王 祺，趙興勇，張庚午

多功能并網(wǎng)變換器容量優(yōu)化控制策略

王 祺1，趙興勇1，張庚午2

(1.山西大學，山西 太原 030006；2.太原理工大學，山西 太原 030024)

隨著“雙高”電力系統(tǒng)的發(fā)展，并網(wǎng)環(huán)境呈現(xiàn)薄弱、復雜態(tài)勢。電網(wǎng)阻抗的存在使得并網(wǎng)點容易受諧波干擾及無功功率波動的影響，惡化并網(wǎng)電能質量，影響并網(wǎng)變換器友好并網(wǎng)，僅以有功功率為傳輸目標的傳統(tǒng)并網(wǎng)變換器已難以適應上述工況?；诂F(xiàn)狀提出一種具有諧波抑制功能的光伏逆變器控制策略。指令電流由諧波檢測環(huán)節(jié)和直流側穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)組成，根據(jù)廣義瞬時無功理論檢測出并網(wǎng)電流的瞬時有功分量、基波正序無功分量、諧波分量，通過電流跟蹤控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)光伏逆變器的抑制諧波、無功補償?shù)墓δ堋ｋS后，考慮實況中逆變器容量有限，提出一種基于復合功能光伏逆變器的容量匹配策略，設計匹配系數(shù)?？紤]并網(wǎng)變換器的外特性及實際工況中的諧波特性，以輸出有功功率、諧波抑制控制效果為最優(yōu)控制級，無功補償控制效果為次優(yōu)級進行策略的設計。最后，進行仿真案例驗證當光伏逆變器在正常并網(wǎng)運行時可以抑制并網(wǎng)點諧波電流，并最大程度的補償無功功率，極大改善了并網(wǎng)點的電能質量，提高了逆變器的利用率，增強了并網(wǎng)變換器面向復雜并網(wǎng)工況時的魯棒性。仿真結果驗證了所提策略的有效性和可行性。

光伏逆變器；控制策略；諧波抑制；無功補償；容量匹配

0 引言

隨著新一代“雙高”電力系統(tǒng)的發(fā)展，新能源并網(wǎng)變換系統(tǒng)的環(huán)境處于薄弱和不確定態(tài)勢，新能源發(fā)電及其并網(wǎng)等技術成為近些年的研究熱點[1-3]。微電網(wǎng)因具有分布式發(fā)電、儲能功能等優(yōu)越條件而得到廣泛關注，微電網(wǎng)的出現(xiàn)改善了化石能源枯竭、環(huán)境污染的現(xiàn)狀，同時也帶來了相應控制技術方面的問題[4]。作為并網(wǎng)接口單元，并網(wǎng)變換器承擔著新能源向電網(wǎng)功率傳輸?shù)闹匾姑匾圆谎远鳌?/p>

LCL型并網(wǎng)變換器因優(yōu)異的高頻諧波衰減特性、低廉的硬件成本等優(yōu)勢近年來引起了學者們的關注[5-6]，基于并網(wǎng)逆變器的本體功能，相關學者對其進行了改進和優(yōu)化[7-8]。然而，受民用負荷、工業(yè)負荷的影響，電網(wǎng)中的大量非線性負荷、無功負荷等嚴重惡化了并網(wǎng)點的電壓和電流質量。對于并網(wǎng)變換器而言，一般表現(xiàn)為電壓控制型電流源的特性，當并網(wǎng)點出現(xiàn)諧波或畸變電流時，變換器可能無法正常并網(wǎng)及穩(wěn)定運行。諧波治理方面，常規(guī)手段是利用有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)或增大交流側的濾波電感，然而硬件成本會增加。瑕不掩瑜，APF的諧波治理思路是非常有價值且值得借鑒的。同時，其與并網(wǎng)變換器的拓撲結構相通。因此，將兩者結合，具有諧波治理的并網(wǎng)逆變器成為目前國內(nèi)外研究的熱點之一[9-15]。文獻[9]研究了變換器拓撲，并提出一種組式三相含諧波治理功能的變換器拓撲結構，該結構由三組單相全橋逆變電路構成，可靈活控制相應的目標，但拓撲結構較復雜，可靠性要求較高。文獻[10]對雙向動態(tài)電壓調節(jié)器(Dynamic Voltage Regulator, DVR)進行研究，設計了一種用于容量優(yōu)化的集成輔助電容器，提高了DVR的補償容量，然而補償?shù)墓δ茌^單一。文獻[11]提出一種大規(guī)模風機并網(wǎng)的容量配置協(xié)調方案，但并未考慮并網(wǎng)點的電能質量。文獻[12]研究了微網(wǎng)中交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)的功率問題，考慮兩者的耦合特性，通過直流側容量控制間接控制交流側的電網(wǎng)容量?？紤]到作為接口單元的并網(wǎng)變換器及其容量對電網(wǎng)的影響，文獻[13]對并網(wǎng)過程中的電壓穩(wěn)定性問題開展了相應研究。

基于LCL型并網(wǎng)變換器的電路結構，文獻[14]提出了一種具有無功補償功能的光伏變換器控制方法，然而并不能同時濾除諧波。在文獻[15-16]提出的多功能并網(wǎng)逆變器控制策略中，諧波檢測采用的-或p-q法，需要兩次矩陣變換運算。進一步通過利用LCL的結構特點，文獻[17]采集了若干支路電流，分別進行權重評估，實現(xiàn)了多支路電流的協(xié)同控制。然而，該方法需要除實現(xiàn)本體并網(wǎng)功能外的額外若干傳感器，硬件成本大大增加。同理，文獻[18-19]借鑒上述思路，考慮微網(wǎng)及配網(wǎng)環(huán)境，分別制定了電能質量的分攤計劃，并提出相應的協(xié)調控制策略。文獻[20]提出了一種基于改進型重復控制器的多功能逆變器的設計方法，提高了諧波濾除性能。需要說明的是，該方法對控制參數(shù)及主電路參數(shù)的變化比較敏感，同時重復控制算法的思路是常規(guī)諧振控制算法思路的延伸，其本質仍然為控制器對控制目標的可選擇性。

綜上，以上文獻都假設逆變器容量為無限大，并未考慮實際工程中逆變器容量有限的客觀性。此外，當并網(wǎng)變換器兼顧其他功能時，電能質量與并網(wǎng)傳輸效率等控制效果的主次之分也是亟待研究的問題?；谏鲜鲅芯楷F(xiàn)狀，本文提出了一種基于廣義瞬時無功率諧波檢測法的光伏逆變器控制策略，并考慮逆變器容量有限，提出一種根據(jù)功能優(yōu)先級排序的容量匹配策略，以優(yōu)化多功能并網(wǎng)變換器的控制效果，提高并網(wǎng)變換器的功率傳輸效率，具有一定的研究價值和工程實際意義。

1 光伏逆變器的控制策略

1.1 光伏逆變器的拓撲結構

圖1為一般的光伏發(fā)電及并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖，由光伏系統(tǒng)(Photovoltaic, PV)、基于DC/DC結構的Boost升壓電路、并網(wǎng)逆變器、交流側LCL濾波結構、電網(wǎng)、網(wǎng)側阻抗g、非線性負載及無功負載組成。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器的電路拓撲

圖中，dc為直流側電容，1為逆變器側電感，2為網(wǎng)側電感，c為電容支路的阻尼電阻，2為變換器的輸出電流，g為并網(wǎng)電流，g為公共連接點(Point of Common Coupling, PCC)電壓，網(wǎng)側兩端分別接有無功負載和非線性負載。

在光伏并網(wǎng)的模式下，上述多功能逆變器在輸出有功功率、實現(xiàn)變換器本體并網(wǎng)的同時，針對電網(wǎng)側的非線性負載、無功負載產(chǎn)生的諧波電流和無功電流，也要進行抑制和補償，必要時還需對電網(wǎng)提供無功功率支撐。并網(wǎng)逆變器多功能實現(xiàn)的關鍵在于指令電流的合成及指令電流的跟蹤控制，相應的控制框圖如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器的控制框圖

1.2 光伏逆變器的拓撲結構

由上述可知，逆變器的控制電路由兩部分組成，即指令電流的合成與控制，指令電流分為并網(wǎng)部分(指令電流I)和電能質量治理部分(指令電流Ⅱ)。

一般有源電力濾波器的諧波電流檢測法(-法和p-q法)主要適應于三相對稱負荷、正弦對稱電壓下電網(wǎng)中諧波電流的檢測，然而隨著負載種類(如不平衡負載)的增多，傳統(tǒng)諧波檢測法已無法精確地檢測諧波電流，文獻[21]提出了廣義瞬時無功理論諧波電流檢測法，優(yōu)于傳統(tǒng)檢測法，該方法在不平衡負載、電壓畸變的工況下依然可精確獲取諧波電流，同時還可以分離出瞬時有功分量、基波正序無功分量和諧波分量，而且僅需對諧波電流進行Park變換即可，矩陣運算簡單，響應速度快[22]。假設電力系統(tǒng)的三相電流表達式為

我們總是在強調別讓孩子輸在起跑線上，強調孩子的競爭意識要從小培養(yǎng)，在孩子年幼時就推動他參與競爭。讓孩子背負上競爭責任，他們的注意力勢必會被轉移到各種“比”的事情上，自我積攢能量的力量開始分散，而競爭帶來的焦慮又會更多地消耗孩子的精力，內(nèi)心反而變得越來越羸弱，家長卻渾然不知，還在為孩子在小格局里的優(yōu)秀沾沾自喜，這算不算是一種悲哀？

經(jīng)Park變換后：

式中，、如式(3)和式(4)所示。

由式(1)可得：

以上對指令電流中的諧波電流(即指令電流II)及其檢測機理進行了研究，表征變換器的并網(wǎng)有功分量指令值(即指令電流I)由直流側電容的穩(wěn)壓環(huán)節(jié)生成，諧波電流和瞬時有功電流的復合疊加即為最終指令電流，相應控制框圖如圖3所示。

圖3 諧波電流檢測框圖

1.3 指令電流跟蹤控制

圖3中，電流控制器采用的是準比例諧振控制器(Quasi-Proportional Resonant Controller, QPR)[23-24]，其表達式為

圖4 指令電流跟蹤控制框圖

圖4中：Ii為次諧波控制器的積分常數(shù)，為正整數(shù)；I為積分系數(shù)；P為比例系數(shù)。

具體的參數(shù)參考文獻[23]，相應的參數(shù)值已在本文中的第4節(jié)列出。

2 容量匹配策略

基于并網(wǎng)逆變器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，大多側重于復合或多種功能的實現(xiàn)以及控制算法的改進和設計，并未考慮逆變器容量有限的客觀性及各種功能的協(xié)調控制、優(yōu)先級折中選擇等因素，在實際工程的應用中受到較大的局限。結合上一節(jié)的機理分析，本節(jié)提出一種并網(wǎng)變換器的容量匹配策略。該策略考慮了實際工程中逆變器容量有限這一客觀因素，并設計了相關參數(shù)。

從功能的角度分析，多功能并網(wǎng)逆變器可同時輸出有功、無功(負載無功)、諧波分量(諧波無功)。需要說明的是，相對有功分量，諧波分量也屬于無功，因為在電路理論中將電壓電流不同相時的情況所產(chǎn)生的功率，稱之為無功。在并網(wǎng)系統(tǒng)中，無功分量更多指的是基波正序無功，是由無功負載產(chǎn)生，而且該無功含量遠遠高于諧波分量。從電能質量的角度分析，諧波的危害高于傳統(tǒng)的無功功率[19]，因此，考慮到需要治理諧波含量所需的并網(wǎng)變換器的容量較少，不會過于影響正常有功功率的傳輸，策略的思路應是優(yōu)先治理諧波問題。

構造容量匹配的約束條件，如式(8)所示。

容量匹配策略的思路如圖5所示。

圖5 容量匹配策略示意圖

本文所提策略考慮了逆變器容量有限等因素，以逆變器輸出的有功和諧波分量為最高優(yōu)先級，無功功率補償為次優(yōu)先級，即面向復雜、非理想電網(wǎng)情況時，并網(wǎng)變換器的容量優(yōu)先支配給并網(wǎng)有功功率和諧波抑制的控制效果，當容量有冗余時，利用剩余的容量進行無功補償。若三者的所需容量大于逆變器額定容量時，調節(jié)逆變器補償?shù)臒o功分量，即容量匹配系數(shù)，使之降低，直至逆變器輸出的總功率低于或等于逆變器額定容量為止。這樣既保證了逆變器輸出的功率滿足其額定容量，同時最大程度地治理了并網(wǎng)點的諧波電流，使得光伏并網(wǎng)逆變器處于最優(yōu)、高效狀態(tài)運行。

圖6為采用所提控制策略前后的并網(wǎng)變換器運行工況示意圖。

圖6 兩種不同策略下并網(wǎng)系統(tǒng)的運行工況

3 仿真分析

基于Matlab/Simulink+PLECS仿真環(huán)境，對本文所提策略進行分析。主電路置于Simulink環(huán)境中，控制電路置于PLECS環(huán)境中。具體的相關參數(shù)，見表1。

表1 并網(wǎng)系統(tǒng)的相關參數(shù)

采用傳統(tǒng)多功能并網(wǎng)策略進行仿真，分別對多功能逆變器出口側、網(wǎng)側的相關電氣量進行采樣分析，如圖7所示。其中，0.08 s時投入非線性負載，在0.16 s、0.22 s、0.28 s分別模擬光照強度為強光、弱光、無光時的工況。圖7(a)為網(wǎng)側的電壓和電流的波形，圖7(b)為網(wǎng)側有功功率和無功功率的波形。圖8(a)為逆變器側的電壓和電流波形，圖8(b)為逆變器輸出的有功功率和無功功率。圖9(a)為逆變器輸出的有功功率和無功功率的有效值，圖9(b)為逆變器輸出的實測容量，即視在功率。

圖7 未采用容量匹配策略時網(wǎng)側電壓、電流和功率

圖8 未采用容量匹配策略時逆變器側電壓、電流和功率

圖9 未采用容量匹配策略時逆變器功率有效值及容量

在0 s時，投入無功負荷，在0.06 s再投入非線性負荷。從網(wǎng)側電流波形可知(圖7(a))，即使投入兩類負荷后，網(wǎng)側電流仍能保持三相對稱正弦波形。尤其在投入非線性負荷后，畸變率為3.63%，說明文中所提多功能并網(wǎng)控制策略可行有效，諧波抑制效果良好。在逆變器運行至0.08 s時，逆變器側輸出有功功率為1.2 kW，無功功率為5 kvar，此時負載無功由逆變器提供，逆變器表現(xiàn)出多功能形態(tài)(圖8(b))。在圖7(b)中，網(wǎng)側有功功率為17.8 kW，為剩余有功負載提供有功功率。在0.16 s、0.22 s、0.26 s時改變光伏的光照強度，分別表示強光、弱光、無光，由圖8(b)知，逆變器輸出有功功率先增大至6.3 kW，后減小至1.5 kW，再減小至0 kW，無光時輸出的有功功率為零，此時輸出的無功功率用來補償系統(tǒng)中無功負荷。此時，上述工況對應的并網(wǎng)有功功率分別為23.7 kW、28.5 kW、30 kW，由功率守恒可知，網(wǎng)側有功功率對應相反的變化趨勢，無功功率為零，如圖7(b)所示。

從圖8(a)可以看出，在0.06 s前，即未投入非線性負荷時，逆變器輸出電流為正弦波，說明當并網(wǎng)系統(tǒng)無需補償非線性負荷的諧波時，多功能逆變器輸出有功功率；在0.06 s以后，當系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波時，多功能逆變器在輸出有功功率的同時，輸出與諧波電流等大反向的電流，抑制諧波。圖9是表征逆變器容量的波形圖，圖9(a)和圖9(b)分別為逆變器輸出有功功率、無功功率的有效值和逆變器的實測容量(即視在功率)，最高為8.1 kVA，此時為光照強度最高的工況。

實際工況中，逆變器容量是有限的，不會根據(jù)所需的各種功能的實現(xiàn)而無限的輸出。本文設置的逆變器容量(7 kVA)。由上述工況知，在0.16～0.22 s時光照強度最大，此時逆變器的輸出功率達到最大為8.1 kVA，超過了并網(wǎng)逆變器的額定容量，長時間在此工況運行會影響設備的使用壽命和并網(wǎng)性能。采用本文所提策略后，可得相應的各電氣量波形。圖10—圖12為采用容量匹配策略后，與圖9—圖11對應的工況。

由上述分析可知，當輸出的有功功率和無功功率滿足額定容量時，逆變器在并網(wǎng)運行時始終可實現(xiàn)多功能的效果；由圖9(b)可知，在0.16～0.22 s且未采用所提策略時，有功功率與無功功率的輸出超過了并網(wǎng)系統(tǒng)的額定容量，系統(tǒng)處于過載運行。與傳統(tǒng)多功能策略不同，采用文中所提策略后，在超額運行時，優(yōu)先輸出有功功率和諧波補償電流，將無功功率補償?shù)哪芰ο拗圃谝欢ǚ秶?，使得整個并網(wǎng)逆變器的實時容量滿足額定容量，正如圖10(b)和圖11(b)所示。由圖12(a)可知，有功功率仍以額定輸出量運行，無功功率降低至2.91 kvar，此時線路中的無功負載的差額無功功率由網(wǎng)側提供。與圖7(b)不同，在該工況下網(wǎng)側輸出的無功功率約為2.05 kvar。采用容量匹配策略后，逆變器的最大運行容量約為6.94 kVA，基本以額定容量運行。

圖10 采用容量匹配策略后網(wǎng)側電流和功率

圖11 采用容量匹配策略后逆變器側電壓、電流和功率

由于限制了逆變器的輸出功率，當系統(tǒng)需要補償無功功率時，逆變器受所提策略的影響，只能輸出有限的無功功率，其余的無功功率需要網(wǎng)側提供；由圖10(a)可知，由于未能完全治理系統(tǒng)的諧波電流，在逆變器容量受限的一段時間內(nèi)，網(wǎng)側電流的畸變率變?yōu)?.1%。而由于優(yōu)先輸出有功和補償諧波，仍能最大程度的抑制網(wǎng)側諧波，改善了系統(tǒng)的電能質量。從圖11(b)可以看出，在0.16～0.22 s內(nèi)，由于所需出力超過逆變器的額定容量，輸出無功明顯減?。粓D12顯示了策略后的逆變器容量的相關信息。從圖12(a)可知，相比圖9(a)逆變器輸出無功功率有效值在某一時刻受限制，相應的實測容量降低。如圖12(b)所示，視在功率基本保持在7 kVA以內(nèi)，保證了逆變器在額定容量下安全穩(wěn)定運行，驗證了所提策略的有效性。

4 結論

1) 本文以微網(wǎng)電能質量為背景，提出了光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略，諧波檢測環(huán)節(jié)采用廣義瞬時無功理論諧波檢測法，電流跟蹤控制環(huán)節(jié)采用準比例諧振控制器，隨后結合逆變器實際容量有限，又提出了一種簡單有效的容量限制策略，該策略簡單有效，邏輯清晰，并通過仿真軟件驗證了該策略的有效性。

2) 該方法可推廣至大容量、高耐壓的并網(wǎng)場景中，然而容量利用率的提升與開關頻率的降低兩者相互制約，如何平衡這一矛盾將在下一步的工作中研究。

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Capacity optimization control strategy of a multi-function grid-connected converter

WANG Qi1, ZHAO Xingyong1, ZHANG Gengwu2

(1. Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 2. Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

With the development of the "double high" power system, the grid-connected environment is showing a weak and complex situation. The existence of grid impedance makes the grid-connected point susceptible to harmonic interference and reactive power fluctuations, deteriorates the quality of grid-connected power, and affects the friendly grid-connected converters. Traditional grid-connected converters that only use active power as the transmission target are already difficult to adapt to the above working conditions. Based on the status quo, a photovoltaic inverter control strategy with harmonic suppression function is proposed. The command current is composed of the harmonic detection link and the DC side voltage stabilization control link. According to the generalized instantaneous reactive power theory, the instantaneous active component, fundamental positive sequence reactive component, and harmonic component of the grid-connected current are detected, and the functions of suppressing harmonics and reactive power compensation of photovoltaic inverter are realized through the current tracking control link. Then, considering the limited capacity of the inverter in the actual situation, a capacity matching strategy based on the composite function photovoltaic inverter is proposed, and a matching coefficient is designed. Considering the external characteristics of the grid-connected converter and the harmonic characteristics in actual working conditions, a strategy is designed with the output active power and the harmonic suppression control effect as the optimal control level, and the reactive power compensation control effect as the sub-optimal level. Finally, a simulation case is carried out to verify that when the photovoltaic inverter is in normal grid-connected operation, it can suppress the harmonic current of the grid-connected point and compensate for the reactive power to the greatest extent. This greatly improves the power quality of the grid-connected point and improves the inverter. The utilization rate of the converter enhances the robustness of the grid-connected converter when facing complex grid-connected conditions. The simulation results verify the effectiveness and feasibility of the proposed strategy.

This work is supported by Shanxi Province Higher Education Science and Technology Innovation Project (No. 2021L005).

photovoltaic inverter; control strategy; harmonic suppression; reactive power compensation; capacity matching

10.19783/j.cnki.pspc.210434

山西省高等學?？萍紕?chuàng)新項目資助(2021L005)；山西省應用基礎研究計劃青年項目資助(20210302124553)

2021-04-19；

2021-08-25

王 祺(1991—)，男，通信作者，博士，碩士生導師，研究方向為新能源并網(wǎng)技術、電力電子化電力系統(tǒng)的運行與控制、微電網(wǎng)電能質量治理及裝備制造等；E-mail: 343366922@qq.com

趙興勇(1965—)，男，教授，研究方向為大規(guī)模風電及分布式發(fā)電并網(wǎng)、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)運行與控制、電壓穩(wěn)定性等。

(編輯 姜新麗)