基于滑窗DFT的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法

陶 蕾，王英林，付佳宇

（中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120）

0 引言

近些年來，清潔能源應用更加廣泛，為人們的用電環境提供了保障。光伏發電是眾多清潔能源中使用最多的能源，對于電能的穩定使用具有重要作用?，F如今，海上運輸較多，大型貨物在海上運輸的時間甚至超過了陸地上運輸的時間。因此，海上光伏發電也受到了廣泛關注。但是，光伏發電同樣存在隱患，當遇到陰雨天氣時，發電穩定性不佳，很容易影響海上運輸效果。針對以上問題，研究人員設計了多種方案，以控制逆變器電流的方式，確保發電穩定性。

有研究人員提出基于有源阻尼電流觀測器的并網逆變器無電流傳感器反饋控制方法。主要是以閉環控制為主，逆變電流出現故障之后，利用相應的模型重構電流，控制電流重構過程變量與電壓變量，從而保證電流的穩定輸出[1]。還有研究人員提出基于擾動觀測器的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法，主要是抑制負載電流擾動，處理電流中的穩態誤差，從而實現電流的跟蹤控制[2]。雖然以上兩種方法均能夠滿足對逆變器電流控制的需求，但是在進行電流控制的過程中容易受到其他因素的影響，逆變器出現快速反應會導致電流參考值會出現大幅度變化，使得逆變器出現穩態偏差，導致電流控制效果不佳[3]。

為了解決上述方法存在的不足，本文在滑窗DFT 的條件下，設計了海上光伏發電并網逆變器電流控制方法。

1 海上光伏并網逆變器電流的滑窗DFT控制方法設計

1.1 確定海上光伏并網逆變器電流控制參數

船舶在海上運行時，海域面積遼闊，太陽能夠從早到晚地廣角照射，保證發電的穩定性[4]。光伏電壓在各個發電單元的并網公共點高壓側，受到線路阻抗、光照強度、逆變器等因素的影響[5]，并網電壓很容易出現大幅度的波動，降低發電穩定性[6]。電網阻抗會造成并網逆變器的電流變化，逆變器的性能逐漸失穩，電流諧波減小，產生的電流諧波引起的諧振問題，是影響逆變器電流控制的主要因素[7]。本文根據海上發電的實際情況，確定逆變器的相關技術參數，如表1 所示。其中，Udmax為最大光伏列陣輸入電壓；Ud為MPPT 電壓范圍；Pout為逆變器交流輸出功率；Uab為并網電壓有效值；f1為電網頻率；fs為逆變器開關頻率[8]。一般情況下，允許電網電壓Uab的范圍為210～310 V，總電流波形畸變率小于5%，即可保證電流穩定性[9]。

表1 逆變器相關技術參數

根據逆變器相關技術參數的變化情況，確定出電流控制參數如下：

式中：Δimax為電流控制參數；Ts為逆變器載波周期；L為逆變器的等效電感。

通過Δimax的變化情況，將電感與電容功率縮小，增加并網電流的控制能力，電流波動畸變率在允許范圍內的基礎上，限制L，從而滿足發電并網電流控制條件[10]。

1.2 基于滑窗DFT消除光伏發電并網逆變電流諧波

滑窗DFT 是一種諧波電流分析方法，逆變器電流控制過程中，僅依靠控制參數無法保證電流控制效果[11]。因此，本文利用滑窗DFT，消除光伏發電并網逆變電流諧波。對于任意的逆變器電流信號n(x)，其滑窗迭代周期為X，周期采樣個數為N，采樣周期表示為s=X∕N，則光伏發電逆變電流的離散變化表示為：

式中：n(ks)為光伏發電逆變電流的離散變化表達式；a0為初始采樣點的電流數據；an為第n個采樣節點的電流數據；λ為離散參數；k為常數；s為采樣周期；bn為第n個采樣節點出現的諧波電流數據。

引入滑窗DFT 算法之后，直接將an數據作為最新的電流數據進行分析，同時淘汰a0，提升電流諧波檢測效率?；癉FT 迭代算法原理如圖1 所示。由圖可知，舊值就是電流初始數據；舊電流數據就是前5 次采集的電流數據；新電流數據就是最近5次采集的電流數據[12]。

引入滑窗DFT迭代算法之后，改進an與bn，公式如下：

式中：Nnew為最新的電流采樣點；n(is)為第i個采樣周期前的采樣數據。

在一個完整的采樣周期內，采樣數據經過與之對應的旋轉因子存儲在連續空間中。在此空間內對不適合的瞬時諧波進行檢測，保證負載電流的控制能力[13]。本文對最新采樣數據進行諧波檢測，諧波信號表示為：

式中：n′(ks)為最新電流數據中的諧波信號。

由于電流采樣頻率較高，計算量較大，本文使用了滑窗迭代簡化計算步驟[14]。當一個完整的采樣周期采樣數據更替之后，滑窗循環指針回到初始位置，開始下一周期的數據循環更替，通過減、加等運算，即可完成諧波消除的迭代工作[15]。在諧波消除完畢之后，本文構建了逆變器電流有源阻尼控制模型，消除連續域內的不穩定極點，從而穩定離散域的電流。模型表達式如下：

式中：D[n′(ks)]為逆變器電流有源阻尼控制模型表達式；ρ4、ρ3、ρ2、ρ1為離散域內的異變電流極點；m4、m3、m2、m則分別為ρ4、ρ3、ρ2、ρ1的離散因子。

通過控制模型，將異變電流極點消除，從而確保逆變器的電流控制效果。

2 仿真實驗

為了驗證本文設計的電流控制方法是否具有使用效能，本文對上述方法進行了實驗。受到海上發電的局限性，本文在實驗室內模擬出海上發電環境，利用追光控制系統，將太陽高度角與方位角還原成海上發電情況，保證本次實驗的有效性。在海上環境仿真完成之后，分別使用文獻[1]基于有源阻尼電流觀測器的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法、文獻[2]基于擾動觀測器的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法，以及本文設計的基于滑窗DFT 的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法，對逆變器電流作出控制。實驗具體過程以及最終的實驗結果如下所示。

2.1 實驗過程

在本次實驗中，采用了Matlab∕Simulink 仿真軟件，搭建出海上光伏發電仿真模型。模型主要是由兩個光伏發電單元和SVG 組成，逆變器選用LCL 濾波控制參數，電流控制參數保持為設定值，電壓控制點選在變壓器10 kV 母線側，保證本次實驗的有效性。海上光伏發電仿真模型如圖2 所示。圖中，A1、A2、A3、A4、A5 為變壓器仿真模型；M1、M2、M3 為線路仿真模型；SVG 為無功補償器。

圖2 海上光伏發電仿真模型

使用上述仿真模型，并分別模擬出晴天、陰天、雨天、風天的光照強度在一天的變化情況。光照強度的模擬時間為9:30-17:30，并根據光照情況設定變壓器的模型參數。變壓器參數如表2所示。

表2 變壓器參數

M1 的線路長度約15 km，電壓約0.27 kV，電阻為0.008 2 Ω∕km，阻抗參數約為3.66×10-6H∕km。M2 的線路長度約10 km，電壓約為0.27 kV，電阻與M1相同，阻抗參數與M1 一致。M3 的線路長度約100 km，電壓約10 kV，電阻約0.270 Ω，阻抗參數為2.50×10-3H∕km。根據上述給定的變壓器參數與線路參數，令逆變器處于正常運行狀態，光伏發電維持在低壓側10 kV母線附近的無功補償容量約為850 kvar?？紤]到逆變器的實際運行情況，將SVG的無功補償容量設定為500 kvar，由此確保逆變器的運行狀態。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，本文隨機選取了多個正常運行的逆變器，其標準電流一致。本文以正常運行的逆變器電流作為標準，在海上光伏發電并網逆變器運行的0.5～1.0 s 之內，對其電流進行控制。分別使用文獻[1]基于有源阻尼電流觀測器的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法、文獻[2]基于擾動觀測器的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法，以及本文設計的基于滑窗DFT 的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法，對逆變器電流作出控制，控制過程中逆變器電流變化情況如圖3所示。

圖3 實驗結果

由此可知，在海上進行光伏發電的過程中，電壓存在穩態偏差，電壓波動較大，逆變器電流波動隨之增加。使用文獻[1]基于有源阻尼電流觀測器的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法之后，將逆變器的電流作出重構，減弱發電并網的穩態偏差，雖然具有一定的效果，但是逆變器電流控制效果與標準電流之間存在微弱差異，很容易出現逆變器電流波動幅度增加，從而發生故障，影響海上發電效果。使用文獻[2]基于擾動觀測器的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法之后，將逆變器的采樣電流進行了穩態控制，在逆變器運行的0.5～1.0 s 之內，功率階躍響應效果更佳，對于電流控制具有一定的效果。但是，該方法主要針對逆變器的功率控制，實際運行時的電流與標準電流仍存在誤差，亟須進一步改進。使用本文設計的基于滑窗DFT 的海上光伏發電并網逆變器電流控制方法之后，是將逆變器電流進行閉環控制，在消除電流諧波的基礎上，減弱逆變器的穩態偏差，控制的電流與標準電流基本保持一致，能夠實現電流的有效控制。由圖3可知，本文方法控制的電流與標準電流相差無幾，更適合應用在海上光伏發電并網逆變控制，符合本文研究目的。

3 結束語

使用光伏發電解決了海上發電的難題，對于海運模式的發展具有重要作用。但是現階段海上光伏發電并網逆變器電流容易出現諧波問題，是影響海上光伏發電的主要因素?，F有的逆變器電流控制方法存在會導致電流參考值會出現大幅度變化，使得逆變器出現穩態偏差，電流控制效果不佳。為此本文利用滑窗DFT 技術，設計了海上光伏發電并網逆變器電流控制方法。從控制參數、諧波電流、控制模型等方面，對逆變器電流進行控制，并通過實驗驗證該方法可在消除電流諧波的基礎上，減弱逆變器的穩態偏差，控制的電流與標準電流基本保持一致，能夠實現電流的有效控制，真正意義上提高海上光伏發電質量。