解玖霞

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基于改進(jìn)FBD算法的光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量研究

解玖霞

（東營(yíng)職業(yè)學(xué)院，山東東營(yíng) 257000）

針對(duì)光伏在并網(wǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，本文提出一種基于改進(jìn)FBD算法的光伏并網(wǎng)諧波檢測(cè)方法，能夠改善傳統(tǒng)FBD算法檢測(cè)諧波電流時(shí)誤差較大的缺點(diǎn)。仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)精度更高、響應(yīng)速度更快。

光伏并網(wǎng)；諧波檢測(cè)；FBD算法

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源消費(fèi)總量日益增加，開發(fā)可再生能源成為解決能源問題的重要方式之一。目前發(fā)展比較普遍的可再生能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能、海洋能等。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球40min接收的太陽(yáng)光照能量能夠?yàn)槿蛱峁┮荒甑挠秒娏浚⑶揖哂邪踩?、無(wú)污染的特點(diǎn)，因此，光伏發(fā)電越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電，再通過并網(wǎng)逆變器將直流轉(zhuǎn)變成與配電網(wǎng)同相位、同頻率的正弦交流電并入配電網(wǎng)。然而在逆變的轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，如果諧波疊加到繼電保護(hù)的整定值上，就會(huì)引起保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，造成電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的降低。如果諧波頻率與電力系統(tǒng)中變壓器或者電容器容抗的頻率相同，就會(huì)導(dǎo)致諧振發(fā)生，產(chǎn)生很大的電流或者電壓，造成電力設(shè)備的損壞。由此可見，光伏并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波對(duì)配電網(wǎng)造成的影響是巨大的，所以必須對(duì)系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行分析。本文提出一種光伏并網(wǎng)條件下基于改進(jìn)FBD算法的諧波檢測(cè)方法，能夠準(zhǔn)確快速的檢測(cè)出電網(wǎng)諧波，為后期的無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理提供理論依據(jù)。

1 光伏并網(wǎng)原理

光伏并網(wǎng)的原理如圖1所示，光伏電池板接收太陽(yáng)光照，將光能轉(zhuǎn)換為電能，此時(shí)的電壓等級(jí)未必能夠滿足逆變器的輸入電壓要求，因此加入DC/DC模塊進(jìn)行電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換，逆變器將光伏發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并入交流電網(wǎng)，供電網(wǎng)負(fù)載的使用。為了使光伏電池板發(fā)出的電能盡可能多的流入電網(wǎng)，加入MPPT控制器，能夠?qū)夥l(fā)電的最大功率進(jìn)行追蹤，實(shí)現(xiàn)光能的高效率利用。此外，為減小光伏并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，加入逆變控制器，其作用是采集并入交流電網(wǎng)的電流信息以及光伏的電信息，兩者比較做出決策，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制逆變器，使其產(chǎn)生與交流電網(wǎng)同頻率同相位的電流信息，此時(shí)并入電網(wǎng)，能夠大大避免諧波的產(chǎn)生。

2 改進(jìn)FBD算法的電能質(zhì)量檢測(cè)

2.1 光伏并網(wǎng)最大功率追蹤控制電路

受光照以及溫度等外界環(huán)境的影響，光伏電源的輸出具有非線性的特點(diǎn)。如在晴天、雨天、陰天等不同自然條件發(fā)生時(shí)，或者一天24h不同光照強(qiáng)度下，光伏電池板的輸出功率會(huì)隨之改變，工作電壓也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，則整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率將會(huì)發(fā)生變化，為了實(shí)現(xiàn)光能的高效率利用，應(yīng)當(dāng)尋求光伏電池板的最佳工作狀態(tài)，最大限度進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。因此，要時(shí)時(shí)調(diào)整光伏電源的工作點(diǎn)，使其始終工作在最大功率點(diǎn)，保證光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率輸出，實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤（MPPT）[4]，具體原理如圖2所示。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 MPPT原理示意圖

圖中曲線1、2為光伏電源在不同光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線，負(fù)載1、2為負(fù)載曲線，、為最大功率點(diǎn)（MPP）。假設(shè)在某一時(shí)刻，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行在曲線2的最大功率點(diǎn)處，由于光照強(qiáng)度減少，光伏電源的輸出曲線由2變?yōu)?，在保持負(fù)載2不變的條件下，系統(tǒng)運(yùn)行在點(diǎn)，此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)不是該光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。為了使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行在該光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)處，應(yīng)當(dāng)將負(fù)載2變化為負(fù)載1。同理，如果光照強(qiáng)度增加，光伏電源的輸出曲線由1變?yōu)?，工作點(diǎn)由變?yōu)?，變換負(fù)載，使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在增加光照強(qiáng)度的情況下運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

具體地如圖3所示，傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法步長(zhǎng)設(shè)置固定而且比較大時(shí)，存在穩(wěn)態(tài)波動(dòng)大的缺點(diǎn)，而步長(zhǎng)設(shè)置比較小時(shí)跟蹤速度又會(huì)降低，為了克服上述缺點(diǎn)，在控制過程中加入功率隨電壓變化率的檢測(cè)裝置，當(dāng)變化率大于設(shè)定值時(shí)，增大步長(zhǎng)，快速進(jìn)行追蹤，當(dāng)變化率小于設(shè)定值時(shí)，說(shuō)明將要接近最大功率點(diǎn)，此時(shí)減小步長(zhǎng)，增大了跟蹤精度，加快了響應(yīng)速度。本研究中，光伏并網(wǎng)的電流為一模擬量，通過一定的算法將其轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字量（光伏有功直流分量）并入到諧波檢測(cè)電路中。

2.2 光伏并網(wǎng)條件下的改進(jìn)FBD算法電流檢測(cè)及應(yīng)用

傳統(tǒng)FBD檢測(cè)法基本思想是，把實(shí)際電路中的各相負(fù)載等效為串聯(lián)在各相的等值電導(dǎo)元件，認(rèn)為電路中的所有功率都被等效電導(dǎo)所消耗，沒有其他能量損耗，再通過等效電導(dǎo)來(lái)分解電流得到諧波電流。其瞬時(shí)功率和等效電導(dǎo)不是利用三相電壓直接得到，而是由PLL獲取與三相電壓基波同相位的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行計(jì)算求出。但是有關(guān)研究表明，由于傳統(tǒng)FBD中鎖相環(huán)（PLL）這一模擬電路的存在，使得提取的三相基準(zhǔn)電壓信號(hào)并不能消除與理論值之間的誤差，因而在獲取三相基本正序有功電流的幅值和相位時(shí)始終與理論值之間存在誤差，不能精確的獲取諧波電流，影響濾波效果[2]。為了消除此影響，本文提出一種無(wú)鎖相環(huán)的FBD諧波電流檢測(cè)方法，并且將光伏發(fā)電的電流加入到系統(tǒng)中，與電網(wǎng)電流一并進(jìn)行檢測(cè)，采用圖4的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 最大功率跟蹤控制圖

圖4 光伏并網(wǎng)條件下改進(jìn)FBD法電流檢測(cè)原理圖

首先，利用瞬時(shí)對(duì)稱分量法對(duì)三相電壓進(jìn)行變換得到兩相的瞬時(shí)正序電壓，通過同步基準(zhǔn)變換矩陣計(jì)算出與基波正序電壓同相位的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，然后構(gòu)造三相對(duì)稱單位正弦信號(hào)，此結(jié)構(gòu)不需鎖相環(huán)（PLL）及余弦發(fā)生器等模擬電路，省去了硬件花銷，具有更好的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能以及更高的檢測(cè)精度[3]。

在三相電路中，對(duì)于任意一組不對(duì)稱的三相相量（電壓或電流）都可以分解為三組對(duì)稱的相量，本研究選取A相為基準(zhǔn)相，得到三相電壓與其對(duì)稱分量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

為A相正序、負(fù)序、零序電壓的瞬時(shí)值，將運(yùn)算子帶入矩陣計(jì)算得

（2）

同理可得B、C相正序電壓瞬時(shí)值，則

當(dāng)電網(wǎng)的三相電壓不對(duì)稱時(shí)，可以通過解耦用正序、負(fù)序、零序來(lái)表示，如下式所示：

（4）

則A、B相正序的電壓瞬時(shí)值可以表示為

圖4中，同步基準(zhǔn)變化矩陣表示如下：

（6）

根據(jù)FBD法的計(jì)算原理，首先構(gòu)造與電網(wǎng)同步的三相單位正弦信號(hào)、、作為參考電壓信號(hào)，通過三相負(fù)載電流、、與三相單位正弦信號(hào)的相關(guān)計(jì)算得到三相瞬時(shí)正序有功電導(dǎo)，通過低通濾波器濾除高次諧波，得到直流電導(dǎo)分量，與已濾除高次諧波后得到的光伏有功直流分量相減，所得結(jié)果與三相單位正弦信號(hào)相乘得到光伏并網(wǎng)后的三相基波正序有功分量、、，三相負(fù)載電流與三相基波有功分量相減得出三相諧波電流、、。

3 仿真分析

搭建改進(jìn)FBD算法的諧波檢測(cè)電路仿真模型，并將基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的最大功率追蹤光伏并網(wǎng)電路加到諧波檢測(cè)電路中，最終檢測(cè)的光伏并網(wǎng)后的電網(wǎng)諧波電流[5]。

具體地，通過Matlab/Simulink軟件對(duì)三相不對(duì)稱系統(tǒng)以及光伏接入系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，如圖5所示，其中，三相交流線電壓設(shè)置為380V，頻率為50Hz；負(fù)載采用帶阻感的整流電路，電阻設(shè)置為25W，電感設(shè)置為20mH；逆變器直流側(cè)電壓設(shè)置為700V；光伏并網(wǎng)電路的參數(shù)設(shè)置如下：m=125W/m2、sc=7.34A、oc=36.4V、m=6.92A、m=28.6V，升壓斬波電路設(shè)置參數(shù)為：=10×10-3、1=100×10-5、=300×10-6、=40W。采樣時(shí)間為0.0005s，算法采用ode23t，步長(zhǎng)為=0.02，m=0.001。光伏電池輸出功率隨電壓變化率等于零時(shí)，輸出功率最大[6]，所以門檻值應(yīng)取一個(gè)比較接近于零的值，這里取門檻值=0.5。

圖6為檢測(cè)到的三相諧波電流波形，可以看出，改進(jìn)FBD法得到的波形與理論值基本重合，效果較好。

圖5 光伏并網(wǎng)的諧波檢測(cè)電路仿真模型

圖6 光伏并網(wǎng)后三相諧波電流

圖7為光伏并網(wǎng)后基于改進(jìn)的FBD法進(jìn)行的三相基波有功電流仿真圖，從圖中可以看出，電流半個(gè)工頻周期內(nèi)就能達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，并且三相電流對(duì)稱性高，由于不像傳統(tǒng)FBD法受相位差的影響，所以改進(jìn)的FBD法檢測(cè)三相基波有功電流的相位和幅值避免了誤差的產(chǎn)生[8]。

圖7 光伏并網(wǎng)后三相基波有功電流

4 結(jié)論

本系統(tǒng)在考慮光伏最大功率追蹤并網(wǎng)的條件下，基于改進(jìn)FBD算法對(duì)三相基波有功電流及三相諧波電流進(jìn)行檢測(cè)，避免了傳統(tǒng)FBD算法使用鎖相環(huán)導(dǎo)致的檢測(cè)誤差，系統(tǒng)精度更高、響應(yīng)速度更快，適用于電網(wǎng)的三相不對(duì)稱系統(tǒng)。

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Research of Photovoltaic (PV) Grid Power Quality based on the Improved FBD Algorithm

Xie Jiuxia

(Dongying Vocational Institute, Dongying, Shandong 257000)

For the photovoltaic produce a large number of harmonicsin the process of grid will,this paper proposes a harmonic detection method of photovoltaic grid based on improved FBD algorithm, which can overcome the shortcomings of detecting harmonic current used the traditional FBD algorithm. The simulation results prove that the system has higher precision and faster response.

photovoltaic grid; harmonic detection; FBD algorithm

解玖霞（1968-），數(shù)學(xué)教育，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)學(xué)及其教學(xué)研究。