期內即趨于平穩，且檢測出的電流對稱性較好；而Ip-Iq法延遲較大，需近 1.5個周期，且波形幅值不穩。

圖6 補償前三相電網電流

圖7 補償前a相電壓、電流波形

圖8 優化FBD法與Ip-Iq法檢測有功電流的對比

圖9實際為指令電流及逆變器并網電流兩個波形，由圖可見，兩者高度重合，表明了滯環電流控制法的可靠性，完全能保證控制方案實施的精準度。圖 10為補償結果，分兩個階段：前期先投入 APF功能，可見半個周期內電網即提供了負載所需的有功電流，且電網電流對稱無畸變，表明統一控制系統可靠補償了無功，抑制了諧波；控制系統在0.04s時同時投入光伏并網發電，可見電網電流在保證標準正弦波的前提下，向負載提供的有功電流明顯變少了，表明改善電能質量及光伏并網同時成功。圖11為補償后電網 a相電壓、電流（增益 10倍）波形，可見電壓電流同步同相位，則系統可滿足光伏并網時技術規范對功率因數應不小于0.98的要求。

圖9 指令電流及實際并網電流

圖10 補償后三相電網電流

圖11 補償后電網a相電壓、電流

4 結論

為了綜合分布式光伏并網和電能質量調節功能，實現一機多用，提高經濟效益，本文基于FBD法提出了改進，省去鎖相環等模擬電路，減少了硬件成本，提高了精準度；以電流均值理論代替低通濾波器，增強了動態響應能力；采用滯環電流法構成電流內環控制，對光伏并網和無功及諧波指令電流進行了快速準確的跟蹤；與常用的瞬時無功功率法相比，減少了計算量，降低了軟件開銷；最后通過Simulink仿真，驗證了本文統一控制方案的可行性及有效性。

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Unified Control Strategy for Grid-connected Photovoltaic Systemwith Electric Energy Quality Adjustment based on Improved FBD Method

Jiao Mingxi1Li Qiang2Zhang Xu3
(1.State Grid Changchun Power Supply Company Development Planning Department,Changchun 130000;2.State Grid Heze Power Supply Company Development Planning Department,Heze,Shandong 274000；3.Shandong Guoyan Electric Power Co.,Ltd,Ji’nan 250000)

For the purpose of improving the utilization and performance of grid-connected photovoltaic system,this paper studies a unified control strategy for grid-connected photovoltaic and reactive compensation and harmonic suppression.Compared to the traditional theory of instantaneous reactive power,the introduced and improved FBD method does not need the complicated calculation for transformation,and save the cost of hardware because of no need for phase-locked loop and other relevant electronics circuit.This method can enhance the dynamic response capability and accuracy,and improve the electric energy quality meanwhile grid connected photovoltaic.Based on the results of simulation,it proved that the unified control strategy is correct and effective.

grid-connected photovoltaic system;improved method about FBD;reactive compensation;harmonic suppression

焦明曦（1986-），男，吉林省長春市人，碩士研究生，工程師，主要從事電網規劃管理工作。