基于改進FBD算法的光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量研究

解玖霞

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基于改進FBD算法的光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量研究

解玖霞

（東營職業(yè)學院，山東東營 257000）

針對光伏在并網(wǎng)過程中會產(chǎn)生大量諧波，本文提出一種基于改進FBD算法的光伏并網(wǎng)諧波檢測方法，能夠改善傳統(tǒng)FBD算法檢測諧波電流時誤差較大的缺點。仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)精度更高、響應速度更快。

光伏并網(wǎng)；諧波檢測；FBD算法

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球能源消費總量日益增加，開發(fā)可再生能源成為解決能源問題的重要方式之一。目前發(fā)展比較普遍的可再生能源有太陽能、風能、生物能、海洋能等。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，地球40min接收的太陽光照能量能夠為全球提供一年的用電量，并且具有安全、無污染的特點，因此，光伏發(fā)電越來越受到人們的關(guān)注[1]。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電，再通過并網(wǎng)逆變器將直流轉(zhuǎn)變成與配電網(wǎng)同相位、同頻率的正弦交流電并入配電網(wǎng)。然而在逆變的轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生大量的諧波，如果諧波疊加到繼電保護的整定值上，就會引起保護裝置的誤動作，造成電力系統(tǒng)運行可靠性的降低。如果諧波頻率與電力系統(tǒng)中變壓器或者電容器容抗的頻率相同，就會導致諧振發(fā)生，產(chǎn)生很大的電流或者電壓，造成電力設備的損壞。由此可見，光伏并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波對配電網(wǎng)造成的影響是巨大的，所以必須對系統(tǒng)的電能質(zhì)量進行分析。本文提出一種光伏并網(wǎng)條件下基于改進FBD算法的諧波檢測方法，能夠準確快速的檢測出電網(wǎng)諧波，為后期的無功補償及諧波治理提供理論依據(jù)。

1 光伏并網(wǎng)原理

光伏并網(wǎng)的原理如圖1所示，光伏電池板接收太陽光照，將光能轉(zhuǎn)換為電能，此時的電壓等級未必能夠滿足逆變器的輸入電壓要求，因此加入DC/DC模塊進行電壓等級的轉(zhuǎn)換，逆變器將光伏發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并入交流電網(wǎng)，供電網(wǎng)負載的使用。為了使光伏電池板發(fā)出的電能盡可能多的流入電網(wǎng)，加入MPPT控制器，能夠?qū)夥l(fā)電的最大功率進行追蹤，實現(xiàn)光能的高效率利用。此外，為減小光伏并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響，加入逆變控制器，其作用是采集并入交流電網(wǎng)的電流信息以及光伏的電信息，兩者比較做出決策，發(fā)出驅(qū)動信號控制逆變器，使其產(chǎn)生與交流電網(wǎng)同頻率同相位的電流信息，此時并入電網(wǎng)，能夠大大避免諧波的產(chǎn)生。

2 改進FBD算法的電能質(zhì)量檢測

2.1 光伏并網(wǎng)最大功率追蹤控制電路

受光照以及溫度等外界環(huán)境的影響，光伏電源的輸出具有非線性的特點。如在晴天、雨天、陰天等不同自然條件發(fā)生時，或者一天24h不同光照強度下，光伏電池板的輸出功率會隨之改變，工作電壓也會發(fā)生動態(tài)變化，則整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率將會發(fā)生變化，為了實現(xiàn)光能的高效率利用，應當尋求光伏電池板的最佳工作狀態(tài)，最大限度進行光電轉(zhuǎn)換。因此，要時時調(diào)整光伏電源的工作點，使其始終工作在最大功率點，保證光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率輸出，實現(xiàn)最大功率追蹤（MPPT）[4]，具體原理如圖2所示。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 MPPT原理示意圖

圖中曲線1、2為光伏電源在不同光照強度下的輸出特性曲線，負載1、2為負載曲線，、為最大功率點（MPP）。假設在某一時刻，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運行在曲線2的最大功率點處，由于光照強度減少，光伏電源的輸出曲線由2變?yōu)?，在保持負載2不變的條件下，系統(tǒng)運行在點，此時的運行狀態(tài)不是該光照強度下的最大功率點。為了使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運行在該光照強度下的最大功率點處，應當將負載2變化為負載1。同理，如果光照強度增加，光伏電源的輸出曲線由1變?yōu)?，工作點由變?yōu)椋儞Q負載，使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在增加光照強度的情況下運行在最大功率點處，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤。

具體地如圖3所示，傳統(tǒng)的電導增量法步長設置固定而且比較大時，存在穩(wěn)態(tài)波動大的缺點，而步長設置比較小時跟蹤速度又會降低，為了克服上述缺點，在控制過程中加入功率隨電壓變化率的檢測裝置，當變化率大于設定值時，增大步長，快速進行追蹤，當變化率小于設定值時，說明將要接近最大功率點，此時減小步長，增大了跟蹤精度，加快了響應速度。本研究中，光伏并網(wǎng)的電流為一模擬量，通過一定的算法將其轉(zhuǎn)變成相應的數(shù)字量（光伏有功直流分量）并入到諧波檢測電路中。

2.2 光伏并網(wǎng)條件下的改進FBD算法電流檢測及應用

傳統(tǒng)FBD檢測法基本思想是，把實際電路中的各相負載等效為串聯(lián)在各相的等值電導元件，認為電路中的所有功率都被等效電導所消耗，沒有其他能量損耗，再通過等效電導來分解電流得到諧波電流。其瞬時功率和等效電導不是利用三相電壓直接得到，而是由PLL獲取與三相電壓基波同相位的基準電壓進行計算求出。但是有關(guān)研究表明，由于傳統(tǒng)FBD中鎖相環(huán)（PLL）這一模擬電路的存在，使得提取的三相基準電壓信號并不能消除與理論值之間的誤差，因而在獲取三相基本正序有功電流的幅值和相位時始終與理論值之間存在誤差，不能精確的獲取諧波電流，影響濾波效果[2]。為了消除此影響，本文提出一種無鎖相環(huán)的FBD諧波電流檢測方法，并且將光伏發(fā)電的電流加入到系統(tǒng)中，與電網(wǎng)電流一并進行檢測，采用圖4的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 最大功率跟蹤控制圖

圖4 光伏并網(wǎng)條件下改進FBD法電流檢測原理圖

首先，利用瞬時對稱分量法對三相電壓進行變換得到兩相的瞬時正序電壓，通過同步基準變換矩陣計算出與基波正序電壓同相位的基準電壓信號，然后構(gòu)造三相對稱單位正弦信號，此結(jié)構(gòu)不需鎖相環(huán)（PLL）及余弦發(fā)生器等模擬電路，省去了硬件花銷，具有更好的實時檢測功能以及更高的檢測精度[3]。

在三相電路中，對于任意一組不對稱的三相相量（電壓或電流）都可以分解為三組對稱的相量，本研究選取A相為基準相，得到三相電壓與其對稱分量之間的對應關(guān)系

為A相正序、負序、零序電壓的瞬時值，將運算子帶入矩陣計算得

（2）

同理可得B、C相正序電壓瞬時值，則

當電網(wǎng)的三相電壓不對稱時，可以通過解耦用正序、負序、零序來表示，如下式所示：

（4）

則A、B相正序的電壓瞬時值可以表示為

圖4中，同步基準變化矩陣表示如下：

（6）

根據(jù)FBD法的計算原理，首先構(gòu)造與電網(wǎng)同步的三相單位正弦信號、、作為參考電壓信號，通過三相負載電流、、與三相單位正弦信號的相關(guān)計算得到三相瞬時正序有功電導，通過低通濾波器濾除高次諧波，得到直流電導分量，與已濾除高次諧波后得到的光伏有功直流分量相減，所得結(jié)果與三相單位正弦信號相乘得到光伏并網(wǎng)后的三相基波正序有功分量、、，三相負載電流與三相基波有功分量相減得出三相諧波電流、、。

3 仿真分析

搭建改進FBD算法的諧波檢測電路仿真模型，并將基于改進電導增量法的最大功率追蹤光伏并網(wǎng)電路加到諧波檢測電路中，最終檢測的光伏并網(wǎng)后的電網(wǎng)諧波電流[5]。

具體地，通過Matlab/Simulink軟件對三相不對稱系統(tǒng)以及光伏接入系統(tǒng)進行建模仿真，如圖5所示，其中，三相交流線電壓設置為380V，頻率為50Hz；負載采用帶阻感的整流電路，電阻設置為25W，電感設置為20mH；逆變器直流側(cè)電壓設置為700V；光伏并網(wǎng)電路的參數(shù)設置如下：m=125W/m2、sc=7.34A、oc=36.4V、m=6.92A、m=28.6V，升壓斬波電路設置參數(shù)為：=10×10-3、1=100×10-5、=300×10-6、=40W。采樣時間為0.0005s，算法采用ode23t，步長為=0.02，m=0.001。光伏電池輸出功率隨電壓變化率等于零時，輸出功率最大[6]，所以門檻值應取一個比較接近于零的值，這里取門檻值=0.5。

圖6為檢測到的三相諧波電流波形，可以看出，改進FBD法得到的波形與理論值基本重合，效果較好。

圖5 光伏并網(wǎng)的諧波檢測電路仿真模型

圖6 光伏并網(wǎng)后三相諧波電流

圖7為光伏并網(wǎng)后基于改進的FBD法進行的三相基波有功電流仿真圖，從圖中可以看出，電流半個工頻周期內(nèi)就能達到平穩(wěn)狀態(tài)，動態(tài)響應速度快，并且三相電流對稱性高，由于不像傳統(tǒng)FBD法受相位差的影響，所以改進的FBD法檢測三相基波有功電流的相位和幅值避免了誤差的產(chǎn)生[8]。

圖7 光伏并網(wǎng)后三相基波有功電流

4 結(jié)論

本系統(tǒng)在考慮光伏最大功率追蹤并網(wǎng)的條件下，基于改進FBD算法對三相基波有功電流及三相諧波電流進行檢測，避免了傳統(tǒng)FBD算法使用鎖相環(huán)導致的檢測誤差，系統(tǒng)精度更高、響應速度更快，適用于電網(wǎng)的三相不對稱系統(tǒng)。

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Research of Photovoltaic (PV) Grid Power Quality based on the Improved FBD Algorithm

Xie Jiuxia

(Dongying Vocational Institute, Dongying, Shandong 257000)

For the photovoltaic produce a large number of harmonicsin the process of grid will,this paper proposes a harmonic detection method of photovoltaic grid based on improved FBD algorithm, which can overcome the shortcomings of detecting harmonic current used the traditional FBD algorithm. The simulation results prove that the system has higher precision and faster response.

photovoltaic grid; harmonic detection; FBD algorithm

解玖霞（1968-），數(shù)學教育，工程師，研究領(lǐng)域為數(shù)學及其教學研究。