黨 克，衣鵬博，劉子源，田 勇

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

光伏(photovoltaic,PV)發(fā)電作為目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的可再生能源生產(chǎn)技術(shù)受到廣泛關(guān)注。國內(nèi)外很多研究機構(gòu)和學者都對光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)進行了深入研究，中國在光伏發(fā)電研究方面基本成熟[1]。非線性負載容易產(chǎn)生各種諧波，對電網(wǎng)將造成污染，另外產(chǎn)生的大量無功電流也會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響，將導致電能質(zhì)量下降。為有效解決以上問題，國外內(nèi)很多學者對有源電力濾波器(active power filter,APF)進行了深入研究[2]，并由于近年來國家對于光伏并網(wǎng)低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)的要求越發(fā)嚴格，光伏電站經(jīng)長距離輸電線路接入電網(wǎng)后,并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定運行也面臨嚴峻挑戰(zhàn)[3]，因此為了減輕逆變器的壓力和低電壓穿越功能，靜止同步補償器的無功補償性能被充分開發(fā)。

現(xiàn)在的光伏并網(wǎng)逆變器、靜止無功補償器(sta-tic reactive power compensator，STATCOM)和APF都有不同的缺點。光伏逆變器由于白天陽光充足可進行發(fā)電，晚上沒有陽光不能發(fā)電，利用率過低并且經(jīng)常切換開關(guān)會使電網(wǎng)不穩(wěn)定。不過APF在補償無功電流或者過濾諧波時，其容量相對比較小，且成本很高，很難大規(guī)模應用在電網(wǎng)中[4]。STATCOM雖然容量較大，對無功補償?shù)男Ч浅ｏ@著，但性能有些單一。根據(jù)APF、STATCOM和PV并網(wǎng)逆變器的分析，APF和STATCOM向電網(wǎng)提供無功功率和補償諧波，而PV并網(wǎng)逆變器只提供有功功率。從這個角度來看，其工作過程中雖然給電網(wǎng)提供的電能不同，但整體上的結(jié)構(gòu)基本相似，且關(guān)鍵技術(shù)也基本一致，理論上可以進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制?，F(xiàn)在已有機構(gòu)對其中兩者統(tǒng)一控制進行研究，包括將無功補償系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)一控制，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的統(tǒng)一控制[5]。

本文將APF、STATCOM與光伏逆變器結(jié)合起來，形成統(tǒng)一的多功能協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)，在光伏并網(wǎng)過程中實現(xiàn)向電網(wǎng)提供無功補償和調(diào)節(jié)電能質(zhì)量的功能。在電網(wǎng)發(fā)生故障電壓降落時可以充分補償無功以支撐并網(wǎng)點電壓恢復，完成低電壓穿越。所提出的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略已在Matlab上得到了驗證，仿真結(jié)果證明了本文提出的系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1,其中usa、usb、usc分別為三相電源直流側(cè)電壓；ica、icb、icc分別為三相采樣電流；VT1至VT6分別為控制單元的晶閘管；VD為采樣二極管；VT為直流單元晶閘管；uia、uib、uic分別為控制單元的三相電流；Udc為直流側(cè)電壓；UPV為直流單元光伏輸出電壓；C、L、R分別為電容、電感和電阻，PCC為公共連接點。APF主要是在電網(wǎng)中將各種諧波電流過濾掉，補償無功電流，有效解決電網(wǎng)中存在的電流不平衡等問題[6]。在APF中，要實現(xiàn)諧波和無功電流的補償，關(guān)鍵在于直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定[7]。APF的直流(direct current,DC)側(cè)直接連接到電容器，此時APF將和電網(wǎng)發(fā)生有功能量交換，補償電容器中的電能。通過分析DC側(cè)APF的控制原理可知，如果DC側(cè)電壓比額定值更高時，APF會將電能傳遞到電網(wǎng)中，DC側(cè)電壓將會降低，即DC側(cè)電能可通過APF直接輸送到電網(wǎng)。光伏陣列可以直接或通過升壓電路連接到APF的DC側(cè)。通過實施最大功率點追蹤(maximum power point tracking,MPPT)，光伏陣列在工作過程中可以向電網(wǎng)注入能量，且功率可以達到最大。與此同時，APF和光伏陣列可以在不相互影響的情況下提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖1 本文提出的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

在三相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中，相比常規(guī)STATCOM，多了一級Boost升壓電路[8]，所以也可以把光伏陣列直接或經(jīng)過一級Boost升壓電路接到STATCOM的DC側(cè)，當光伏陣列向電網(wǎng)輸送電能時無須修改硬件即可實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電功能。當電網(wǎng)發(fā)生故障使并網(wǎng)點電壓降低時，利用STATCOM可以靈活地調(diào)節(jié)無功功率的優(yōu)點來實現(xiàn)低電壓穿越。例如電網(wǎng)因為發(fā)生故障導致電壓突然下降，此時STATCOM發(fā)出無功功率，將可以有效提高電網(wǎng)的電壓，并使得光伏逆變器電流輸出壓力降低，進而幫助光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)低電壓穿越[9]，這樣就可在同一設備上同時實現(xiàn)無功電流和諧波電流補償、光伏并網(wǎng)發(fā)電和低電壓穿越等多種功能，提高了設備的利用率和減少了設備重復投資。該設備可以適應智能電網(wǎng)發(fā)展需要。

2 系統(tǒng)的算法建立

本文所提出的系統(tǒng)要同時具有提高光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量和低電壓穿越時無功補償?shù)墓δ?，就電能質(zhì)量考慮時指令電流的計算與合成是本系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。就低電壓穿越時基于STATCOM功能的逆變器的無功補償是本系統(tǒng)的重要內(nèi)容。

2.1 諧波檢測及指令合成算法

指令電流的計算目前包括無功補償指令電流和諧波補償電流以及光伏并網(wǎng)發(fā)電最大功率有功指令電流。實現(xiàn)APF功能的過程中，檢測無功功率和諧波電流非常重要。目前有很多種諧波電流的檢測方法[10]，其中最快的檢測方法就是瞬時無功功率理論。

圖2為兩種電流合成和檢測的原理框圖。A相電網(wǎng)電壓Ua相位由數(shù)字鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)跟蹤，可以確保電流檢測精度。

圖2 指令電流合成和檢測的原理框圖

(1)

(2)

由式(2)可知，前者是無功及諧波電流分量，后者是三相基波電流[11]?？刂谱兞髌鲗⒅噶铍娏髯⑷氲诫娋W(wǎng)中，實現(xiàn)光伏發(fā)電，也提高了電能質(zhì)量。

2.2 無功功率的補償算法

當本文提出的系統(tǒng)補償電網(wǎng)無功功率時，可以將該系統(tǒng)視為電壓源，且其電壓可以發(fā)生改變。圖3為本文提出的系統(tǒng)等效電路圖，其中，Us和Uc分別為電網(wǎng)相電壓和本文中提出的系統(tǒng)的輸出電壓，UL為負載電壓，X為等效電抗，R為等效電阻(線損與其他損耗)。從本文提出的系統(tǒng)的簡化電路圖可以得到:

圖3 本文所提系統(tǒng)等效電路

(3)

其中δ為系統(tǒng)輸出電壓和電網(wǎng)電壓的相位差，φ為電網(wǎng)電壓初相角，由式(3)可以得到:

(4)

由式(4)可知：當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，新系統(tǒng)吸收的有功電流和無功電流分別為:

(5)

由式(5)可知：本文提出的系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的無功能量交換可以通過改變δ的大小來進行調(diào)整，所以在電網(wǎng)電壓突然跌落時，本文提出的系統(tǒng)可以控制自身向電網(wǎng)輸送的功率，由此可以對電網(wǎng)起到支撐作用，避免電網(wǎng)電壓突然下降時光伏逆變器無功補償壓力過大，同時可以使得光伏系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定，確保在故障發(fā)生時仍可靠供電。

3 系統(tǒng)控制方法

本文提出的逆變器在控制過程中有并網(wǎng)控制模式和低電壓穿越控制模式。并網(wǎng)工作模式是通常狀態(tài)下的控制方式，系統(tǒng)將為電網(wǎng)提供無功電流補償，過濾諧波電流，對電網(wǎng)質(zhì)量進行調(diào)節(jié)，提高其電能質(zhì)量。當電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓或者低電壓穿越時需要模式切換控制。不過在不同控制模式下，電壓和頻率需要保持一致，因此有必要在兩種模式切換時鎖定相位。利用三相鎖相環(huán)控制環(huán)節(jié)[12]進行相位的鎖定，來減小開關(guān)電流的沖擊，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，實現(xiàn)平穩(wěn)切換。

3.1 正常運行模式切換到故障模式

如果電網(wǎng)電壓突然下降，電壓幅值已經(jīng)低于額定電壓90%，此時將切換到低電壓穿越控制模式，圖4為對應的鎖相環(huán)控制電路。

圖4 模式切換控制圖

3.2 從故障模式到正常運行模式

模式切換時，系統(tǒng)輸出電壓與電網(wǎng)電壓將存在一定的差值，導致出現(xiàn)沖擊電流、設備損壞或新的故障，因此，有必要在模式切換之前對電壓進行預同步，以確保在模式切換回到正常運行模式之前，二者的輸出幅度和相位保持一致。

(6)

(7)

圖5為預同步控制器的原理框圖：首先獲得電網(wǎng)相位θg，并求得其與光伏逆變器相位θn的相位差Δθ，對該相位差進行調(diào)節(jié)，采用比例微分調(diào)節(jié)器。這樣會得到一個頻率補償信號Δf，再將Δf與低電壓穿越運行下的頻率參考值fLVRT相疊加，主控制器參考頻率采用該疊加頻率，然后計算出參考相位。以上措施將能實現(xiàn)系統(tǒng)控制模式切換前后，逆變器和電網(wǎng)電壓相位相同，避免出現(xiàn)電流沖擊。

圖5 預同步控制器的原理框圖

4 仿真驗證

本文在Matlab環(huán)境下對提出的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行模擬和仿真分析。在仿真模型中，將電網(wǎng)電壓和頻率分別設置為380 V和50 Hz；電阻R=5 Ω；通過阻感負載模擬產(chǎn)生電網(wǎng)中有功和無功功率，P=50 kW，Q=51 kvar。

4.1 當系統(tǒng)作為光伏并網(wǎng)功能運行時

當系統(tǒng)作為光伏并網(wǎng)功能運行時，需要進行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，0.08 s投入本文提出的系統(tǒng)，仿真波形見圖6(a)。

圖6 本文所提系統(tǒng)電能質(zhì)量提高功能仿真波形

由圖6明顯看出，圖6(a)在0.08 s之前沒有投入本文提出的系統(tǒng)的時候，由于存在諧波與無功電流導致電網(wǎng)中的電流滯后于電網(wǎng)的電壓；在投入本文提出的系統(tǒng)后，電能質(zhì)量有了明顯的改善且電流與電壓同相。并且對A相進行快速傅立葉變換得到圖6(b)，電網(wǎng)向負載注入的有功電流的幅值明顯變小，系統(tǒng)中 5 次及 7 次諧波的含量也明顯降低，諧波畸變率也由8.44%明顯降低到1.87%，所以仿真結(jié)果達到了預期效果。

4.2 當系統(tǒng)進行低電壓穿越功能操作時

當系統(tǒng)進行低電壓穿越功能操作時，需要提供無功功率來支持并網(wǎng)點的電壓恢復。設定仿真條件為電壓跌落到30%額定電壓，仿真波形見圖7。

圖7 本文所提系統(tǒng)低電壓穿越功能仿真波形

由仿真結(jié)果明顯看出，圖7(a)顯示當系統(tǒng)沒有投入低電壓穿越功能時，并網(wǎng)點電壓降落至額定電壓的30%，電壓明顯降低。由圖7(b)可知，當系統(tǒng)以STATCOM功能投入時，并網(wǎng)點電壓明顯升高，發(fā)生故障前后的電壓波動幾乎為零，所以仿真結(jié)果顯示達到了恢復電網(wǎng)電壓的效果，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.3 當系統(tǒng)進行模式切換時

圖8為系統(tǒng)模式切換時兩種控制模式下的角速度，在0.1 s時電壓降落，系統(tǒng)為低電壓穿越模式，在1s時完成低電壓穿越，系統(tǒng)恢復并網(wǎng)模式。

圖8 本文所提系統(tǒng)模式切換功能仿真波形

由圖8可以明顯看出，系統(tǒng)迅速發(fā)現(xiàn)短路故障并且轉(zhuǎn)換模式，在低電壓穿越期間控制信號也可以很好的跟蹤被控制信號，兩種模式下的控制信號也幾乎重合，保證了兩種模式相位的統(tǒng)一，達到了預同步效果，避免了電流沖擊，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

為了減小光伏并網(wǎng)逆變器、APF和STATCOM的各自的缺陷，減少設備重復投資并且提高其利用率，滿足未來電網(wǎng)的發(fā)展需要。本文提出在同一設備上實現(xiàn)多種功能的統(tǒng)一控制系統(tǒng)，且通過仿真實驗驗證了本系統(tǒng)的可行性。本文提出的系統(tǒng)及新控制策略的特點如下。

a.在同一個設備上實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電與電能質(zhì)量提升，并且在電網(wǎng)發(fā)生短路故障過程中，該系統(tǒng)會通過充分地補償無功功率來進行并網(wǎng)點電壓的恢復，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

b.在光伏并網(wǎng)控制與低電壓穿越控制之間自由切換，當電網(wǎng)正常運行時本文提出的系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)功能，當電網(wǎng)發(fā)生故障時本文提出的系統(tǒng)會切換到低電壓穿越控制模式并且通過鎖相環(huán)進行相位的鎖定，從低電壓穿越模式切換回并網(wǎng)模式時還會進行預同步處理以保證模式前后的輸出相位一致，減小了沖擊電流并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。