基于分布式光伏逆變器的電能質量綜合補償裝置

陶亮，程軍照，王文璽，宮金武

(1. 武漢大學 電氣工程學院，武漢 430072；2. 云南電網有限責任公司電網規劃研究中心，昆明 650011)

0 引 言

太陽能是一種分布廣泛、取之不盡用之不竭的可再生能源。經過數十年的發展，光伏發電已經越來越成熟，得到了廣泛的應用[1-3]。目前我國光伏發電主要以集中電站為主，但是由于種種原因導致了嚴重的棄光問題[4-8]。因此，靠近負荷中心的分布式光伏受到人們的重視，裝機容量增長迅速，成為一個重要發展趨勢。從電網角度看，分布式光伏發電符合低壓接入、就地消納的原則，有利于減小輸變電設備投資，經濟效益顯著。

于此同時，隨著各種非線性負載的接入，配電網的電能質量問題日益突出[9-10]，主要有諧波超標、功率因數不達標、電網電流三相不平衡等問題，嚴重影響了配電網用戶的正常工作。雖然有源電力濾波器(APF)、動態無功發生器(SVG)可以顯著改善配電網電能質量，但是其需要較大的投資，不利于大范圍推廣。

常規的光伏并網逆變器與APF/SVG都屬于并網型電力電子變流器，具有類似的主電路拓撲和控制器。不同點主要在于光伏逆變器是輸出基波有功電流，而APF/SVG是輸出諧波和無功電流[9,11-13]；兩者因為控制目標的不一樣導致主回路元件參數等有差異。由于光伏發電技術自身的特性，光伏逆變器不會一直以最大容量工作；將電能質量綜合治理功能集成在光伏并網逆變器中，可以提高并網逆變器的利用率，使其具備更加靈活和實用的拓展功能，具有重要的工程應用價值。

目前利用光伏逆變器實現電能質量治理的研究還主要集中于實現無功、諧波補償方面[14-17]，沒有實現電能質量的綜合治理，也少有考慮電能質量治理設備和光伏逆變器在主回路參數上的差異對DG-FACTS功能的影響，在檢測算法和電流跟蹤控制算法的選擇及設計上也沒有做出針對性的處理。文獻[18]提出利用分布式并網逆變器治理諧波的方法，但考慮的系統較為簡單；文獻[19]是對文獻[18]的深化，并針對利用分布式并網逆變器補償諧波和端線補償諧波進行對比分析；文獻[20]提出了開發光伏逆變器實現無功補償的新功能的方案；文獻[21]以數字DSP芯片實現并網發電和無功補償的統一控制，并做出樣機；文獻[22]提出利用分布式并網逆變器同時實現諧波治理和無功補償，并與其他治理方法進行了比較。

文中以常見的三相分布式光伏逆變器為研究對象，對其電能質量治理功能進行擴展，首先通過比較分析選取了基于瞬時無功功率理論的無功電流檢測方案和基于改進型滑窗迭代DFT算法的諧波電流檢測方法，其次研究分析了光伏并網逆變器實現電網不平衡電流補償的方案，選取了基于旋轉坐標系的負序電流提取方案；然后選取基于改進型重復控制的電流跟蹤控制算法，分析研究指令電流合成的可行性，提出一種基于負荷類型判別和考慮優先級設定的指令電流合成策略。最后在MATLAB/Simulink中建立了系統仿真模型，驗證了DG-FACTS功能的實現的可行性。

1 DG-FACTS的結構及分析

從本質來看，對系統進行諧波補償、無功補償和不平衡補償都是對電流波形進行治理。諧波補償旨在消除畸變電流，無功補償旨在解決電流相位問題，不平衡補償旨在解決電流不對稱問題。經過統一補償之后，系統電流對稱且呈正弦。正是因為上述補償物理性質的統一性，在光伏逆變器容量允許情況下，可以利用光伏逆變器實現電能質量綜合治理功能。

文中研究的DG-FACTS系統的硬件結構與控制框圖如圖1所示。三相三線制光伏逆變器通過LCL濾波器接入電網，光伏電池板接入其直流側，按照工作環境和參數設計的不同，可以在電池板和逆變器之間接入DC/DC電路。控制器采樣光伏電池輸出電壓和電流，按照MPPT控制算法，生成有功電流指令；同時，控制器采樣負載電流或者電網電流，分別通過無功電流檢測算法、諧波電流檢測算法、不平衡電流檢測算法，求得對應的指令電流值。各個電流指令經過模式識別、優先級處理與幅值限制，實現指令電流合成，然后通過閉環電流控制器和IGBT驅動電路，控制并網變流器實現指令電流的無靜差跟蹤，達到DG-FACTS功能。

圖1 光伏逆變器DG-FACTS功能實現框圖

2 諧波、無功功率、負序電流檢測算法

準確、快速的從負載電流(或者系統電流)中提取出諧波電流、無功、負序電流指令，是實現DG-FACTS功能的關鍵。指令電流的檢測算法除了要能滿足控制需求之外，還必須易于數字控制器實現。

2.1 諧波檢測算法

考慮到光伏逆變器的主回路參數及配電網中常見的諧波集中在25次以下的事實，采用光伏逆變器進行諧波補償時，需要有選擇性的補償低次諧波，因此需要諧波檢測算法能實現分次提取諧波的功能。文中采用改進型的快速傅立葉變換(FFT)的諧波檢測法，其實現原理如圖2所示。

其中is表示待檢測的電流，an、bn表示各次諧波的系數，ih表示諧波電流。將同步采樣的電流信號is進行FFT處理，得到各次諧波幅值和相位系數an、bn，經低通濾波器檢測出所需要的信號，對于檢出的信號作FFT反變換即得補償指令電流信號。

圖2 FFT諧波檢測示意圖

為了減小計算延時和利于數字控制器實現，文中采取了滑窗迭代DFT算法。利用滑窗迭代算法的思想，對傳統DFT中的an、bn的計算公式進行如下改進：

(1)

(2)

式中Nnew表示最新的采樣數據點;u((Nnew-N+1)τ)表示N-1個采樣周期前的采樣數據，最新的實時采樣數據加入到滑動窗，同時淘汰了最老的采樣數據，因而加快了采樣數據的更新速度。

進一步推導遞推公式如下：

u((Nnew-N)τ)cos(nω(Nnew-N)τ)+

u(Nnewτ)cos(nωNnewτ)

(3)

u((Nnew-N)τ)sin(nω(Nnew-N)τ)+

u(Nnewτ)sin(nωNnewτ)

(4)

每個采樣點的原始值，在和與之對應的旋轉因子相乘之后存儲在連續的數據緩沖區中這樣計算就演變為一個加法和一個減法的迭代過程，設計了如圖3所示的適用于DSP的滑窗迭代DFT諧波檢測模塊的實現方法。ia(k)是A相電流的第k個采樣點，ian(k)是A相電流的第n次諧波的第k個瞬時值。N是每個工頻周期的采樣點數，ω0代表基波角頻率。

圖3 單次諧波DFT檢測模塊的DSP算法框圖

2.2 無功檢測算法

低壓配電網中電壓波形普遍存在一定的畸變，基于工程實現的考慮，文中采用基于瞬時無功功率理論的無功電流檢測法。該方法的原理如圖4所示。該方法中，需要用到與a相電網電壓ua同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號-cosωt，這可由一個鎖相環(PLL)和一個正弦信號發生電路得到。根據定義計算出ip、iq，經LPF濾波得出ip、iq的直流分量ip-、iq-，ip-、iq-反變換后即可計算出iaf、ibf、icf，進而得到iah、ibh、ich。

圖4 ip、iq運算方式的原理圖

ip、iq運算實現的無功電流檢測方式計算量小，抗干擾能力強，所需的PLL可以和諧波電流檢測部分共用，易于數字控制器實現，適用于DG-FACTS系統。

2.3 不平衡檢測算法

圖5 網側不平衡電流檢測原理框圖

3 指令電流合成

具有DG-FACTS功能的光伏逆變器工作狀態主要有三種：(1)僅并網發電；(2)在保證并網發電功能的基礎上，實現或者部分實現電能質量綜合治理功能；(3)無光時，在容量允許的情況下，僅實現電能質量綜合治理功能。圖6為基于負荷類型判別和優先級設定的指令電流合成方案。

圖6 指令電流合成原理框圖

(5)

(6)

圖7 指令電流控制流程圖

4 仿真

文中基于MATLAB/Simulink搭建了三相光伏逆變器實現電能質量綜合治理功能的仿真模型，主要仿真參數如表1所示。

表1 仿真主要參數

為了模擬光伏逆變器實現電能質量綜合治理功能的各種不同的工作狀態，仿真過程中操作如下：t=0.05 s時，光伏逆變器開始工作；t=0.14 s時，光伏逆變器開始補償不平衡；t=0.34 s時，光伏逆變器開始發出有功指令；t=0.54 s時，光伏逆變器開始補償無功分量；t=0.74 s時，光伏逆變器開始補償諧波電流。此仿真旨在同時驗證光伏逆變器實現電能質量綜合治理功能和并網發電功能的可行性，圖8是光伏逆變器實現電能質量綜合治理功能的仿真結果圖。

圖8 DG-FACTS仿真結果圖

分析綜合治理前后網側電流的波形圖可知，治理后網側電流的不平衡和諧波分量明顯消除，重新達到平衡且正弦穩定輸出；分析功率指令值與輸出值對比圖可知，光伏電池輸出了35 kW的有功功率和10.6 kW的無功功率，系統功率的實際輸出值與其指令值的誤差小于1%，說明電流跟蹤控制器中有功、無功跟蹤性能良好；圖8(e)可看出經過綜合治理后，系統的功率因數從0.7變為1，說明光伏逆變器實現無功補償功能良好；圖8(f) 以A相電流為例，反應了綜合補償前后系統側電流動態變換的過程，可看出電流波形由含有明顯的諧波分量的波形變為標準的正弦波；對系統側電流進行FFT分析可看出，光伏逆變器進行諧波補償前后，THD由 24.12%下降到 2.93%，符合國家規定。

5 結束語

針對配電網中日益嚴重的電能質量問題，提出一種基于分布式光伏逆變器的電能質量綜合補償裝置，研究了在不影響光伏逆變器正常并網發電的基礎上實現電能質量綜合治理功能的方法。基于文中的研究，得到以下結論：

(1)提出了一套適用于光伏逆變器硬件結構和配電網功能需求的指令電流提取及合成算法；

(2)研究分析了改進型滑窗迭代DFT算法的原理及數字化實現方法，實現了主要諧波分量的分次快速提取；采用基于瞬時無功理論的ip-iq運算方法實現了無功電流的快速準確檢測；

(3)提出了一種基于負荷類型判別和考慮優先級設定的指令電流合成策略，確保光伏發電和電能質量功能的統一。