含電能質量調節功能的三相四線制光伏系統

皮琪力，張長征

(湖北工業大學太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068)

太陽能作為一種可再生清潔能源，如果能夠得到充分利用，將有效緩解目前的環境和能源問題[1]。隨著電力系統的發展，由于大量單相負載和分布式微電網的并網，配電網中存在著比較嚴重的諧波、無功以及不平衡電流，損耗大量電能，影響電力設備以及電力系統的安全穩定運行[2-3]。針對以上兩個熱點問題，研究了一種能夠調節配電網電能質量的三相四線制光伏系統，將光伏發電和配電網電能質量調節兩者有機地結合起來，在發展清潔能源的同時，對配電網的諧波、無功以及三相不平衡電流進行有效補償，提升配電網的電能質量。

1 系統結構及工作原理

本文設計的三相四線制光伏系統(圖1)主要由分布式發電部分、分布式儲能部分以及并網變流器部分組成。分布式發電部分采用MPPT控制技術，使光伏組件的發電率最大化[4]。分布式儲能部分采用了一種能量綜合管理控制策略，實現控制光伏系統并網變流器的工作狀態以及儲能部分的快速充放電。并網變流器部分采用三相四線制結構，實現與電網的能量交換以及對配電網的電能質量調節。其中分布式發電和分布式儲能部分都采用了三電平DC/DC變換器與直流母線進行能量交換，以及直流母線的中性點不平衡抑制，因此并網變流器不需要制定相應的策略來平衡直流側中性點電壓，從而簡化了并網變流器的結構和控制策略，提高了與電網能量交換的效率以及對配電網的電能質量調節能力[5]。

圖1 三相四線制光伏系統結構圖

2 三電平DC/DC變換器

DC/DC變換器是電能轉換和傳輸的重要部件，其中兩電平DC/DC變換器的容量較小、開關損耗較大，并不適合本系統發電和儲能部分的要求[6]。因此本系統采用了一種新型的三電平DC/DC變換器，來滿足大容量、高電壓光伏系統的要求[7]。

2.1 DC/DC變換器的結構及工作原理

圖2 三電平DC/DC變換器主電路拓撲結構

系統采用的三電平DC/DC變換器拓撲結構(圖2)。該拓撲結構由一個三電平單元、輸入端濾波電容Cf、輸出端兩個電容器C1、C2組成。這種三電平DC/DC變換器結構簡單，穩定性高，可以滿足分布式發電部分大容量、高電壓的特點，也能夠滿足分布式儲能部分快速充放電的要求[8]。而且變換器是模塊化的，可以并聯增大系統容量，具有很強的靈活性[9]。

通過改變四個開關管的工作狀態，三電平DC/DC變換器可以實現四種工作模式。本文以開關管的導通編號對變換器的工作模式進行命名，例如當S2、S3導通，S1、S4沒有導通時，變換器的工作模式就命名為23模式(圖3)。

圖3 四種工作模式

三電平變換器的固有結構導致其存在中性點不平衡的問題，嚴重影響系統的正常運行[10]。本文所設計的三電平DC/DC變換器，可以在以上四種模式上轉換。通過簡單分析可知，當直流側中性點不平衡時，只需要切換到13或者24工作模式，并使變換器工作在該模式持續一段時間，就可以調整中性點電壓為平衡狀態。

2.2 DC/DC變換器的調制策略

根據三電平DC/DC變換器的拓撲結構，經對比分析，本文采用了多載波脈寬調制策略，具體如下：將兩個調制波分別與兩個相位相差180度三角載波信號相交，然后比較得出所需要的PWM波。利用這種調制方法，可以實現兩個調制波的平衡，這也就實現了變換器的中性點電壓平衡[11]。

本文d是主控占空比，d1和d4分別表示由控制器生成開關管S1、S4導通的占空比值。通過與不平衡信號d1和d4進行調制，分別與反向的三角載波進行相交比較后得到變換器平衡的主占空比d。在變換器中性點電壓不平衡時，為了驗證調制策略的正確性，需要分別考慮d>0.5，d=0.5，d<0.5三種情況。

圖4 開關信號波形

2.3 DC/DC變換器的控制方法

結合DC/DC變換器拓撲結構以及采用的調制策略，本文根據實際情況，采用了電壓外環、電流內環的雙閉環控制策略。其中電壓外環用于保持直流母線的電壓于穩定狀態，實現無電壓差，電流內環實現實時的響應，提升整個系統的響應速度。下面分別對分布式儲能和分布式發電部分中的三電平DC/DC變換器的控制方法進行說明。分布式儲能部分的雙環控制如圖5所示。

圖5 控制結構框圖

3 三相四線并網變流器

前文分析了三電平DC/DC變換器的中性點不平衡抑制能力，本文所設計的三相四線并網變流器不需要再考慮直流側中性點不平衡問題。因此，本系統在單個三電平單元的基礎上，研究設計了一種二極管鉗位型三相四線并網變流器。

3.1 并網變流器的拓撲結構及工作原理

拓撲結構(圖6)由三個二極管鉗位的三電平橋臂、兩個直流側電容器C1、C2、輸出連接電感Ls組成，其中Rs為三相線路的等效電阻，RN為中線的等效電阻,每個橋臂都可以獨立控制，都可以獨立地工作在三種工作狀態，輸出的相電壓分別為Udc/2、0和-Udc/2[12]。

圖6 三相四線制并網變流器主電路拓撲結構

三相四線并網變流器采用電流控制方式，通過調節輸出電流與電網電壓的頻率和相角相同，使得光伏系統發出的有功功率并入電網。通過合理的控制方案可同時實現并網和電能質量調節兩個功能。具體而言，就是通過檢測負載交流母線上的無功、諧波和不平衡電流分量，再通過一定的算法將其換算成補償電流的指令信號，最后與并網變流器所需要向電網注入的有功電流指令信號相合成，從而得到最終的并網電流指令信號，這樣就實現了利用一套并網裝置集成光伏并網發電和電能質量調節兩種功能。

3.2 指令信號運算

通過前文分析可知，光伏系統同時實現光伏發電和電能質量調節的關鍵就是要得到集成逆變有功電流和不平衡補償電流的并網電流指令。傳統上，實現三相不平衡補償，通常采用零序電流分離法[13]。首先分析三相四線制系統中的零序電流，三相四線制系統中的三相電流為ia、ib、ic，其中a、b、c三相的零序電流分量相等，因此整個系統中總的零序電流

各相中的零序分量i0去除,則：

零序電流分量去除后的三相電流只含有正序分量和負序分量，可以表示如下：

同時又有：

現在利用基于瞬時無功功率理論的ip、iq檢測方法進行檢測，可以得到基波的正序分量如下式：

用負載電流ia、ib、ic減去基波正序電流分量，就可以得到補償指令電流信號，補償信號包含無功功率、諧波、基波負序電流和基波零序電流，補償信號用iar、ibr、icr表示，其關系可見下式：

由于本系統還要實現光伏并網的基本功能，所以需要比上述指令算法多考慮一個并網變流器直流側電壓穩定性的問題[14]。因此，在有功電流經LPF濾波后加入了一個反饋環節，對逆變裝置直流側電壓進行了穩定控制。指令信號運算電路見圖7。

圖7 指令信號運算電路

4 建模與仿真

根據上述調制策略及控制原理，對整個三相四線制光伏系統進行建模與仿真。其中，直流母線電壓為1200 V，光伏組件最大電壓為500 V，蓄電池端電壓為600 V。圖8是分布式發電部分經過MPPT算法后的輸出電壓，可以看出0.05 s之后光伏電池板輸出電壓Vref穩定在500V，MPPT算法正確有效。

圖8 分布式發電MPPT控制

圖9是對本系統分布式儲能部分的能量雙向流動的仿真。可以看出，在0.1 s前P負載=P母線+P電池，母線電源和儲能部分共同為直流負載提供電能，蓄電池為放電狀態。0.1 s后P母線=P負載+P電池，母線電源為直流負載和儲能部分一起供能，儲能部分處于充電狀態。因此分布式儲能部分可以實現能量的雙向流動。

圖9 蓄電池、負載和母線的功率

圖10是對三電平DC/DC變換器中性點電壓的仿真分析，可以看出初始狀態下中性點電壓不平衡，但是在0.1 s時采取雙閉環控制法后，中性點電壓在短時間內達到平衡，中性點不平衡抑制有效。

圖10 三電平DC/DC變換器中性點電壓

圖11是光伏系統對配電網的無功補償、不平衡補償以及諧波治理的仿真分析，可以看出，初始時配電網A相電壓和電流不同相位，而且存在諧波和不平衡電流，在0.1 s時，并入光伏系統，配電網電壓、電流變為同相位，并且三相電流變為標準的三相交流電。

圖11 補償前后配電網的電壓、電流波形

圖12是對微電網與配電網有功交換的仿真驗證。0.2 s前微電網處于獨立狀態，電網電流僅由三相負載值決定。0.2 s到0.3 s，微電網將多余的能量并入配電網，配電網三相電流增大。0.3 s到0.4 s，微電網從配電網獲取能量，配電網三相電流減小。

圖12 配電網的三相電流波形

5 結論

本文所研究的三相四線制光伏系統在發電和儲能部分采用了一種新型的三電平DC/DC變換器，并提出了中性點抑制的調制策略和控制方法。在并網部分采用了一種新型三相四線并網變流器，并提出了相應的控制方法，實現了與配電網雙向有功交換的同時，對配電網的無功、諧波以及不平衡負載進行補償，提升了電網電能質量。