程正航，陳澤純，劉洋，何歡，賀超群

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，武漢 430070）

引言

近10年來(lái)，光伏發(fā)電事業(yè)快速發(fā)展，各地光伏發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)裝機(jī)容量逐年增大，原有光伏發(fā)電場(chǎng)的擴(kuò)建工程也在快速推進(jìn)。三相并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)控制問(wèn)題逐漸凸顯，使相關(guān)研究逐漸深入。因?yàn)楣夥l(fā)電受光照影響較為顯著，發(fā)電功率日變化曲線明顯，所以光伏發(fā)電場(chǎng)的光伏電能會(huì)在發(fā)電場(chǎng)內(nèi)置電池系統(tǒng)或超級(jí)電容系統(tǒng)中存儲(chǔ)，使用三相并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)輸出持續(xù)電能。使用電池系統(tǒng)與超級(jí)電容系統(tǒng)聯(lián)合控制的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，有點(diǎn)能量密度高、電容功率密度大的聯(lián)合優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了光照強(qiáng)度變化對(duì)其發(fā)電功率曲線的擾動(dòng)，所以被廣泛采用。本文重點(diǎn)研究光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)三相并網(wǎng)逆變器向不平衡電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)。

1 策略設(shè)計(jì)需求與設(shè)計(jì)目的

電網(wǎng)正常運(yùn)行模式下，會(huì)出現(xiàn)因?yàn)樨?fù)載不平衡導(dǎo)致電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致故障型不電壓不平衡，可能導(dǎo)致三相并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)直流側(cè)電壓、入網(wǎng)側(cè)功率出現(xiàn)二倍頻脈動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)致并網(wǎng)電流快速變化伴逆序和諧波分量，使其并網(wǎng)電流質(zhì)量受到影響。該作用顯著時(shí)，可能會(huì)損壞三相并網(wǎng)逆變器設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作，影響系統(tǒng)的可靠性和安全性。所以，研究光儲(chǔ)微網(wǎng)在不平衡電壓條件下的主要正序、逆序角坐標(biāo)系下的PI控制，以及在兩相靜止坐標(biāo)系下的比例諧振控制，都屬于有效提升光伏發(fā)電場(chǎng)三相并網(wǎng)逆變器可靠性和安全性的有效途徑。

本文擬設(shè)計(jì)一套基于功率補(bǔ)償算法的限流策略MPDPC，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡時(shí)，在直流母線電壓控制器中投入陷波器，抑制因?yàn)榻涣鱾?cè)不平衡電壓導(dǎo)致的直流側(cè)二倍頻波動(dòng)，并通過(guò)該技術(shù)對(duì)電池組和超級(jí)電容共同組成的光伏儲(chǔ)能并網(wǎng)系統(tǒng)給出協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)下的并網(wǎng)控制過(guò)程。從理論上講，該并網(wǎng)策略可以有效抑制并網(wǎng)電流的諧波畸變過(guò)程，為證明該效應(yīng)，本文通過(guò)MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充分仿真模擬，對(duì)該策略的有效性和合理性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 功率補(bǔ)償與電流限幅驗(yàn)算實(shí)驗(yàn)

2.1 功率補(bǔ)償?shù)尿?yàn)算

對(duì)于功率補(bǔ)償與電流限幅驗(yàn)算實(shí)驗(yàn)的過(guò)程分析，首先要根據(jù)理論入網(wǎng)功率形成功率參考值，與功率實(shí)測(cè)值之間進(jìn)行差值計(jì)算，從而對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)投切，進(jìn)行功率補(bǔ)償控制。

靜止坐標(biāo)系下的功率理論值計(jì)算可寫(xiě)做：

式中：

P0,Q0—有功功率和無(wú)功功率的平均值；

—有功功率和無(wú)功功率的二倍頻脈動(dòng)值；

—iα的正序分量和逆序分量；

—iβ的正序分量和逆序分量；

—eα的正序分量和逆序分量；—eβ的正序分量和逆序分量。

以充分抑制逆序電流為目標(biāo)進(jìn)行功率補(bǔ)償驗(yàn)算，故可以得到：

將公式（2）轉(zhuǎn)換為角坐標(biāo)系，可得：

公式（1）及公式（3）屬于對(duì)有功功率二倍頻的抑制補(bǔ)償，如果進(jìn)一步考慮對(duì)無(wú)功功率的二倍頻補(bǔ)償，則有Δp=0且：

其中：

2.2 諧波抑制的參考值驗(yàn)算

電網(wǎng)運(yùn)行在不同的電壓跌落幅度狀態(tài)時(shí)，對(duì)不同控制目標(biāo)的并網(wǎng)參考電流進(jìn)行幅值預(yù)估并對(duì)諧波畸變情況進(jìn)行分析，最終為控制過(guò)程提供理論支持和數(shù)據(jù)支持。

根據(jù)前文對(duì)并網(wǎng)功率的二倍頻脈動(dòng)進(jìn)行抑制過(guò)程的分析驗(yàn)算過(guò)程，對(duì)三相電流的參考值進(jìn)行計(jì)算，可得：

其中：

進(jìn)而得出：

其中：

k取-1值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率脈動(dòng)的消除，k取+1值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率脈動(dòng)的消除，k取0值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的逆序電流進(jìn)行消除。

2.3 基于MATLAB的仿真分析

假定電網(wǎng)的不平衡度為：

在該電網(wǎng)不平衡度下構(gòu)建MATLAB仿真環(huán)境，賦值Pref=20 kW，Qref=5 kVA，假定三相電壓不平衡跌落，C相跌落幅度為B相跌落幅度的2倍，B相跌落幅度是A相跌落幅度的2倍，結(jié)合公式（1）至公式（9），可以得到以下仿真結(jié)果。

圖1中，縱坐標(biāo)為三次諧波與基波幅值比值，表示并網(wǎng)電流的諧波強(qiáng)度。圖2中，縱坐標(biāo)為故障電流的基波幅值與故障前的基波幅值的比值，表示故障電流的電流異動(dòng)強(qiáng)度。因?yàn)閳D2僅考慮到基波的幅值問(wèn)題，沒(méi)有考慮到諧波的擾動(dòng)，所以，實(shí)際故障電流超出圖2的仿真結(jié)果。

對(duì)比圖1和圖2，當(dāng)同時(shí)抑制并網(wǎng)功率的二倍頻脈動(dòng)影響時(shí)，并網(wǎng)電流中會(huì)出現(xiàn)一定功率的三次諧波，且隨著電網(wǎng)電壓的不平衡性增加，如電網(wǎng)電壓的跌落效應(yīng)趨于嚴(yán)重時(shí)，三次諧波的影響更加顯著。針對(duì)并網(wǎng)電流的幅值，無(wú)論采用任何一種控制目標(biāo)，當(dāng)電網(wǎng)不平衡性增加是，電網(wǎng)直流部分的諧波現(xiàn)象會(huì)顯著上升，當(dāng)電網(wǎng)不平衡性增加到一定幅度時(shí)，直流部分電網(wǎng)的過(guò)流風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。過(guò)流風(fēng)險(xiǎn)的衍生風(fēng)險(xiǎn)對(duì)電網(wǎng)直流部分的電氣設(shè)備壓力增大，可能會(huì)造成系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作或設(shè)備燒毀。

圖1 不平衡度與三次諧波之間的仿真關(guān)系

圖2 不平衡度與電流幅值之間的仿真關(guān)系

綜上，使用基于有功功率判斷的三相電流峰值參考值限流保護(hù)方案是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵突破點(diǎn)，在不發(fā)生過(guò)流并網(wǎng)過(guò)程的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)傳輸最大功率，既確保電網(wǎng)系統(tǒng)直流部分的安全運(yùn)行，也可以最大限度提升光伏發(fā)電場(chǎng)的并網(wǎng)效率，提升其經(jīng)濟(jì)效益。在參考電流中引入比例因子的方式對(duì)電網(wǎng)并網(wǎng)策略進(jìn)行安全管控，是本文策略的重要實(shí)現(xiàn)途徑。

即：

其中：

In—電網(wǎng)未發(fā)生不平衡電壓時(shí)的并網(wǎng)電流；

Imax—iaref2,ibref2,icref2三個(gè)故障電流值的最大值。

3 不平衡電網(wǎng)下并網(wǎng)策略的改進(jìn)策略

3.1 直流母線的電壓控制策略

通過(guò)接入二、三次諧波陷波器的策略對(duì)二次諧波和三次諧波進(jìn)行管理，可以最大限度解決光儲(chǔ)微網(wǎng)中的過(guò)流現(xiàn)象。

其傳遞函數(shù)可寫(xiě)做：

其中：

Q—陷波器的選型參數(shù)；

ωn—陷波器的特征角坐標(biāo)頻率；

圖3中，直流母線中在PI控制器之后布置陷波器，并使用公式（11）的陷波器傳遞函數(shù)進(jìn)行波形控制，從而使PI控制器的二倍頻輸出被有效抑制，使直流母線的電流輸出更接近參考值。

圖3 基于PI控制器聯(lián)合陷波器的直流母線控制策略圖

3.2 逆變器的直接功率控制策略

使用歐拉逼近算法，可以得到k+1時(shí)刻逆變器并網(wǎng)功率的預(yù)測(cè)值：

其中：

H為2×2單位量綱矩陣；

L—電網(wǎng)一側(cè)的濾波電感配置值；

R—并網(wǎng)回路的等效電阻值；

Ts—逆變器控制器的控制周期值；

在上述配置策略基礎(chǔ)上引入代價(jià)函數(shù)，則：

同時(shí)，為了避免前文所述多目標(biāo)控制策略下的控制策略相互影響情況，對(duì)有功功率和無(wú)功功率的二倍頻脈動(dòng)對(duì)正序、逆序電流的影響進(jìn)行充分抑制，將控制目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一化管理，其管理策略可寫(xiě)做：

該策略中，當(dāng)k分別取值-1，+1，0時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率、無(wú)功功率的二倍頻脈動(dòng)的有效控制和對(duì)并網(wǎng)電流逆序電流分量的有效控制。

3.3 綜合策略匯總

根據(jù)前文的推導(dǎo)結(jié)果，為了有效平衡電網(wǎng)電壓不平衡給光儲(chǔ)微網(wǎng)并網(wǎng)過(guò)程帶來(lái)的不確定影響因素，對(duì)其有功功率補(bǔ)償過(guò)程使用直接功率控制策略：首先對(duì)電網(wǎng)電壓延時(shí)1/4波形周期獲取電網(wǎng)電壓的正序逆序分量，確定電網(wǎng)電壓的控制目標(biāo)，獲得k值的理論取值，從而選擇補(bǔ)償設(shè)備的投切策略。通過(guò)對(duì)上述8種不同投切狀態(tài)的預(yù)測(cè)值變化情況，根據(jù)電網(wǎng)和直流側(cè)的實(shí)際電壓、電流、功率分布情況及其預(yù)測(cè)值，最終選擇最優(yōu)的解決方案。如圖4。

圖4 綜合策略示意圖

4 基于MATLAB的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真分析的參數(shù)設(shè)置策略

在對(duì)于MATLAB的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)分析中，要結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合利用上述理論分析和策略設(shè)計(jì)，使用MATLAB對(duì)上述策略進(jìn)行仿真分析，包括對(duì)光伏組件、逆變器、HESS等模塊進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。

在光伏電池的仿真模型設(shè)計(jì)中，設(shè)置光伏電池的開(kāi)路電壓為37.2 V，短路電流為8.65 A，當(dāng)達(dá)到最大輸出功率時(shí)，其最大功率電壓為30 V，最大功率電流為8 A，電池模組的串聯(lián)電池組個(gè)數(shù)為12個(gè)，電池模組的并聯(lián)數(shù)量為8個(gè)，每個(gè)模組有96個(gè)光伏電池，最大功率電壓為360 V，最大功率電流為64 A。

在逆變器電網(wǎng)一側(cè)的仿真模型設(shè)計(jì)中，電網(wǎng)相對(duì)地電壓有效值為220 V，電網(wǎng)頻率為工頻50 Hz，并網(wǎng)回路的等效電阻為0.5 Ω，等效濾波電感為10 mH，等效電容為2 000 μF，電網(wǎng)的控制周期設(shè)定為15 μs。

在HESS的仿真模型設(shè)計(jì)中，設(shè)置蓄電池的額定電壓為360 V，蓄電池的額定容量為100 Ah，超級(jí)電容器的額定電壓為400 V，超級(jí)電容的電容值為50 F，逆變器的電感值為5 mH，逆變器的控制周期設(shè)定為15 μs。

光伏電池的光照強(qiáng)度變化趨勢(shì)按照表1進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 工況A模式下的仿真結(jié)果

工況A模式屬于理想工況模式，設(shè)定三相電網(wǎng)的電壓均為理想電壓狀態(tài)，無(wú)功功率為0 kVA，光照強(qiáng)度變化趨勢(shì)依照表1設(shè)定進(jìn)行配置。

表1 光照強(qiáng)度時(shí)間變化趨勢(shì)設(shè)定表

理想工況模式下，并網(wǎng)的有功功率P僅與Pref有關(guān)，而此模式下，無(wú)功功率Q始終為0，故無(wú)功功率Q在實(shí)際仿真中始終為0。此模式下，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際功率輸出需求給出相應(yīng)的有功功率P和無(wú)功功率Q，且在實(shí)際運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，逆變器可以快速實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，給出對(duì)應(yīng)的有功功率P和無(wú)功功率Q。

當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)在其變化初期發(fā)生一定量的超調(diào)現(xiàn)象，但可以快速回歸到720 V的目標(biāo)控制電壓下，確保直流母線的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳狀態(tài)。儲(chǔ)能設(shè)施在此調(diào)整過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，在超調(diào)回調(diào)過(guò)程中，儲(chǔ)能設(shè)施特別是超級(jí)電容器會(huì)快速充放電，以平衡超調(diào)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響。

圖5為儲(chǔ)能設(shè)施，包括超級(jí)電容和蓄電池組成的光儲(chǔ)微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電波形圖，在光照強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)的超調(diào)現(xiàn)象，此時(shí)儲(chǔ)能設(shè)施會(huì)對(duì)應(yīng)充放電過(guò)程，及時(shí)平衡因?yàn)橄到y(tǒng)超調(diào)造成的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象。此過(guò)程可以有效保護(hù)直流母線的穩(wěn)定性和設(shè)備安全。

圖5 并網(wǎng)過(guò)程的HESS充放電趨勢(shì)圖

圖6中可以看到，在20 kW和15 kW的功率參考值模式下，其電流畸變率分別為0.88 %和1.5 %，滿(mǎn)足光伏發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)要求波形畸變率不超過(guò)5 %的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，證明本文策略在實(shí)際光伏發(fā)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)波形畸變的影響有積極意義。

圖6 并網(wǎng)三相電流畸變率變化趨勢(shì)圖

4.3 工況B模式下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于上述的仿真過(guò)程分析可以得到在工況B模式下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，工況B設(shè)定為三相電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落的工況模式。其光照強(qiáng)度恒定設(shè)定為1 kW/m2，并網(wǎng)有功功率Pref設(shè)定為20 kW，無(wú)功功率Qref設(shè)定為5 kVA，在0.2 s之前設(shè)定三相電網(wǎng)的電壓狀態(tài)完全正常，在0.2～0.3 s時(shí)，A相電壓跌落至0.8 pu，在0.3～0.5 s時(shí)，A相電壓跌落至0.6 pu，在此工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可知在A相電壓兩次跌落的過(guò)程中，系統(tǒng)可以基本保證有功功率P和無(wú)功功率Q的輸出穩(wěn)定性。

當(dāng)A相電壓跌落過(guò)程中產(chǎn)生的不同工況條件下，并網(wǎng)的電流畸變率分別達(dá)到了7.19 %和15.42 %，該電流畸變已經(jīng)嚴(yán)重影響到了光伏發(fā)電場(chǎng)的并網(wǎng)電能質(zhì)量。

圖7和圖8展示了使用了本文策略的仿真結(jié)果。

從圖7可以看到，在功率變化趨勢(shì)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程中，可知在電網(wǎng)電壓第一次跌落過(guò)程中，無(wú)功功率Q的輸出發(fā)生了一定的超調(diào)和自適應(yīng)過(guò)程，而在電網(wǎng)電壓第二次跌落過(guò)程中，無(wú)功功率Q的自適應(yīng)過(guò)程尚未結(jié)束，故有功功率P的輸出也出現(xiàn)了一定程度的超調(diào)和自適應(yīng)過(guò)程。

圖7 并網(wǎng)有功功率P與無(wú)功功率Q的變化趨勢(shì)仿真實(shí)驗(yàn)圖

從圖8可以看到，直流母線電壓變化趨勢(shì)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因?yàn)橄到y(tǒng)的自適應(yīng)過(guò)程導(dǎo)致了直流母線電壓并不能穩(wěn)定在720 V的直流電壓上，而是根據(jù)系統(tǒng)的超調(diào)過(guò)程和自適應(yīng)過(guò)程表現(xiàn)出一定程度的波動(dòng)，但此波動(dòng)最大穩(wěn)定在710～730 V之間，即在720±10 V之間，直流母線的電壓波動(dòng)率為＜±1.34 %，在系統(tǒng)的承受范圍之內(nèi)。

圖8 直流母線電壓變化趨勢(shì)仿真實(shí)驗(yàn)圖

該方案犧牲了部分直流母線穩(wěn)定性和輸出有功功率P和無(wú)功功率Q的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流畸變的有效控制。當(dāng)A相電壓跌落為0.8 pu時(shí)，電流畸變從未使用本策略時(shí)的7.19 %下降到使用本策略后的0.66 %，當(dāng)A相電壓跌落為0.6 pu時(shí)，電流畸變從未使用本策略的15.42 %下降到使用本策略后的0.70 %。該電流畸變率小于純理想狀態(tài)下因?yàn)楣庹諒?qiáng)度發(fā)生變化產(chǎn)生的電流畸變率。

5 總結(jié)

本文策略的核心思路是采用電流限幅策略，對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)電壓跌落過(guò)程給直流母線帶來(lái)的擾動(dòng)過(guò)程進(jìn)行有效控制，特別解決了該過(guò)程產(chǎn)生的二倍頻諧波對(duì)直流母線的影響。通過(guò)相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，并通過(guò)引入陷波器及將多控制目標(biāo)有效綜合，在犧牲部分直流母線電壓穩(wěn)定性和輸出功率穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流波形畸變率的有效控制。該策略對(duì)提升逆變器工作效率，增加系統(tǒng)的綜合穩(wěn)定性和設(shè)備安全性，有積極意義。