兩級式三相光伏并網系統無功補償控制

海廣超，陳　華，金曉虎

(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047)

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兩級式三相光伏并網系統無功補償控制

海廣超，陳華，金曉虎

(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830047)

摘要：光伏并網逆變器為最大限度利用太陽能，大部分情況下以接近單位功率因數運行，逆變器控制功能單一。為提高光伏發電系統的并網能力，同時對本地負載進行無功補償，節約無功補償設備的投資，改進了三相瞬時無功電流檢測方法，使光伏并網逆變器能夠在光伏發電的同時進行無功補償。并網逆變器模型為電壓型電流源方式并網，逆變器控制方法采用雙閉環瞬時矢量控制技術。仿真結果表明了該方法可提高光伏發電系統接入電網的能力。

關鍵詞：光伏并網逆變器；無功補償控制；瞬時電流檢測；雙環控制

0引言

隨著能源短缺危機和環保壓力的不斷增加，需要大力促進新能源的開發和利用。太陽能以其可再生性、清潔性及取之不盡、用之不竭等的優點正發展成為一種重要的綠色能源[1]。國務院頒布的《能源發展戰略行動計劃(2014年～2020年)》中指出要大力發展太陽能發電，有序推進光伏基地建設，同時做好就地消納利用和集中送出通道建設[2]。目前，光伏發電系統的無功需求通常采用在光伏電站母線上安裝電容器、SVC等裝置來實現。本文以雙級式光伏并網發電為例，對于最大功率跟蹤采用了增量電導法和積分調節相結合的方法，改進了三相負載的無功電流檢測方法，通過對逆變器的控制實現無功補償和并網發電的功能[3- 5]。

1系統控制原理

兩級式光伏并網發電系統的原理如圖1所示，前級Boost型DC/DC變換器實現電壓上升和光伏陣列輸出電壓控制，最大功率點跟蹤(MPPT)部分將完成光伏陣列最大功率點工作電壓和有功輸出電流指令的計算，后級DC/AC采用三相全橋逆變電路，經濾波和帶本地負載后并網。逆變器和Boost通過直流母線電容相連，兩者獨立控制有利于控制環節的設計和實現。

圖1　兩級式光伏并網系統控制結構

控制電路包括DC/DC升壓及最大功率點跟蹤部分和DC/AC逆變器控制部分。太陽能陣列輸出為直流源，其V-I和P-V特性曲線隨不同的光照強度和溫度而變化，非線性特征明顯，為了在不增加控制系統硬件成本的基礎上，同時提高對最大功率點的跟蹤精度，最大功率點跟蹤控制器在電導增量法上加積分調節器的技術進行優化，該最大功率跟蹤控制系統可自動改變占空比，以在產生所需的電壓中提取最大功率。逆變器采用雙閉環控制來維持母線電壓穩定和輸出并網電流，通過對前級DC/DC部分電壓調節輸出有功指令電流，同時檢測負載上的無功電流，再通過電流內環的控制，同時實現無功補償和并網發電。

2并網逆變器模型及控制

由并網逆變器主電路及基爾霍夫定律，可得并網逆變器三相靜止坐標系下的數學模型

(1)

式中，ia、ib、ic為三相電感電流；ua、ub、uc為三相逆變器側電壓；ea、eb、ec為三相電網電壓；L為交流側濾波電感。

當電網三相對稱時，經三相靜止坐標系到同步旋轉坐標系的變換，并加入直流側電容后得到逆變器數學模型

(2)

并設

(3)

得出同步旋轉坐標系下逆變器數學模型為

(4)

(5)

式中，kp、kis為電壓環比例系數和積分系數。

電流內環PI控制器實現閉環控制，PI控制器輸出為

(6)

3諧波及無功電流檢測

為了使逆變器能夠對負載進行無功補償，就需要對負載的無功電流進行檢測。傳統基于ip、iq運算方式的諧波無功電流檢測方法由于其原理和電路結構簡單，因此模擬電路和數字電路均可以方便的實現[8]。但是傳統方法的檢測精度一方面要求鎖相環產生的sinwt、coswt準確無誤，另外要求主要部件的參數對三相基波電流峰值的靈敏度均大于1，如果不能滿足這兩個條件，檢測誤差很大[9]。為此，對傳統檢測電路作了改進，在低通濾波器LPF后增加PI比例積分調節，以保證系統的穩定性和控制的精度，使系統的主要參數對濾波檢測精度的靈敏度下降。圖2為改進無功電流檢測原理框圖。

圖2　改進無功電流檢測原理

4仿真實例分析

為了驗證整個控制系統的可行性，搭建matlab/simulink建模仿真平臺，標準條件(25 ℃ 1 000 W/m2)下光伏陣列輸出功率大約為為100 kW，該光伏陣列使用了330個SunPower模塊(SPR- 305E-WHT-D)。陣列由66串5串并聯連接的模塊(66×5×305.2 W=100.7 kW)組成。光伏陣列標準條件下，最大功率點對應的輸出電壓為273 V，光伏系統通過5kHz DC-DC升壓轉換器升高電壓為500 V直流。三相三電平電壓型電流源逆變器把500 V直流電轉換為260 V交流電，經10 kV·A三相耦合變壓器升壓連接到一個25 kV電網模型。由于電網中感性負載居多，本文中逆變器輸出帶阻感性負載。

圖 3為3 s內光照強度的變化曲線及光伏陣列經最大功率跟蹤后功率輸出曲線，其中光照強度曲線單位為W/m2，最大功率跟蹤曲線單位為kW，光照強度曲線0.7～2 s模擬了云層飄過時光照強度的變化情況，2.3～2.7 s模擬了光照強度突然變化時的情況，先減弱再增強，由1 000 W/m2減弱到250 W/m2，經0.3 s后由250 W/m2增強到1 000 W/m2，光伏陣列最大功率跟蹤控制在0.2 s開始工作，標準條件下跟蹤到100.4 kW，此后最大功率隨著光照強度的變化而變化，最大功率變化具有很好的動態響應速度，整個變化過程中跟蹤效果良好，仿真結果表明，該功率跟蹤控制能快速跟蹤光照變化，該控制策略策略簡單、容易實現，對硬件要求不高。

圖3　模擬光照強度變化及最大功率輸出曲線

圖4直流母線電壓穩定曲線，控制器外環維持直流母線電壓的穩定，0.2 s時MPPT控制器開始工作后直流母線電壓即可維持在參考電壓500 V，說明外環控制能達到維持直流母線電壓穩定的作用，之后云層飄過時，母線電壓有小幅變化，光照強度突變時，母線電壓變化幅度比云層飄過時大，這主要是輸出的能量突變對電容充放電造成的，其變化幅值在允許范圍內。

圖4　直流母線電壓穩定曲線

圖5逆變器輸出A相電壓電流變化波形圖，0.05 s逆變器開始工作，0.05 s之前電壓波形諧波含量少，這主要是此時的電壓是由電網提供，逆變器開關元器件并沒有產生諧波。0.05～0.2 s之間輸出電流波形變化較大，是因為MPPT控制器還沒有開始工作，輸出電流受功率波動的影響，0.2 s后電流波形穩定，且逆變器輸出電壓相位超前電流相位。

圖5　逆變器輸出A相電壓電流變化波形

圖6為逆變器輸出的有功功率，并網點有功功率及無功功率曲線，通過曲線可以看出逆變器輸出的一部分有功功率被負載吸收，并網點無功功率為0，可知逆變器輸出的無功功率完全補償了負載的無功消耗，同時該仿真曲線還表明云層飄過和光照強度的突然變化影響的是光伏發電的有功功率輸出。光伏發電系統的發電能力并不對負載的無功補償效果產生影響。

圖6　逆變器、并網點及負載功率曲線

圖7 為A相并網點的電壓電流波形，為了便于清楚地觀察電壓電流的相位關系圖中縮小了電壓的幅值，0.05 s之前逆變器工作在整流狀態，并網點的電壓電流反相，0.05～0.2 s逆變器開始工作于逆變狀態向電網輸出電能，0.2 s后電壓電流達到同頻同相的并網要求。

圖 8為并網點3 s內電流輸出波形及其在0.5 s之后的10個周波的傅里葉分析，由于本文逆變器為電壓型電流源輸出，所以并網點的電壓不會發生變化，并網點的電流會隨著光伏發電系統輸出功率的變化而變化，通過電流輸出波形可知電流幅值的變化趨勢和光照強度的變化趨勢相同，通過電流的傅里葉分析可知穩定時并網電流的總諧波畸變率(THD)為2.89%小于5%可以滿足光伏發電電流并網標準的要求。

圖7　并網點輸出電壓電流波形

圖8　并網電流波形及其傅里葉分析

5結論

本文通過兩級式光伏并網系統建模仿真，驗證該光伏系統采用的最大功率跟蹤方法動態響應能力良好，跟蹤精度較高，逆變器外環控制可使直流側母線電壓保持穩定，改進了負載的諧波及無功電流檢測方法，實現了光伏并網逆變器的有功控制和無功電流補償，仿真還表明該系統的無功補償能力不受光照強度的變化影響，并網點電流諧波失真率可以滿足光伏發電系統并網標準的要求。但在有功輸出一定的情況下，逆變器的無功補償會增大逆變器的輸出電流，進而對逆變器的容量有更高的要求，因此無功補償要在逆變器的容量允許范圍內補償。

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(責任編輯高瑜)

Reactive Power Compensation Control for Two Stage Three-Phase Photovoltaic Grid-Connected System

HAI Guangchao, CHEN Hua, JIN Xiaohu

(School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, Xinjiang, China)

Abstract:The output power of photovoltaic grid connected inverter usually operates close to unity power factor for the maximum utilization of solar energy, and the inverter control function is single. In order to improve the ability of grid connected photovoltaic power generation system, provide reactive power compensation to local load and save investment of reactive compensation equipment, the three-phase instantaneous reactive current detection method is improved and the photovoltaic grid connected inverter has additional functions of reactive power compensation. The grid connected inverter is a voltage-type current source mode and the control method adopts double closed-loop instantaneous vector control technology. The simulation results show that the proposed method can improve the ability of photovoltaic power generation system to access the network．

Key Words:photovoltaic grid connected inverter; reactive power compensation control; instantaneous current detection; dual loop control

中圖分類號：TM615

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0089- 04

作者簡介：海廣超(1988—)，男，河南漯河人，碩士研究生，主要從事光伏并網發電技術研究．

收稿日期：2015- 07- 09