周識(shí)遠(yuǎn)

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730070)

太陽能作為一種清潔可再生能源，以無污染、儲(chǔ)存量豐富、分散等優(yōu)點(diǎn)在新能源領(lǐng)域占據(jù)重要角色。目前太陽能的利用以光伏發(fā)電形式最為廣泛[1]。但對(duì)我國(guó)而言，受土地、光照資源的限制，大規(guī)模光伏電站主要建設(shè)在沙漠或半沙漠偏遠(yuǎn)地區(qū)，此時(shí)長(zhǎng)距離的輸電線路將導(dǎo)致線路阻抗增大，而且用戶負(fù)載通常以離網(wǎng)或與外網(wǎng)以弱聯(lián)系的形式連接，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，系統(tǒng)供電能力較差[2-3]。逆變器作為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，伴隨遠(yuǎn)距離電網(wǎng)末端光伏逆變器并網(wǎng)數(shù)量增多、單機(jī)容量增大，其控制變得越來越復(fù)雜，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行無法保證，若不能有效解決逆變器安全穩(wěn)定運(yùn)行問題，將對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)崩潰[4]。此外，弱電網(wǎng)環(huán)境下，負(fù)荷側(cè)的切入與切除以及光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)都將導(dǎo)致主網(wǎng)電壓的波動(dòng)，從而使得并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形畸變甚至越限，輸入諧波增大，系統(tǒng)電能質(zhì)量變差，供電可靠性降低。

傳統(tǒng)逆變器的設(shè)計(jì)都將電網(wǎng)視為理想電壓源，但在弱電網(wǎng)下傳統(tǒng)電網(wǎng)模型將無法適用。此時(shí)基于戴維南定理，將網(wǎng)側(cè)等效為理想電壓源串聯(lián)等值阻抗，但較大的電網(wǎng)阻抗對(duì)于弱電網(wǎng)將產(chǎn)生不利影響，而且伴隨電網(wǎng)阻抗的增加，尤其是其中感性成分的增加，系統(tǒng)串/并聯(lián)諧振現(xiàn)象將越發(fā)明顯，這將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能下降，從而進(jìn)一步惡化電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]，弱電網(wǎng)下系統(tǒng)電能質(zhì)量問題變得越來越突出。為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的無功補(bǔ)償和電流諧波抑制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[6]提出一種基于高頻注入的電網(wǎng)阻抗檢測(cè)方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的正確性，該方法改善了電流基波對(duì)電網(wǎng)的影響，但高頻信號(hào)對(duì)用戶側(cè)所引入的Cg干擾不容忽視。文獻(xiàn)[7]利用最小二乘法檢測(cè)阻抗，該方法對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量的影響較小，但其涉及計(jì)算量龐大，而且算法比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)傳統(tǒng)鎖相技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，電網(wǎng)波形發(fā)生畸變時(shí)可及時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓相位，從而提高并網(wǎng)電能質(zhì)量，該控制策略簡(jiǎn)單易行，但其只能減少特定諧波。文獻(xiàn)[10]針對(duì)弱電網(wǎng)下多逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)阻抗參數(shù)對(duì)光伏逆變器穩(wěn)定運(yùn)行影響及系統(tǒng)諧波振蕩放大的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，為本文提供了有益的參考。文獻(xiàn)[11]提出一種基于瞬時(shí)無功功率理論的光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略，該控制策略實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)的消諧和無功補(bǔ)償功能，提高了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，但其未考慮PCC點(diǎn)電壓穩(wěn)定問題。

針對(duì)上述問題，本文以弱電網(wǎng)為研究背景，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后的諧波以及電壓波動(dòng)問題，基于瞬時(shí)無功功率理論以及PCC點(diǎn)電壓幅值控制方法，以提高光伏逆變器無功輸出性能，從而實(shí)現(xiàn)PCC點(diǎn)電壓的穩(wěn)定和諧波環(huán)流的抑制，并采用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 單相光伏并網(wǎng)逆變器

為提高控制精度，采用光伏并網(wǎng)逆變器雙級(jí)式結(jié)構(gòu)，前級(jí)采用Boost升壓電路，后級(jí)采用單相全橋逆變電路。考慮電網(wǎng)阻抗(阻感性)，單相全橋逆變器在并網(wǎng)狀態(tài)下的等效模型如圖1所示，其中光伏并網(wǎng)逆變器由DC/DC升壓斬波電路與DC/AC單相全橋逆變電路構(gòu)成。逆變器輸出電流經(jīng)LCL濾波電路后，通過并網(wǎng)繼電器并入電網(wǎng)。

圖1 并網(wǎng)狀態(tài)下單相全橋逆變器的等效模型

由于弱電網(wǎng)下存在較大的電網(wǎng)阻抗使得光伏陣列輸入諧波增大，PCC點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)，其輸出特性呈非線性。為提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸電效率，Boost升壓斬波電路輸出側(cè)電壓一般不低于500 V[12]。圖1中，Boost升壓電路將電壓值較低且變化范圍大的Upv轉(zhuǎn)換為適合DC/AC變換的直流側(cè)電壓Udc，Cdc是容量比較大的電容，從而穩(wěn)定Udc。逆變電路將直流側(cè)電壓Udc變換為與電網(wǎng)電壓幅值接近、頻率相同的電壓Uinv，由于該電壓在開關(guān)頻率處具有高頻諧波，因而直接并入電網(wǎng)會(huì)帶來大量諧波，要通過LCL濾波器濾波，使電流以較低的畸變率并入電網(wǎng)Ug。

根據(jù)圖1，建立弱電網(wǎng)下的單相光伏并網(wǎng)逆變器的動(dòng)態(tài)方程如下：

(1)

(2)

(3)

寫出上述動(dòng)態(tài)方程對(duì)應(yīng)的s域表達(dá)式如下：

(4)

式中：Ug為電網(wǎng)電壓；Uinv為逆變橋臂輸出的正弦脈寬調(diào)制電壓；Ls1為濾波電感；C為濾波電容；Lg和Rg分別為電網(wǎng)的等效電感和電阻；Ig為電網(wǎng)電流。

2 弱電網(wǎng)下單相光伏并網(wǎng)逆變器控制

光伏逆變器的并網(wǎng)控制包括升壓電路控制和逆變電路控制，主要研究后級(jí)并網(wǎng)逆變器的控制。本文采用基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq電流檢測(cè)算法對(duì)電路中的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器諧波和無功補(bǔ)償?shù)臋z測(cè)。其中，直流側(cè)穩(wěn)壓采取電壓外環(huán)和無差拍的電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，PCC點(diǎn)穩(wěn)壓采取電壓幅值反饋控制[13]。

2.1 直流側(cè)穩(wěn)壓控制

圖2所示為單相光伏并網(wǎng)逆變器控制框圖。VSC的控制策略為直流電壓外環(huán)、交流電流內(nèi)環(huán)控制，并在控制環(huán)中引入電網(wǎng)電壓前饋。

圖2 單相光伏并網(wǎng)逆變器控制框圖

電流環(huán)采用無差拍控制技術(shù)，開關(guān)頻率固定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在下一個(gè)控制周期內(nèi)消除目標(biāo)誤差，抑制諧波環(huán)流，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差效果。

2.2 PCC點(diǎn)穩(wěn)壓控制

PCC點(diǎn)的穩(wěn)壓采取電壓幅值反饋控制，即通過補(bǔ)償無功功率來實(shí)現(xiàn)。其控制框圖如圖3所示。

圖3 PCC點(diǎn)的穩(wěn)壓控制框圖

(5)

(6)

(7)

3 仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)控制框圖，在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建仿真模型，并進(jìn)行分析。系統(tǒng)控制參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

3.1 直流側(cè)穩(wěn)壓分析

針對(duì)電網(wǎng)阻抗不斷變化的情形，采用PI控制進(jìn)行仿真分析。阻抗值為0.1 mH時(shí)，采用PI控制下的逆變器輸出實(shí)際電流和參考電流的仿真波形如圖4所示，其中，藍(lán)色為并網(wǎng)電流，紅色為參考電流。圖5為阻抗值為0.1 mH時(shí)，并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的波形圖，紅色代表并網(wǎng)電壓Uinv，藍(lán)色代表并網(wǎng)電流Iinv。阻抗值為0.2 mH時(shí)，并網(wǎng)電壓和電流的波形圖如圖6所示，由于阻抗值的變化，并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流發(fā)生變化，因此縱坐標(biāo)取值范圍與圖5有所差別。

圖4 逆變器輸出實(shí)際電流和參考電流波形圖

圖5 阻抗值為0.1 mH時(shí)并網(wǎng)電壓和電流的波形圖

圖6 阻抗值為0.2 mH時(shí)并網(wǎng)電壓和電流的波形圖

由圖5、圖6中可知，在電網(wǎng)阻抗增加時(shí)，并網(wǎng)電流始終能較好的跟隨并網(wǎng)電壓，功率因數(shù)較高，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和有效性。

3.2 無功補(bǔ)償分析

圖7所示為PCC點(diǎn)未加電壓幅值反饋控制下的無功波形圖，圖8所示為PCC點(diǎn)加入電壓幅值反饋控制的無功補(bǔ)償波形圖，其中，藍(lán)色曲線為有功功率，紅色曲線為無功功率。

圖7 PCC點(diǎn)未加電壓幅值反饋控制下的無功波形圖

圖8 PCC點(diǎn)加入電壓幅值反饋控制下的無功波形圖

由圖7中可知，在沒有加入無功補(bǔ)償裝置時(shí)系統(tǒng)的無功功率隨著負(fù)荷的變化，波動(dòng)變化比較大，系統(tǒng)功率因數(shù)為0.81。另外，由圖8中可大致看出無功功率的平均有效值大致在0.5 s，此時(shí)有功功率P=1.6×106W，無功功率Q=0.9×106var，計(jì)算得此時(shí)的功率因數(shù)為0.87。因此，為了減小無功功率隨著負(fù)荷變化而波動(dòng)較大的現(xiàn)象，應(yīng)該在線路中添加無功補(bǔ)償來減小系統(tǒng)無功功率的變化，提高功率因數(shù)，從而穩(wěn)定PCC點(diǎn)電壓。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于瞬時(shí)無功理論的光伏并網(wǎng)逆變器電壓控制策略，通過檢測(cè)瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流，將電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合，采用雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定，有效抑制了弱電網(wǎng)下接入較大電網(wǎng)阻抗而導(dǎo)致的諧波環(huán)流。此外，利用電壓幅值反饋控制補(bǔ)償PCC點(diǎn)無功功率，使得PCC點(diǎn)電壓基本維持穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明：本文所采用控制策略可有效改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。