翁育斌

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.051

摘 要：在環(huán)境保護和能源節(jié)約的要求下，光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，光伏并網(wǎng)逐漸成為電能供應(yīng)的新形式。本文將對光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)進行分析，首先分析系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，進而探討其工作原理和控制方式，最后利用PSIM仿真軟件對系統(tǒng)效能進行分析驗證。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng) 電能質(zhì)量控制 無差拍復(fù)合控制 效能驗證

中圖分類號：TM914 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（c）-0051-02

光伏發(fā)電技術(shù)的研究受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)在電力供應(yīng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，為推動電力系統(tǒng)向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展做出了重要貢獻。我國關(guān)于光伏發(fā)電的研究起步較晚，研究水平與國外先進水平相比還存在較大差距，目前光伏發(fā)電裝置只能在白天工作，而且電能供應(yīng)質(zhì)量較差。電能質(zhì)量控制系統(tǒng)通過對光伏發(fā)電設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制，可以提升光伏發(fā)電的穩(wěn)定性，促進光伏并網(wǎng)在城市電網(wǎng)建設(shè)中的更廣泛應(yīng)用。

1 光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)MPG-PQC內(nèi)含一臺電壓逆變器，不需要增加主電路實現(xiàn)無功補償功能，可以直接加入諧波和無功檢測環(huán)節(jié)。系統(tǒng)中光伏陣列的政府輸出直接接入Boost升壓變換器，在旁流二級管的作用下，光伏模塊可以保持正常工作，不會出現(xiàn)夜間反充電的情況。升壓電路輸出與并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電容相接，逆變橋的輸出通過濾波電感與電網(wǎng)相連[1]。MPG-PQC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)進行等效變換，輸出濾波電感的等效內(nèi)阻為R，電網(wǎng)內(nèi)阻忽略不計，直流側(cè)母線電壓為Udc，設(shè)O為虛擬中點，則ea、eb、ec即三項對稱電壓。其中，ea=Emcos（ω0t），eb=Emcos（ω0t-2π/3），ec=Emcos（ω0t+2π/3）。式中的Em是電壓賦值，ω0是電壓角頻率。利用基爾霍夫得率可以得到三項橋的交流側(cè)電壓方程，對其進行拉氏變換，得到相電流關(guān)于初始電流的表達式。由此可以得出，對于基波域而言，逆變器輸出電流由逆變器的輸出電壓基波分量幅值以及電網(wǎng)電壓幅值、相位差決定。通過對逆變器的輸出電壓幅值、相位進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)基波電流跟蹤。在諧波域中，電網(wǎng)等效電壓為零，可以通過逆變器的輸出諧波電壓與輸出濾波電感的作用實現(xiàn)諧波電流跟蹤[2]。

1.2 系統(tǒng)功能

從上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及等效變換分析中可以看出，MPG-PQC利用最大功率點的跟蹤算法，可以對光伏陣列最大功率進行跟蹤，并生成有功電流指令，實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)的控制。諧波檢測環(huán)節(jié)生成諧波電流指令，無功檢測環(huán)節(jié)生成無功補償電流指令，經(jīng)過同意的控制系統(tǒng)，將兩種指令進行合成，利用電流跟蹤算法，在考慮直流側(cè)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，控制逆變器的電流注入量，能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏并網(wǎng)發(fā)電的電能質(zhì)量控制功能。在白天系統(tǒng)正常工作中，MPG-PQC系統(tǒng)同時為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運行以及電能質(zhì)量控制提供支持，在夜間無光照期間，MPG-PQC系統(tǒng)僅對電能質(zhì)量進行控制，不進行有功電能輸出。通過MPG-PQC系統(tǒng)的應(yīng)用，可以降低電能質(zhì)量控制難度，減少相關(guān)設(shè)備投資，而且能夠減少系統(tǒng)的功率損耗，提高經(jīng)濟效益[3]。

2 無差拍復(fù)合電能質(zhì)量控制系統(tǒng)及系統(tǒng)效能驗證

2.1 無差拍復(fù)合電能質(zhì)量控制原理

光伏并網(wǎng)的電能控制系統(tǒng)要通過對逆變器開關(guān)模式進行求取來實現(xiàn)電流跟蹤，并實現(xiàn)并網(wǎng)、諧波補償和無功補償?shù)裙δ?。無差拍控制方法是一種能夠?qū)崿F(xiàn)無差拍電流跟蹤和指令信號計算的復(fù)合控制方法。通過進行指令信號計算，可以將光伏電網(wǎng)的有功、無功與諧波電流相互統(tǒng)一起來，生成復(fù)合控制指令。無差拍電流跟蹤則能夠?qū)崿F(xiàn)指令電流的快速無差跟蹤，而且具有抗干擾前饋校正功能，可以方便比例系數(shù)的調(diào)節(jié)和校正。在無差拍復(fù)合控制方法的應(yīng)用過程中，由穩(wěn)定比例調(diào)節(jié)器生成直流側(cè)的電壓調(diào)節(jié)信號，最大功率控制功能可以保證光伏板保持在最大功率點的工作狀態(tài)，并生成有功信號。通過應(yīng)用瞬時功率理論，可以實現(xiàn)諧波檢測和無功檢測功能。在此基礎(chǔ)上，與并網(wǎng)發(fā)電有功信號符合生成電流控制指令，實現(xiàn)對輸出電流的無差跟蹤，控制效率較高。

具體計算過程包括以下幾個步驟：（1）將系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)方程表示為X=AX+BV，其中，X是系統(tǒng)狀態(tài)向量；V是輸入向量，A和B是常系數(shù)矩陣；（2）得到狀態(tài)方程時域解，設(shè)T為間隔時間，將系統(tǒng)離散化；（3）電壓逆變器的輸入向量V可以表示為V（k）=△T（k）U，式中的△T（k）是第k次采樣脈寬控制量；U是直流側(cè)電壓；（4）給定參考狀態(tài)為Xref，將求出的脈寬控制量作為逆變器調(diào)制脈寬，在下一次采樣時對參考狀態(tài)進行跟蹤，若能在第k次采用時預(yù)測第k+1次采樣時的參考狀態(tài)，則第k+1次采用狀態(tài)就等于參考狀態(tài)。該算法過程就是所謂的無差拍控制。

2.2 控制信號計算

根據(jù)ip-iq諧波檢測法，在實現(xiàn)諧波檢測和無功檢測的同時，與并網(wǎng)發(fā)電的有功電流合成，得到復(fù)合控制指令。系統(tǒng)中的數(shù)字鎖相環(huán)通過對A相電壓過零點檢測實現(xiàn)數(shù)字相位跟蹤，可以為控制系統(tǒng)的控制精度提供保障。當(dāng)無功補償開關(guān)閉合時，系統(tǒng)只對負載諧波電流進行檢測，當(dāng)無功補償開關(guān)斷開后，則同時檢測諧波電流與無功電流。設(shè)C與C-1為正反變換矩陣，則三項負載電流經(jīng)過C與低通濾波后得到基波有功直流分量，與并網(wǎng)有功直流分量、直流側(cè)穩(wěn)定有功電流直流分量共同合成符合控制指令。指令電流中的第一項和第二項分別是諧波電流分量與基波有功電流。

2.3 系統(tǒng)效能驗證

為確保上述控制系統(tǒng)的可靠性，采用PSIM仿真測試軟件對MPG-PQC系統(tǒng)進行分析檢測。在進行仿真設(shè)計過程中，設(shè)三項交流電源電壓為380V，頻率為50Hz。將電網(wǎng)阻抗設(shè)計為0.1Ω、0.2mH，模擬負載的負載側(cè)基波電流為12A，功率因數(shù)為0.7，5次、7次、11次、13次諧波電流分別為5A、3A、5A和3A。諧波相對各項的初相角均設(shè)置為0°，經(jīng)過升壓模塊后的直流側(cè)電壓為710V，逆變器輸出濾波電感設(shè)計為0.5mH。設(shè)置好各項系統(tǒng)參數(shù)后進行系統(tǒng)仿真實驗。并網(wǎng)時間為0.2s，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與其同時進行，在0.4s時開始出現(xiàn)有功電流輸出。從仿真結(jié)果的A相電流波形變化中能夠發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)運行的0～0.2s時間段內(nèi)，由于系統(tǒng)中存在非線性負載，因此諧波電流和無功電流較為嚴(yán)重。從0.2s開始進行調(diào)節(jié)，諧波電流與無功電流明顯下降，說明電能質(zhì)量得到有效調(diào)節(jié)。從0.4s開始出現(xiàn)有功電流，并由輸出電流承擔(dān)部分負荷功耗，實現(xiàn)了對光伏發(fā)電及電能質(zhì)量進行調(diào)節(jié)的雙重目的，證明系統(tǒng)可以對光伏并網(wǎng)的電能質(zhì)量進行有效調(diào)節(jié)。

為進一步驗證該系統(tǒng)的具體效能，相關(guān)研究者進行了實驗室并網(wǎng)實驗。通過在實驗室中搭建光伏并網(wǎng)實驗平臺，對MPG-PQC系統(tǒng)功能進行具體驗證。在實驗過程中，太陽能電池選用GS48-TD170型單晶硅電池，功率指標(biāo)為35.5Vmp、170Wp。以6串2并的方式組成光伏陣列，其最大輸出功率2kW。升壓電路選用2.5mH電感和1000μF/450V電容。二極管選用IXYSDESI10-60A型號，開關(guān)管選用IMBH25D-12型號。對模擬系統(tǒng)進行并網(wǎng)實驗，在未使用MPG-PQC控制系統(tǒng)前，連接點處的電流時域、頻域波形均顯示出諧波含量過高，其畸變率達到14.9%左右。在加入MPG-PQC控制系統(tǒng)后，諧波畸變率下降到7.3%，而且諧波電流含量明顯下降，分別從8.2%、7.3%、5.1%、4.1%下降到0.9%、0.7%、0，4%、0.2%。該實驗對MPG-PQC的控制效能進行了更直觀的說明，通過MPG-PQC系統(tǒng)的使用，使光伏電能質(zhì)量明顯提升，可以實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)發(fā)電電能質(zhì)量的有效控制。

3 結(jié)語

綜上所述，MPG-PQC電能質(zhì)量控制系統(tǒng)在光伏并網(wǎng)中的應(yīng)用可以實現(xiàn)對電能質(zhì)量的有效控制。通過對該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制原理進行分析，可以看出MPG-PQC系統(tǒng)相比于其他控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。通過無差拍控制功能的分析與實現(xiàn)，可以為光伏并網(wǎng)及電能質(zhì)量控制提供支持。PSIM仿真實驗及實驗室模擬試驗都能夠證明MPG-PQC是一種有效的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 周林，曾意，郭珂，等.具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研究進展[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（9）：137-145.

[2] 沈文濤.光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題研究[D].華北電力大學(xué)，2012.

[3] 劉大鵬.光伏并網(wǎng)發(fā)電與電能質(zhì)量調(diào)節(jié)統(tǒng)一控制研究[D].燕山大學(xué)，2015.endprint