基于擾動觀測器的光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量控制

唐楊杰

（中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

光伏發(fā)電具有清潔無污染、儲能豐富的特點，能避免傳統(tǒng)能源損耗大、污染環(huán)境等問題[1-2]。然而，在光伏發(fā)電并網(wǎng)運行過程中，光伏陣列受光照、周圍環(huán)境溫度等的影響，加上電力器件自身運行狀況等因素，并網(wǎng)輸出的電流諧波含量較高、電壓波動幅度較大，導致光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量下降[3]。因此，需及時采用合理的電能質(zhì)量控制方法改善這一問題。文獻[4]提出的功率補償方法在實際光伏發(fā)電工程運行中，并不能有效平衡電能，導致電能使用效率較低，且光伏發(fā)電質(zhì)量得不到顯著提升。而擾動觀測器能有效改善以上問題，通過觀測光伏發(fā)電并網(wǎng)運行中的等效干擾，在電能質(zhì)量控制中引入相應的等效補償，實現(xiàn)對干擾的完全控制。因此，文章開展了基于擾動觀測器的光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量控制研究。

1 光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量控制研究

1.1 建立光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)學模型

文章所提出的光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量控制方法，需要建立光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)學模型，研究電能質(zhì)量問題和相關機理，為后續(xù)對電能質(zhì)量的控制奠定良好的基礎。建立的光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)學模型由2個部分共同組成，即光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電壓波動與光伏發(fā)電并網(wǎng)運行諧波。

1.1.1 光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電壓波動

電壓波動隨光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的波動負荷產(chǎn)生。在電壓波動監(jiān)測中，以周期為單位選擇并網(wǎng)運行波動負荷電壓，并求取被測電壓的均方根值，依據(jù)光伏發(fā)電并網(wǎng)運行時間軸的順序，對求取到的電壓均方根值進行排序，以獲取連續(xù)的電壓波動包絡線[5]。若光伏發(fā)電并網(wǎng)運行中發(fā)生電壓波動問題，包絡線中會出現(xiàn)一系列不規(guī)則線條。選用相對電壓變動量評估光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電壓波動情況，電壓波動值表達式為

式中：Umax、Umin分別表示電壓有效值中的最大值和最小值；UN表示標稱電壓。通過式（1），可以得出光伏發(fā)電并網(wǎng)運行的電壓波動值。

1.1.2 光伏發(fā)電并網(wǎng)運行諧波

光伏發(fā)電并網(wǎng)運行諧波指輸出波形中，頻率為基波頻率整數(shù)倍的各種不規(guī)則波形。設定諧波次數(shù)用h表示，則諧波畸變公式為

式中：?表示光伏發(fā)電并網(wǎng)運行基波角頻率；t表示傅里葉級數(shù)；M表示諧波最高次數(shù)；αh表示光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電壓初相角；Uh表示光伏發(fā)電并網(wǎng)運行初始電壓。

根據(jù)電壓波動與諧波情況，可以掌握光伏發(fā)電并網(wǎng)電能的質(zhì)量，為后續(xù)質(zhì)量控制奠定了良好基礎。

1.2 基于擾動觀測器的電壓電流閉環(huán)控制

建立光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)學模型后，利用擾動觀測器[6-7]，對光伏發(fā)電并網(wǎng)運行過程中的電壓電流實行閉環(huán)控制。基于光伏發(fā)電并網(wǎng)運行經(jīng)典控制理論，建立光伏發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)結構示意圖，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)結構

圖1中，R(s)表示光伏發(fā)電并網(wǎng)閉環(huán)控制參考量；C(s)表示閉環(huán)控制輸出量；D(s)表示閉環(huán)控制擾動量；P(s)表示閉環(huán)控制被控對象；G(s)表示閉環(huán)控制器。其中，閉環(huán)控制擾動量需要利用擾動觀測器實時觀測。電壓電流閉環(huán)控制輸出量的傳遞函數(shù)為

通過不斷調(diào)節(jié)控制器的頻率，使電壓電流閉環(huán)控制參考擾動頻率與實際擾動頻率相匹配，從而對實現(xiàn)電壓電流的精確控制。

1.3 光伏發(fā)電并網(wǎng)無功補償

完成基于擾動觀測器的電壓電流閉環(huán)控制后，采用并聯(lián)的方式對光伏發(fā)電并網(wǎng)運行進行無功補償，以進一步確保電能質(zhì)量。

通過并聯(lián)的方式連接感性阻抗特性裝置與容性阻抗特性裝置，分別負責釋放與吸收光伏發(fā)電并網(wǎng)運行中的能量[8-9]。設定無功補償裝置的運行時間為24 h，在運行時間內(nèi)，捕捉光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所有補償節(jié)點的電壓數(shù)值。根據(jù)電壓數(shù)值捕捉結果，可以自動退出閉鎖，以避免光伏發(fā)電并網(wǎng)運行受電壓變化的干擾影響。由于光伏發(fā)電并網(wǎng)與用電設備負載之間存在明顯的感性特征，可以等效為電感與電阻串聯(lián)電路。基于這一特性，計算光伏發(fā)電并網(wǎng)運行功率因數(shù)

式中：R表示電阻；XL表示等效電路電感。控制光伏發(fā)電并網(wǎng)運行中，發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)與有功比例之間為正相關關系。為了確保功率因數(shù)足夠大，可以采取措施減小無功功率損耗，以達到無功補償?shù)哪康模瑢崿F(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量的控制目標。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

實驗所測得的來源于R光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。R光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)概況如表1所示。

表1 R光伏并網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)概況

設定分布式光伏數(shù)據(jù)采樣頻率為12.8 kHz，進行連續(xù)采樣和采樣周期為10 s的不連續(xù)不連續(xù)采樣。采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)過采集板與LabVIEW軟件上傳至計算機，進行全方位的分析與處理。

2.2 電能質(zhì)量控制結果分析

完成實驗準備后，將文章提出的基于擾動觀測器的光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量控制方法設置為實驗組，將文獻[3]、文獻[4]提出的控制方法設置為對照組1與對照組2。對比3種方法的電能質(zhì)量控制結果，驗證文章提出的電能質(zhì)量控制方法的可行性。

選取光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電壓總諧波畸變率為此次實驗的電能質(zhì)量控制評價指標，計算公式為

式中：H表示光伏發(fā)電并網(wǎng)運行特定階數(shù)；Gn表示光伏發(fā)電并網(wǎng)運行所有諧波分量的有效值；G1表示光伏發(fā)電并網(wǎng)運行基波分量有效值。通過式（5），可以計算出電能質(zhì)量控制效果評價指標。不同電網(wǎng)電壓下對應的電壓總諧波畸變率存在一定差異。由于R光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電網(wǎng)電壓為220 V，光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電壓總諧波畸變率應控制在2.0%以內(nèi)。應用3種電能質(zhì)量控制方法，分別對R光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行6次電能質(zhì)量控制實驗，實驗結果如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電壓總諧波畸變率對比結果

由圖2可知，應用文章所提方法后，測得的6組電壓總諧波畸變率始終小于2.0%，輸出的電能質(zhì)量較高，符合光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量標準。而采用對照組1與對照組2的方法后，電壓總諧波畸變率普遍超出2.0%，電能質(zhì)量較低，諧波畸變率過高會降低光伏并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)電氣設備的使用壽命與性能，控制效果不佳。因此，文章所提方法能有效保障光伏發(fā)電并網(wǎng)運行的安全性和可靠性，具有較高的使用價值。

3 結 論

為提高光伏發(fā)電并網(wǎng)運行的安全性與可靠性，使并網(wǎng)運行輸出電能質(zhì)量達到最佳，文章提出了基于擾動觀測器的光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量控制方法。實驗結果表明，應用文章所提方法能夠有效降低電壓總諧波畸變率，使其符合光伏發(fā)電并網(wǎng)運行電能質(zhì)量標準。同時，該方法能有效抑制諧波，有助于減少光伏發(fā)電并網(wǎng)運行中電壓波動對正常負荷用電造成的不利影響。