文 文

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴陽(yáng) 550000）

隨著傳統(tǒng)化石能源的不斷衰竭，新能源發(fā)電技術(shù)呈現(xiàn)出越來(lái)越快的發(fā)展趨勢(shì)。而這些新能源中將會(huì)有較大一部分以分布式發(fā)電形式接入在電網(wǎng)中，這些通過并網(wǎng)逆變器并入低壓電網(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)對(duì)低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行與管理產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。然而，在另一方面，如果能將這些并網(wǎng)逆變器功能與電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在向電網(wǎng)注入用功電能的同時(shí)，還能對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，將會(huì)取得較大的收益。

并網(wǎng)逆變器可以分為電壓型并網(wǎng)逆變器[1]和電流型并網(wǎng)逆變器[2]，對(duì)于電壓型并網(wǎng)逆變器，其與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的輸出控制可分為電壓控制[3]和電流控制[4]。并網(wǎng)輸出采用電壓控制時(shí)，實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種情況下必須要保證逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相，其控制較為復(fù)雜，尤其是在配電網(wǎng)中，電網(wǎng)電壓經(jīng)常會(huì)有較大的畸變，很難達(dá)到預(yù)期效果。而如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需要控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，同時(shí)設(shè)定輸出電流的大小，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。由于其控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，效果也比較好，因此使用廣泛。并且采用電流控制時(shí)，還可以控制逆變器在輸出正弦有功電能的同時(shí)，向電網(wǎng)注入相應(yīng)的無(wú)功和諧波電流，用以改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

目前，已有不少文章對(duì)并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的統(tǒng)一控制進(jìn)行了研究。然而，這些研究大多是針對(duì)三相三線制系統(tǒng)[5-7]或單相系統(tǒng)[8]，對(duì)于三相四線制并網(wǎng)系統(tǒng)的研究卻很少。在三相四線制系統(tǒng)中，除了由諧波和無(wú)功產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題外，還有不平衡電流產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題。不平衡電流會(huì)導(dǎo)致三相電壓不對(duì)稱、線路以及變壓器損耗增大，甚至在不平衡度過大時(shí)，導(dǎo)致中線電流過大而燒毀中線[9]，從而威脅到電氣設(shè)備的正常運(yùn)行?；诖耍疚囊阅壳把芯枯^多的新能源之一——太陽(yáng)能為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種三相四線制光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸出采用電流控制。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，除了向電網(wǎng)輸出正弦有功電流外，還可以對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功和不平衡電流進(jìn)行補(bǔ)償，并且對(duì)諧波具有一定的抑制作用，從而達(dá)到改善電能質(zhì)量的目的。并且該系統(tǒng)在夜間光伏電池不能發(fā)電的狀態(tài)下，繼續(xù)以有源濾波器的狀態(tài)工作，有效提高了并網(wǎng)逆變器的利用率。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

光伏并網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由光伏電池板、一個(gè) DC/DC（Boost）變換器以及一個(gè)DC/AC變換器（逆變器）構(gòu)成。其中Boost變換器負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能電池組件的寬范圍直流輸出電壓變換為并網(wǎng)逆變器所需要的穩(wěn)定的直流母線電壓，并實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）；三相四線制的并網(wǎng)逆變器，負(fù)責(zé)將光伏電池發(fā)出的電能以交流電的形式送入電網(wǎng)，供負(fù)載使用。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1.1 光伏電池的仿真模型

圖2是光伏電池等效模型[10]。它由理想電流源Isc，反向并聯(lián)二極管D、串聯(lián)電阻 Rsh和并聯(lián)電阻 Rs構(gòu)成。其中 Isc的值等于電池的短路電流，其大小反映了光伏電池所處環(huán)境的日照強(qiáng)度。日照越強(qiáng)， Isc越大；反之越小。式（1）是光伏電池的I-V特性關(guān)系方程。

式中， Tc是電池內(nèi)部絕對(duì)溫度，V是光伏電池輸出電壓， Id0是二極管飽和電流， Rsh是內(nèi)部并聯(lián)電阻，Rs是內(nèi)部串聯(lián)電阻，q是電子電荷，為1.602×10-19C，A是二極管系數(shù),通常為1.0～3.0，k是波爾茲曼常數(shù)，k=1.38058×10-23J，n是多個(gè)電池串聯(lián)系數(shù)。

圖2 光伏電池的等效電路

圖3是根據(jù)上述仿真模型在PSIM6.0中搭建起仿真電路得到的光伏電池的I-V和P-V曲線，可見該仿真模型可以較好的反應(yīng)光伏電池的特性。

圖3 光伏電池的I-V、P-V特性曲線

1.2 并網(wǎng)逆變器拓?fù)涞倪x擇

三相四線制并網(wǎng)逆變器的拓?fù)漕愃朴谌嗨木€制有源電力濾波器[11]，主要有三種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即電容器中分式、四橋臂式以及三單相全橋式[12]。已經(jīng)有不少文章對(duì)這三種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)進(jìn)行比較[13]，電容器中分式結(jié)構(gòu)由于中線電流完全流入電容，且兩個(gè)電容電壓之間不均衡，需要額外的均壓控制，所以這種補(bǔ)償能力有限，適用于中線電流較小的場(chǎng)合；四橋臂式結(jié)構(gòu)單獨(dú)利用一個(gè)橋臂對(duì)中線電流進(jìn)行控制，控制效果以及對(duì)中線電流的補(bǔ)償能力均要優(yōu)于前者，其主要的控制難點(diǎn)在于中線橋臂開關(guān)狀態(tài)的選擇；三單相全橋式結(jié)構(gòu)由于各相完全解耦，控制最為靈活和簡(jiǎn)單，并且補(bǔ)償功率大，雖然完全從技術(shù)角度上考慮是最優(yōu)選擇，但是由于需要隔離變壓器進(jìn)行并網(wǎng)以及開關(guān)器件個(gè)數(shù)眾多，成本過高。本文的設(shè)計(jì)采用四橋臂式結(jié)構(gòu)作為逆變器主電路，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 四橋臂逆變器主電路

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源濾波的統(tǒng)一控制

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，光伏電池以直流源的形式，為并網(wǎng)逆變器提供電能，并網(wǎng)逆變器采用電流控制方式，以電流源方式向電網(wǎng)注入功率，傳統(tǒng)的方式是將輸出電流控制為與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波，以達(dá)到向電網(wǎng)注入有功功率的目的。由于常規(guī)并網(wǎng)逆變電源直流母線電壓控制與有源濾波器的直流母線電壓的電壓控制方式是一致的，即通過調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流有功電流分量的大小和方向來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓[14]，并且它們的輸出都是采用的電流跟蹤控制。因此，兩者的統(tǒng)一控制是可行的，通過檢測(cè)負(fù)載交流母線上的無(wú)功、諧波以及不平衡電流分量，并將其換算為補(bǔ)償電流指令，與逆變器所要輸出的有功電流指令相合成，即可得到最終并網(wǎng)電流指令，經(jīng)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的統(tǒng)一控制。

圖5 光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源濾波的統(tǒng)一控制

并網(wǎng)逆變器采用電壓控制為外環(huán)、電流控制為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。電壓外環(huán)穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓，如圖中虛線框內(nèi)所示部分，利用直流側(cè)實(shí)際的檢測(cè)電壓 Udc與直流側(cè)參考電壓的誤差經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)后的輸出來(lái)調(diào)節(jié)電流內(nèi)環(huán)的線電流參考給定幅值信號(hào)，用以抑止直流側(cè)電壓的波動(dòng)；為逆變器所要輸出的并網(wǎng)有功電流的幅值，它是與MPPT環(huán)節(jié)中所計(jì)算出的每一時(shí)刻的最大功率相對(duì)應(yīng)的，用以保證光伏電池發(fā)出的功率與并網(wǎng)逆變器的輸出功率相等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡。電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的跟蹤控制，并保證電流跟蹤的快速性以及較小的誤差。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)以及并網(wǎng)電流的綜合控制，其關(guān)鍵技術(shù)是電網(wǎng)無(wú)功、諧波以及不平衡電流的檢測(cè)，并將檢測(cè)的指令信號(hào)與并網(wǎng)電流指令信號(hào)合成。為了保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)功電流補(bǔ)償?shù)目焖俜磻?yīng)。在電流檢測(cè)完成的基礎(chǔ)上，其各相檢測(cè)值作為補(bǔ)償電流的指令值，與直流電壓環(huán)輸出并網(wǎng)電流的有功分量合成，作為調(diào)節(jié)器輸出電流指令。

3 指令信號(hào)的檢測(cè)與控制

對(duì)于三相四線制系統(tǒng)的諧波、無(wú)功以及不平衡電流的檢測(cè)，目前采用較多的是基于瞬時(shí)無(wú)功功率的檢測(cè)方法[15]，以ip-iq法為代表的瞬時(shí)無(wú)功功率理論的突出優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)電路比較簡(jiǎn)單、延遲少,且具有很好的實(shí)時(shí)性。其原理框圖如圖6所示。

圖6 基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波及無(wú)功電流檢測(cè)

設(shè)三相三線制系統(tǒng)三相不平衡電流 ia、ib、ic為

將它們經(jīng)過C32和C矩陣變換并通過低通濾波器濾波后可以得到

傳統(tǒng)的做法是將式（4）進(jìn)行Park反變換和C23變換（如圖6所示）得到三相基波正序電流，即

式中，CT、C23分別為C、C32的逆矩陣。

然后將實(shí)際電流 ia、ib、ic分別與上面得到的三相基波正序電流相減，即可獲得實(shí)際電流中的諧波分量及應(yīng)補(bǔ)償?shù)牟黄胶夥至?，將上述得到的量作為參考值與逆變器實(shí)際輸出的進(jìn)行比較，形成閉環(huán)控制；如果系統(tǒng)需要同時(shí)檢測(cè)無(wú)功分量，則只需將基波有功直流分量I1p經(jīng)CT和C23的逆變換，進(jìn)而獲得實(shí)際電流中的基波有功電流分量，將實(shí)際電流 ia、ib、 ic與其基波正序電流的有功分量相減，即可獲得其中的基波無(wú)功、諧波分量以及不平衡補(bǔ)償分量。

然而由于該逆變器的功能設(shè)計(jì)中要求具有對(duì)電網(wǎng)中的不對(duì)稱電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓δ?，因此，逆變器?shí)際輸出的電流將不再是對(duì)稱的，即有可能同時(shí)含有正序、負(fù)序以及零序分量，采用傳統(tǒng)的控制方法難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)分量進(jìn)行較好的控制，導(dǎo)致實(shí)際的輸出電流存在較大的誤差?；诖耍疚奶岢隽酸槍?duì)三相四橋臂逆變器輸出電流的解耦控制策略，其控制原理如圖7所示。

圖7 三相四橋臂逆變器輸出電流的解耦控制

圖中d、q通道的前饋?lái)?xiàng)Lω id與Lω iq的作用是實(shí)現(xiàn)d軸和q軸電感電流的完全解耦。abc/dq0坐標(biāo)變換與圖6中的CC32矩陣變換基本等效，不同的只是abc/dq0坐標(biāo)變換中多了一個(gè)零序分量分離通道，而這一通道在圖 6中已單獨(dú)給出；dq/abc坐標(biāo)變換與圖 6中的 CTC23矩陣變換完全等效，二者的表達(dá)式如下所示：

4 逆變器工作模式的切換

本文所設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有白天并網(wǎng)發(fā)電、夜晚不停機(jī)繼續(xù)工作在有源濾波器狀態(tài)的兩種工作模式。這兩種工作模式的切換通過檢測(cè)圖6中的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如上所述大小反映了光伏電池所發(fā)出功率的大小，當(dāng)檢測(cè)到小到一定值時(shí)，說明此時(shí)的光伏電池板已經(jīng)基本不發(fā)電了，可以將其切除，并將的值設(shè)為0，則此時(shí)并網(wǎng)逆變器成功的實(shí)現(xiàn)了工作模式的切換，僅工作在有源濾波器的狀態(tài)。

5 仿真研究及結(jié)果

根據(jù)上述對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能的要求，即在實(shí)現(xiàn)注入有功電能的同時(shí)還可對(duì)電網(wǎng)的諧波、無(wú)功以及不平衡性電流進(jìn)行補(bǔ)償，運(yùn)用PSIM6.0仿真軟件對(duì)該系統(tǒng)在三種不同的工作狀態(tài)下進(jìn)行仿真，即只進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、同時(shí)進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)并網(wǎng)發(fā)電以及光伏電池輸出功率突變。仿真時(shí)設(shè)置電網(wǎng)線電壓為380V、頻率50Hz，三相負(fù)載為非對(duì)稱性負(fù)載，且a相負(fù)載為非線性負(fù)載，圖8為逆變器未投入運(yùn)行時(shí)三相電網(wǎng)的電流以及中線電流，從圖中可以看出三相電流存在較大的不平衡性，且中線電流較大。

圖8 逆變器未投入運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)電流（t/s）

圖9為逆變器僅工作電能質(zhì)量調(diào)節(jié)狀態(tài)下在電網(wǎng)電流，此時(shí)的逆變器相當(dāng)于一個(gè)三相四線制有源電力濾波器，起到改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的作用，從圖中可以看出，逆變器投運(yùn)以后，電網(wǎng)電能質(zhì)量得到了極大的改善。

圖9 逆變器工作于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器時(shí)的波形（t/s）

圖10為逆變器同時(shí)工作在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和并網(wǎng)發(fā)電時(shí)的波形，此時(shí)的逆變器在對(duì)電網(wǎng)提供諧波、無(wú)功以和不平衡性電流補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，還向電網(wǎng)注入一定的有功電能，從圖中可以看出三相電流為與三相電壓波形相同的純正弦波形，且由于有功電流的注入，電網(wǎng)電流減??；從c圖中可以看出直流母線電壓是穩(wěn)定的，表明系統(tǒng)工作是穩(wěn)定的。

圖10 逆變器同時(shí)工作于并網(wǎng)和電能質(zhì)量調(diào)解時(shí)的波形（t/s）

圖11為系統(tǒng)中光伏電池輸出功率突變的情況下系統(tǒng)的工作波形，此時(shí)的的負(fù)載電流仍然如圖 8所示，在0.65s出，光伏電池輸出功率突然減小如a所示；由于光伏電池輸出功率的減小，導(dǎo)致其并網(wǎng)電流減小，從而導(dǎo)致電網(wǎng)向負(fù)載提供的電流增大，如圖b所示；圖c為光伏電池輸出功率突然減小的情況下的直流母線電壓，可以看出其仍然是比較穩(wěn)定的，也就是說該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)情況下具有較好的穩(wěn)定性。

圖11 光伏電池輸出功率突變情況下的波形（t/s）

6 結(jié)論

本文為分布式發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種三相四線制光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器將有源濾波器和并網(wǎng)發(fā)電控制相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)，還可以對(duì)電網(wǎng)的諧波、無(wú)功和不平衡電流進(jìn)行補(bǔ)償，從而改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，為配電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善提供了一條新的途徑，并且對(duì)于進(jìn)一步提高三相四線制并網(wǎng)逆變器的靈活性和應(yīng)用范圍具有較大的意義。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性和可行性。

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