三相光伏并網的控制策略研究

華東交通大學電氣與電子信息學院 ■ 宋平崗 韓夢夢 侯潔紅 萬麗琴

0 引言

在傳統能源短缺和污染日益嚴峻的形勢下，新能源越來越受到人們的關注。太陽能以其取之不盡、用之不竭的優勢成為具有發展潛力的重要新能源[1-2]，利用太陽能的光伏并網發電已成為最主要的分布式發電之一[3-5]，也是新型智能電網發展的趨勢[6]。

隨著我國工業的快速發展，非線性負載投入使用的比例越來越高，產生的無功和諧波也越來越大，如果逆變器只對無功和諧波進行抑制[7-8]，就會存在逆變器功能單一的問題，還會降低其使用效率。雖然將光伏發電與有源濾波結合起來對逆變器實行統一控制能提高其使用效率[9]，但不能將光伏發電的最大有功功率瞬時送入電網，就會降低光伏發電的使用效率。

本文通過光伏最大有功瞬時傳送和有源濾波結合起來對逆變器進行綜合控制，考查其對APF中逆變器的使用效率及光伏發電的使用效率的影響。

1 系統電路結構

本文采用兩級式光伏并網系統的結構(圖1)：第一級為Boost型升壓電路，實現最大功率跟蹤控制；第二級為全橋逆變器，產生與電網電壓同頻、同相的電流，兩者之間通過濾波LC電路相連。光伏的最大功率跟蹤和電網的諧波檢測單獨設計，便于實現和控制。

直流側電壓經過AVR得到的電流與諧波檢測模塊檢測出來的電流共同合成并網參考電流，進而控制逆變器的開關狀態。有兩種運行方式：其一，白天實現最大功率送入電網的同時，補償本地非線性負載投入使用產生的無功和諧波，提高了電網的電能質量；其二，晚上或陰天等惡劣天氣時，光伏發電功率小于60 W，光伏退出并網維持Boost電路電容的電壓穩定，以便白天并網發電，減少并網時產生的諧波；另外電路還可做無功和諧波補償設備使用，補償晚上本地線性和非線性負載所產生的無功和諧波。

如圖1所示，系統由光伏電池組成的光伏陣列、Boost電路、LC濾波器和非線性負載等組成。

圖1 系統電路圖

2 系統的控制方法

系統的控制部分有MPPT的控制、諧波無功電流檢測控制、最大功率注入控制和輸出控制，如圖2所示。

圖2 具有有源濾波功能的光伏并網的控制圖

通過MPPT跟蹤的最大功率轉化為與電網電壓同步的最大有功電流注入電網，減少電網向負載側提供的有功，使光伏利用效率提高，也提高了諧波無功補償設備的利用率，經濟性得到提高。對比文獻[5](控制電容電壓的穩定，控制輸出的有功)所提出的控制方法，該控制方法具有的優勢為：可把光伏發出的有用功瞬時送入電網，避免光伏發電對電容C2過充造成C2電壓的升高，從而加速了對C2的穩壓性能，因此，具有更快的響應能力。

2.1 MPPT的控制

由于光伏電池發電成本高，因此要使光伏以最大的功率并網輸出，提高其效率。MPPT控制器能實時監測太陽能板的發電電壓，并跟蹤最高電壓電流值，使系統以最高效率對蓄電池充電[10]。本文采用擾動觀察法(P&Q法)得到光伏最大輸出功率。該方法先采樣輸出的電壓和電流，計算出功率，然后和前一刻采樣的電壓電流計算的功率進行比較，如果現在時刻的功率大，則向相同方向進行擾動，否則向相反方向擾動至找到最大功率輸出點為止。

P&Q法易采用模塊化控制回路，結構相對簡單，測量參數較少且成本低。由于不能較快跟蹤光伏陣列的最大發電功率，因此，較多應用于光照隨時間變化較慢的地方。但若增加采樣時間，可減少光伏發電系統的損失。控制算法流程圖如圖3所示。

圖3 P&Q法算法流程圖

2.2 諧波電流檢測原理

電流檢測及指令電流的合成原理圖如圖4所示。由圖4可知，該方法通過鎖相環鎖定電網電壓（ua）的相位信號。首先將主電路中的A、B、C三相電流變成Clarck坐標下的瞬時電流分量，緊接著經過dq坐標變換分離出有功電流和無功電流，然后經過低通濾波器濾除諧波成分并將q通道斷開，得到基波有功電流減去穩定光伏電容電壓的有功電流分量，從而得到基波負載所用的有效基波有功電流分量，再經過dq和Clarck反變換得到三相基波有功電流分量，將電網中實際電流減去三相基波有功電流分量，由此得到諧波和無功電流的參考分量。

圖4 電流檢測及指令電流的合成原理圖

Clarck到dq坐標變換表達式為：

Clarck變換得：

由式(1)、式(2)可得：

基波有功分量電流減去擾動電流分量后轉化為三相基波有功分量的電流，表達式為：

由式(4)推出式(5)，即得到三相諧波無功補償電流分量：

式中：為三相有功基波分量，與三相基波電流相減得到需補償的諧波無功電流。

2.3 最大功率注入的控制

MPPT跟蹤的最大功率(Pmm)減去維持光伏系統運行的功率(M=60 W)后，剩余功率為最大可并網有功功率(Pm)。已知直流側穩壓控制的電壓和光伏跟蹤的最大可并網功率得到id，設iq=0，由式(6)﹑式(7)變換到與電網電壓同相位的基波有功電流，式(8)為該電流與三相諧波無功電流之和作為控制逆變器輸出的參考電流，從而實現對逆變器的閉環控制。本文運用的是等功率變換。

式中：ia′、ib′、ic′為光伏電池輸送的三相最大有功基波電流分量；iaref*、ibref*、icref*為需要補償的三相諧波無功電流的和；其兩者相減為參考輸出電流iaref、ibref、icref，即式(8)由式(5)和式(7)推出。式(6)中Udc=Ud，Ud為電網的三相電壓經過dq變換到d軸的電壓，由此可計算出與電網電壓同相位的有功電流。

由式(6)～(8)可知，MPPT追蹤到的最大有功功率經過瞬時功率計算模塊變換為最大有功電流，因此，光伏發出的最大瞬時有功功率注入電網或被用戶使用，提高了光伏的利用效率；又能保證補償配電網側的諧波無功，故對用戶側非線性負載的使用所造成電網電流的污染具有抑制作用。

2.4 滯環比較輸出環節的控制

此處采用三角波比較方式，其原理如圖5所示。將參考電流inref與實際輸出電流in的差值Δin通過比例調節器后作為調制波(n為a、b、c三相)，三角波為載波，比較后得到IGBT的開通時間。此方法與滯環比較輸出的控制相比具有的特點為[11]：硬件復雜；跟蹤誤差較大；器件開關頻率可調且等于三角載波頻率，從而減少了器件損耗和噪聲污染。

圖5 輸出控制方式

3 仿真結果和分析

電網電壓恒定，幾乎無變化，故把電網當做理想電壓源處理。在一段時間內光伏輸出有功功率穩定的情況下，進行相關試驗。圖6為在本文提出的最大功率的控制方式下得到的仿真波形；圖7是在文獻[5]提出的控制方式下得到的仿真波形。電網A相電壓和電流的波形如圖6a和圖7a所示。從圖6a和圖7a可知：電網電流在0.1～0.3 s時，由于光伏輸出功率的降低，提供給負載的有功功率減少，以至于電網供給非線性負載的有功電流一直增大，且幾乎無無功和諧波電流；電網電流在0.3～0.4 s時，由于整個光伏系統退出運行，不再具有光伏的最大有功輸送和無功、諧波的補償功能，以至于電網輸出電流變大且畸變嚴重。圖6b和圖7b分別為在以上兩種控制方式下得到的電網A相輸出的電流圖。從圖6b和圖7b可知：當光伏電源輸出的有用功減小時，電網輸出有功電流增大，且波形較好(較好地補償負載的無功和諧波)；當光伏系統退出運行時，電網輸出有用功增大，諧波得不到補償致波形畸變嚴重。圖6c和圖7c分別為在以上兩種控制方式下得到的直流側電容電壓。圖6c和圖7c比較可得：采用本文提出的控制方式，當光伏輸出功率變化時，電壓重新穩定約需0.015 s；而利用文獻[5]提出的控制方法，在光伏輸出的功率浮動時，電壓達到穩定約需0.03 s。因而，本文提出的最大有功輸送理論更有助于直流側電壓穩定且電壓波動更小。

圖6 本文提出的最大功率的控制方式下得到的仿真波形

圖7 文獻[5]提出的控制方式下得到的仿真波形

4 結束語

本研究不僅實現了光伏電源的并網，而且抑制了非線性負載投入使用所引起的電網電流波形畸變，從而提高了電能質量。通過本裝置可把光伏電源發出的最大功率瞬間送入電網，對光伏電源的利用效率大幅增加，并且有助于提高光伏直流側電壓的穩定性。同時，陰雨或晚上，光伏電源退出電網，這時實現有源濾波，改善用戶端的電能質量，也減少了對電網電能質量的污染。

[1] 李冬輝, 王鶴雄, 朱曉丹, 等. 光伏并網發電系統幾個關鍵問題的研究[J]. 電力系統保護與控制, 2010, 38(21): 208－214.

[2] 周林, 曾意, 郭珂, 等. 具有電能質量調節功能的光伏并網系統研究進展[J]. 電力系統保護與控制 ISTIC EI, 2012, 40(9): 137－145.

[3] Antonio L, Steven H. Handbook of photovoltaic science and engineering [M]. Chichester. Hoboken, NJ:Wiley，2003.

[4] Oman H. Space solar power development[J]. IEEE AESSystems Magazine, 2000, 15(2)3－8.

[5] 王春蕾, 張代潤. 具有 APF 功能的光伏并網發電系統的研究[J]. 可再生能源, 2012, 30(3): 10－13.

[6] 施婕，艾芊．智能電網實現的若干關鍵技術問題研究[J]．電力系統保護與控制, 2009, 37(19): 1－4．

[7] M Rukonuzzaman, M Nkaoaka. Adaptive neuralnetwork based harmonic current compensation in activepower filter [J].Proceedings. JJCNN 101, 2001, (3): 2281－2286.

[8] 顧建軍, 徐殿國. 有源濾波技術現狀及其發展 [J]. 電機與控制學報, 2003, 7(2): 126－132.

[9] Kumar R, Mohanty A, Mohanty S R, et al. Power quality improvement in 3-Φ grid connected photovoltaic system with battery storage[A]. Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES),2012 International Conference on IEEE[C]. 2012: 1－6.

[10] 吳文博, 吳雷. 有源濾波器在微網光伏并網系統中的應用[J]. 江南大學學報(自然科學版), 2013, 12(3): 278－282.

[11]顧和榮, 楊子龍, 鄔偉揚. 并網逆變器輸出電流滯環跟蹤控制技術研究[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(9): 108－112.