陶 蕾，王英林，付佳宇

（中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120）

0 引言

近些年來，清潔能源應(yīng)用更加廣泛，為人們的用電環(huán)境提供了保障。光伏發(fā)電是眾多清潔能源中使用最多的能源，對(duì)于電能的穩(wěn)定使用具有重要作用。現(xiàn)如今，海上運(yùn)輸較多，大型貨物在海上運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間甚至超過了陸地上運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間。因此，海上光伏發(fā)電也受到了廣泛關(guān)注。但是，光伏發(fā)電同樣存在隱患，當(dāng)遇到陰雨天氣時(shí)，發(fā)電穩(wěn)定性不佳，很容易影響海上運(yùn)輸效果。針對(duì)以上問題，研究人員設(shè)計(jì)了多種方案，以控制逆變器電流的方式，確保發(fā)電穩(wěn)定性。

有研究人員提出基于有源阻尼電流觀測器的并網(wǎng)逆變器無電流傳感器反饋控制方法。主要是以閉環(huán)控制為主，逆變電流出現(xiàn)故障之后，利用相應(yīng)的模型重構(gòu)電流，控制電流重構(gòu)過程變量與電壓變量，從而保證電流的穩(wěn)定輸出[1]。還有研究人員提出基于擾動(dòng)觀測器的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法，主要是抑制負(fù)載電流擾動(dòng)，處理電流中的穩(wěn)態(tài)誤差，從而實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤控制[2]。雖然以上兩種方法均能夠滿足對(duì)逆變器電流控制的需求，但是在進(jìn)行電流控制的過程中容易受到其他因素的影響，逆變器出現(xiàn)快速反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電流參考值會(huì)出現(xiàn)大幅度變化，使得逆變器出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)偏差，導(dǎo)致電流控制效果不佳[3]。

為了解決上述方法存在的不足，本文在滑窗DFT 的條件下，設(shè)計(jì)了海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法。

1 海上光伏并網(wǎng)逆變器電流的滑窗DFT控制方法設(shè)計(jì)

1.1 確定海上光伏并網(wǎng)逆變器電流控制參數(shù)

船舶在海上運(yùn)行時(shí)，海域面積遼闊，太陽能夠從早到晚地廣角照射，保證發(fā)電的穩(wěn)定性[4]。光伏電壓在各個(gè)發(fā)電單元的并網(wǎng)公共點(diǎn)高壓側(cè)，受到線路阻抗、光照強(qiáng)度、逆變器等因素的影響[5]，并網(wǎng)電壓很容易出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，降低發(fā)電穩(wěn)定性[6]。電網(wǎng)阻抗會(huì)造成并網(wǎng)逆變器的電流變化，逆變器的性能逐漸失穩(wěn)，電流諧波減小，產(chǎn)生的電流諧波引起的諧振問題，是影響逆變器電流控制的主要因素[7]。本文根據(jù)海上發(fā)電的實(shí)際情況，確定逆變器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。其中，Udmax為最大光伏列陣輸入電壓；Ud為MPPT 電壓范圍；Pout為逆變器交流輸出功率；Uab為并網(wǎng)電壓有效值；f1為電網(wǎng)頻率；fs為逆變器開關(guān)頻率[8]。一般情況下，允許電網(wǎng)電壓Uab的范圍為210～310 V，總電流波形畸變率小于5%，即可保證電流穩(wěn)定性[9]。

表1 逆變器相關(guān)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)逆變器相關(guān)技術(shù)參數(shù)的變化情況，確定出電流控制參數(shù)如下：

式中：Δimax為電流控制參數(shù)；Ts為逆變器載波周期；L為逆變器的等效電感。

通過Δimax的變化情況，將電感與電容功率縮小，增加并網(wǎng)電流的控制能力，電流波動(dòng)畸變率在允許范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上，限制L，從而滿足發(fā)電并網(wǎng)電流控制條件[10]。

1.2 基于滑窗DFT消除光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變電流諧波

滑窗DFT 是一種諧波電流分析方法，逆變器電流控制過程中，僅依靠控制參數(shù)無法保證電流控制效果[11]。因此，本文利用滑窗DFT，消除光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變電流諧波。對(duì)于任意的逆變器電流信號(hào)n(x)，其滑窗迭代周期為X，周期采樣個(gè)數(shù)為N，采樣周期表示為s=X∕N，則光伏發(fā)電逆變電流的離散變化表示為：

式中：n(ks)為光伏發(fā)電逆變電流的離散變化表達(dá)式；a0為初始采樣點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)；an為第n個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)；λ為離散參數(shù)；k為常數(shù)；s為采樣周期；bn為第n個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的諧波電流數(shù)據(jù)。

引入滑窗DFT 算法之后，直接將an數(shù)據(jù)作為最新的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)淘汰a0，提升電流諧波檢測效率。滑窗DFT 迭代算法原理如圖1 所示。由圖可知，舊值就是電流初始數(shù)據(jù)；舊電流數(shù)據(jù)就是前5 次采集的電流數(shù)據(jù)；新電流數(shù)據(jù)就是最近5次采集的電流數(shù)據(jù)[12]。

引入滑窗DFT迭代算法之后，改進(jìn)an與bn，公式如下：

式中：Nnew為最新的電流采樣點(diǎn)；n(is)為第i個(gè)采樣周期前的采樣數(shù)據(jù)。

在一個(gè)完整的采樣周期內(nèi)，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過與之對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)因子存儲(chǔ)在連續(xù)空間中。在此空間內(nèi)對(duì)不適合的瞬時(shí)諧波進(jìn)行檢測，保證負(fù)載電流的控制能力[13]。本文對(duì)最新采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波檢測，諧波信號(hào)表示為：

式中：n′(ks)為最新電流數(shù)據(jù)中的諧波信號(hào)。

由于電流采樣頻率較高，計(jì)算量較大，本文使用了滑窗迭代簡化計(jì)算步驟[14]。當(dāng)一個(gè)完整的采樣周期采樣數(shù)據(jù)更替之后，滑窗循環(huán)指針回到初始位置，開始下一周期的數(shù)據(jù)循環(huán)更替，通過減、加等運(yùn)算，即可完成諧波消除的迭代工作[15]。在諧波消除完畢之后，本文構(gòu)建了逆變器電流有源阻尼控制模型，消除連續(xù)域內(nèi)的不穩(wěn)定極點(diǎn)，從而穩(wěn)定離散域的電流。模型表達(dá)式如下：

式中：D[n′(ks)]為逆變器電流有源阻尼控制模型表達(dá)式；ρ4、ρ3、ρ2、ρ1為離散域內(nèi)的異變電流極點(diǎn)；m4、m3、m2、m則分別為ρ4、ρ3、ρ2、ρ1的離散因子。

通過控制模型，將異變電流極點(diǎn)消除，從而確保逆變器的電流控制效果。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電流控制方法是否具有使用效能，本文對(duì)上述方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。受到海上發(fā)電的局限性，本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬出海上發(fā)電環(huán)境，利用追光控制系統(tǒng)，將太陽高度角與方位角還原成海上發(fā)電情況，保證本次實(shí)驗(yàn)的有效性。在海上環(huán)境仿真完成之后，分別使用文獻(xiàn)[1]基于有源阻尼電流觀測器的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法、文獻(xiàn)[2]基于擾動(dòng)觀測器的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法，以及本文設(shè)計(jì)的基于滑窗DFT 的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法，對(duì)逆變器電流作出控制。實(shí)驗(yàn)具體過程以及最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

在本次實(shí)驗(yàn)中，采用了Matlab∕Simulink 仿真軟件，搭建出海上光伏發(fā)電仿真模型。模型主要是由兩個(gè)光伏發(fā)電單元和SVG 組成，逆變器選用LCL 濾波控制參數(shù)，電流控制參數(shù)保持為設(shè)定值，電壓控制點(diǎn)選在變壓器10 kV 母線側(cè)，保證本次實(shí)驗(yàn)的有效性。海上光伏發(fā)電仿真模型如圖2 所示。圖中，A1、A2、A3、A4、A5 為變壓器仿真模型；M1、M2、M3 為線路仿真模型；SVG 為無功補(bǔ)償器。

圖2 海上光伏發(fā)電仿真模型

使用上述仿真模型，并分別模擬出晴天、陰天、雨天、風(fēng)天的光照強(qiáng)度在一天的變化情況。光照強(qiáng)度的模擬時(shí)間為9:30-17:30，并根據(jù)光照情況設(shè)定變壓器的模型參數(shù)。變壓器參數(shù)如表2所示。

表2 變壓器參數(shù)

M1 的線路長度約15 km，電壓約0.27 kV，電阻為0.008 2 Ω∕km，阻抗參數(shù)約為3.66×10-6H∕km。M2 的線路長度約10 km，電壓約為0.27 kV，電阻與M1相同，阻抗參數(shù)與M1 一致。M3 的線路長度約100 km，電壓約10 kV，電阻約0.270 Ω，阻抗參數(shù)為2.50×10-3H∕km。根據(jù)上述給定的變壓器參數(shù)與線路參數(shù)，令逆變器處于正常運(yùn)行狀態(tài)，光伏發(fā)電維持在低壓側(cè)10 kV母線附近的無功補(bǔ)償容量約為850 kvar?？紤]到逆變器的實(shí)際運(yùn)行情況，將SVG的無功補(bǔ)償容量設(shè)定為500 kvar，由此確保逆變器的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，本文隨機(jī)選取了多個(gè)正常運(yùn)行的逆變器，其標(biāo)準(zhǔn)電流一致。本文以正常運(yùn)行的逆變器電流作為標(biāo)準(zhǔn)，在海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器運(yùn)行的0.5～1.0 s 之內(nèi)，對(duì)其電流進(jìn)行控制。分別使用文獻(xiàn)[1]基于有源阻尼電流觀測器的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法、文獻(xiàn)[2]基于擾動(dòng)觀測器的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法，以及本文設(shè)計(jì)的基于滑窗DFT 的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法，對(duì)逆變器電流作出控制，控制過程中逆變器電流變化情況如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由此可知，在海上進(jìn)行光伏發(fā)電的過程中，電壓存在穩(wěn)態(tài)偏差，電壓波動(dòng)較大，逆變器電流波動(dòng)隨之增加。使用文獻(xiàn)[1]基于有源阻尼電流觀測器的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法之后，將逆變器的電流作出重構(gòu)，減弱發(fā)電并網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)偏差，雖然具有一定的效果，但是逆變器電流控制效果與標(biāo)準(zhǔn)電流之間存在微弱差異，很容易出現(xiàn)逆變器電流波動(dòng)幅度增加，從而發(fā)生故障，影響海上發(fā)電效果。使用文獻(xiàn)[2]基于擾動(dòng)觀測器的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法之后，將逆變器的采樣電流進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)控制，在逆變器運(yùn)行的0.5～1.0 s 之內(nèi)，功率階躍響應(yīng)效果更佳，對(duì)于電流控制具有一定的效果。但是，該方法主要針對(duì)逆變器的功率控制，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電流與標(biāo)準(zhǔn)電流仍存在誤差，亟須進(jìn)一步改進(jìn)。使用本文設(shè)計(jì)的基于滑窗DFT 的海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法之后，是將逆變器電流進(jìn)行閉環(huán)控制，在消除電流諧波的基礎(chǔ)上，減弱逆變器的穩(wěn)態(tài)偏差，控制的電流與標(biāo)準(zhǔn)電流基本保持一致，能夠?qū)崿F(xiàn)電流的有效控制。由圖3可知，本文方法控制的電流與標(biāo)準(zhǔn)電流相差無幾，更適合應(yīng)用在海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變控制，符合本文研究目的。

3 結(jié)束語

使用光伏發(fā)電解決了海上發(fā)電的難題，對(duì)于海運(yùn)模式的發(fā)展具有重要作用。但是現(xiàn)階段海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流容易出現(xiàn)諧波問題，是影響海上光伏發(fā)電的主要因素。現(xiàn)有的逆變器電流控制方法存在會(huì)導(dǎo)致電流參考值會(huì)出現(xiàn)大幅度變化，使得逆變器出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)偏差，電流控制效果不佳。為此本文利用滑窗DFT 技術(shù)，設(shè)計(jì)了海上光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器電流控制方法。從控制參數(shù)、諧波電流、控制模型等方面，對(duì)逆變器電流進(jìn)行控制，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可在消除電流諧波的基礎(chǔ)上，減弱逆變器的穩(wěn)態(tài)偏差，控制的電流與標(biāo)準(zhǔn)電流基本保持一致，能夠?qū)崿F(xiàn)電流的有效控制，真正意義上提高海上光伏發(fā)電質(zhì)量。