海廣超，陳　華，金曉虎

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

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兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償控制

海廣超，陳華，金曉虎

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

摘要：光伏并網(wǎng)逆變器為最大限度利用太陽(yáng)能，大部分情況下以接近單位功率因數(shù)運(yùn)行，逆變器控制功能單一。為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)能力，同時(shí)對(duì)本地負(fù)載進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，節(jié)約無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投資，改進(jìn)了三相瞬時(shí)無(wú)功電流檢測(cè)方法，使光伏并網(wǎng)逆變器能夠在光伏發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。并網(wǎng)逆變器模型為電壓型電流源方式并網(wǎng)，逆變器控制方法采用雙閉環(huán)瞬時(shí)矢量控制技術(shù)。仿真結(jié)果表明了該方法可提高光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的能力。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)逆變器；無(wú)功補(bǔ)償控制；瞬時(shí)電流檢測(cè)；雙環(huán)控制

0引言

隨著能源短缺危機(jī)和環(huán)保壓力的不斷增加，需要大力促進(jìn)新能源的開(kāi)發(fā)和利用。太陽(yáng)能以其可再生性、清潔性及取之不盡、用之不竭等的優(yōu)點(diǎn)正發(fā)展成為一種重要的綠色能源[1]。國(guó)務(wù)院頒布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014年～2020年)》中指出要大力發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電，有序推進(jìn)光伏基地建設(shè)，同時(shí)做好就地消納利用和集中送出通道建設(shè)[2]。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功需求通常采用在光伏電站母線(xiàn)上安裝電容器、SVC等裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文以雙級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電為例，對(duì)于最大功率跟蹤采用了增量電導(dǎo)法和積分調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法，改進(jìn)了三相負(fù)載的無(wú)功電流檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)逆變器的控制實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和并網(wǎng)發(fā)電的功能[3- 5]。

1系統(tǒng)控制原理

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的原理如圖1所示，前級(jí)Boost型DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電壓上升和光伏陣列輸出電壓控制，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)部分將完成光伏陣列最大功率點(diǎn)工作電壓和有功輸出電流指令的計(jì)算，后級(jí)DC/AC采用三相全橋逆變電路，經(jīng)濾波和帶本地負(fù)載后并網(wǎng)。逆變器和Boost通過(guò)直流母線(xiàn)電容相連，兩者獨(dú)立控制有利于控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

圖1　兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

控制電路包括DC/DC升壓及最大功率點(diǎn)跟蹤部分和DC/AC逆變器控制部分。太陽(yáng)能陣列輸出為直流源，其V-I和P-V特性曲線(xiàn)隨不同的光照強(qiáng)度和溫度而變化，非線(xiàn)性特征明顯，為了在不增加控制系統(tǒng)硬件成本的基礎(chǔ)上，同時(shí)提高對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤精度，最大功率點(diǎn)跟蹤控制器在電導(dǎo)增量法上加積分調(diào)節(jié)器的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該最大功率跟蹤控制系統(tǒng)可自動(dòng)改變占空比，以在產(chǎn)生所需的電壓中提取最大功率。逆變器采用雙閉環(huán)控制來(lái)維持母線(xiàn)電壓穩(wěn)定和輸出并網(wǎng)電流，通過(guò)對(duì)前級(jí)DC/DC部分電壓調(diào)節(jié)輸出有功指令電流，同時(shí)檢測(cè)負(fù)載上的無(wú)功電流，再通過(guò)電流內(nèi)環(huán)的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和并網(wǎng)發(fā)電。

2并網(wǎng)逆變器模型及控制

由并網(wǎng)逆變器主電路及基爾霍夫定律，可得并網(wǎng)逆變器三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

(1)

式中，ia、ib、ic為三相電感電流；ua、ub、uc為三相逆變器側(cè)電壓；ea、eb、ec為三相電網(wǎng)電壓；L為交流側(cè)濾波電感。

當(dāng)電網(wǎng)三相對(duì)稱(chēng)時(shí)，經(jīng)三相靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，并加入直流側(cè)電容后得到逆變器數(shù)學(xué)模型

(2)

并設(shè)

(3)

得出同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下逆變器數(shù)學(xué)模型為

(4)

(5)

式中，kp、kis為電壓環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)。

電流內(nèi)環(huán)PI控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，PI控制器輸出為

(6)

3諧波及無(wú)功電流檢測(cè)

為了使逆變器能夠?qū)ω?fù)載進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，就需要對(duì)負(fù)載的無(wú)功電流進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)基于ip、iq運(yùn)算方式的諧波無(wú)功電流檢測(cè)方法由于其原理和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此模擬電路和數(shù)字電路均可以方便的實(shí)現(xiàn)[8]。但是傳統(tǒng)方法的檢測(cè)精度一方面要求鎖相環(huán)產(chǎn)生的sinwt、coswt準(zhǔn)確無(wú)誤，另外要求主要部件的參數(shù)對(duì)三相基波電流峰值的靈敏度均大于1，如果不能滿(mǎn)足這兩個(gè)條件，檢測(cè)誤差很大[9]。為此，對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)電路作了改進(jìn)，在低通濾波器LPF后增加PI比例積分調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的精度，使系統(tǒng)的主要參數(shù)對(duì)濾波檢測(cè)精度的靈敏度下降。圖2為改進(jìn)無(wú)功電流檢測(cè)原理框圖。

圖2　改進(jìn)無(wú)功電流檢測(cè)原理

4仿真實(shí)例分析

為了驗(yàn)證整個(gè)控制系統(tǒng)的可行性，搭建matlab/simulink建模仿真平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)條件(25 ℃ 1 000 W/m2)下光伏陣列輸出功率大約為為100 kW，該光伏陣列使用了330個(gè)SunPower模塊(SPR- 305E-WHT-D)。陣列由66串5串并聯(lián)連接的模塊(66×5×305.2 W=100.7 kW)組成。光伏陣列標(biāo)準(zhǔn)條件下，最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為273 V，光伏系統(tǒng)通過(guò)5kHz DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器升高電壓為500 V直流。三相三電平電壓型電流源逆變器把500 V直流電轉(zhuǎn)換為260 V交流電，經(jīng)10 kV·A三相耦合變壓器升壓連接到一個(gè)25 kV電網(wǎng)模型。由于電網(wǎng)中感性負(fù)載居多，本文中逆變器輸出帶阻感性負(fù)載。

圖 3為3 s內(nèi)光照強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)及光伏陣列經(jīng)最大功率跟蹤后功率輸出曲線(xiàn)，其中光照強(qiáng)度曲線(xiàn)單位為W/m2，最大功率跟蹤曲線(xiàn)單位為kW，光照強(qiáng)度曲線(xiàn)0.7～2 s模擬了云層飄過(guò)時(shí)光照強(qiáng)度的變化情況，2.3～2.7 s模擬了光照強(qiáng)度突然變化時(shí)的情況，先減弱再增強(qiáng)，由1 000 W/m2減弱到250 W/m2，經(jīng)0.3 s后由250 W/m2增強(qiáng)到1 000 W/m2，光伏陣列最大功率跟蹤控制在0.2 s開(kāi)始工作，標(biāo)準(zhǔn)條件下跟蹤到100.4 kW，此后最大功率隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，最大功率變化具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，整個(gè)變化過(guò)程中跟蹤效果良好，仿真結(jié)果表明，該功率跟蹤控制能快速跟蹤光照變化，該控制策略策略簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)硬件要求不高。

圖3　模擬光照強(qiáng)度變化及最大功率輸出曲線(xiàn)

圖4直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定曲線(xiàn)，控制器外環(huán)維持直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，0.2 s時(shí)MPPT控制器開(kāi)始工作后直流母線(xiàn)電壓即可維持在參考電壓500 V，說(shuō)明外環(huán)控制能達(dá)到維持直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定的作用，之后云層飄過(guò)時(shí)，母線(xiàn)電壓有小幅變化，光照強(qiáng)度突變時(shí)，母線(xiàn)電壓變化幅度比云層飄過(guò)時(shí)大，這主要是輸出的能量突變對(duì)電容充放電造成的，其變化幅值在允許范圍內(nèi)。

圖4　直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定曲線(xiàn)

圖5逆變器輸出A相電壓電流變化波形圖，0.05 s逆變器開(kāi)始工作，0.05 s之前電壓波形諧波含量少，這主要是此時(shí)的電壓是由電網(wǎng)提供，逆變器開(kāi)關(guān)元器件并沒(méi)有產(chǎn)生諧波。0.05～0.2 s之間輸出電流波形變化較大，是因?yàn)镸PPT控制器還沒(méi)有開(kāi)始工作，輸出電流受功率波動(dòng)的影響，0.2 s后電流波形穩(wěn)定，且逆變器輸出電壓相位超前電流相位。

圖5　逆變器輸出A相電壓電流變化波形

圖6為逆變器輸出的有功功率，并網(wǎng)點(diǎn)有功功率及無(wú)功功率曲線(xiàn)，通過(guò)曲線(xiàn)可以看出逆變器輸出的一部分有功功率被負(fù)載吸收，并網(wǎng)點(diǎn)無(wú)功功率為0，可知逆變器輸出的無(wú)功功率完全補(bǔ)償了負(fù)載的無(wú)功消耗，同時(shí)該仿真曲線(xiàn)還表明云層飄過(guò)和光照強(qiáng)度的突然變化影響的是光伏發(fā)電的有功功率輸出。光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力并不對(duì)負(fù)載的無(wú)功補(bǔ)償效果產(chǎn)生影響。

圖6　逆變器、并網(wǎng)點(diǎn)及負(fù)載功率曲線(xiàn)

圖7 為A相并網(wǎng)點(diǎn)的電壓電流波形，為了便于清楚地觀察電壓電流的相位關(guān)系圖中縮小了電壓的幅值，0.05 s之前逆變器工作在整流狀態(tài)，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓電流反相，0.05～0.2 s逆變器開(kāi)始工作于逆變狀態(tài)向電網(wǎng)輸出電能，0.2 s后電壓電流達(dá)到同頻同相的并網(wǎng)要求。

圖 8為并網(wǎng)點(diǎn)3 s內(nèi)電流輸出波形及其在0.5 s之后的10個(gè)周波的傅里葉分析，由于本文逆變器為電壓型電流源輸出，所以并網(wǎng)點(diǎn)的電壓不會(huì)發(fā)生變化，并網(wǎng)點(diǎn)的電流會(huì)隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的變化而變化，通過(guò)電流輸出波形可知電流幅值的變化趨勢(shì)和光照強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相同，通過(guò)電流的傅里葉分析可知穩(wěn)定時(shí)并網(wǎng)電流的總諧波畸變率(THD)為2.89%小于5%可以滿(mǎn)足光伏發(fā)電電流并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖7　并網(wǎng)點(diǎn)輸出電壓電流波形

圖8　并網(wǎng)電流波形及其傅里葉分析

5結(jié)論

本文通過(guò)兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模仿真，驗(yàn)證該光伏系統(tǒng)采用的最大功率跟蹤方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力良好，跟蹤精度較高，逆變器外環(huán)控制可使直流側(cè)母線(xiàn)電壓保持穩(wěn)定，改進(jìn)了負(fù)載的諧波及無(wú)功電流檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器的有功控制和無(wú)功電流補(bǔ)償，仿真還表明該系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償能力不受光照強(qiáng)度的變化影響，并網(wǎng)點(diǎn)電流諧波失真率可以滿(mǎn)足光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但在有功輸出一定的情況下，逆變器的無(wú)功補(bǔ)償會(huì)增大逆變器的輸出電流，進(jìn)而對(duì)逆變器的容量有更高的要求，因此無(wú)功補(bǔ)償要在逆變器的容量允許范圍內(nèi)補(bǔ)償。

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(責(zé)任編輯高瑜)

Reactive Power Compensation Control for Two Stage Three-Phase Photovoltaic Grid-Connected System

HAI Guangchao, CHEN Hua, JIN Xiaohu

(School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, China)

Abstract:The output power of photovoltaic grid connected inverter usually operates close to unity power factor for the maximum utilization of solar energy, and the inverter control function is single. In order to improve the ability of grid connected photovoltaic power generation system, provide reactive power compensation to local load and save investment of reactive compensation equipment, the three-phase instantaneous reactive current detection method is improved and the photovoltaic grid connected inverter has additional functions of reactive power compensation. The grid connected inverter is a voltage-type current source mode and the control method adopts double closed-loop instantaneous vector control technology. The simulation results show that the proposed method can improve the ability of photovoltaic power generation system to access the network．

Key Words:photovoltaic grid connected inverter; reactive power compensation control; instantaneous current detection; dual loop control

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)01- 0089- 04

作者簡(jiǎn)介：海廣超(1988—)，男，河南漯河人，碩士研究生，主要從事光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)研究．

收稿日期：2015- 07- 09