弱電網下光伏并網逆變器電能質量控制策略研究

周識遠

(國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730070)

太陽能作為一種清潔可再生能源，以無污染、儲存量豐富、分散等優點在新能源領域占據重要角色。目前太陽能的利用以光伏發電形式最為廣泛[1]。但對我國而言，受土地、光照資源的限制，大規模光伏電站主要建設在沙漠或半沙漠偏遠地區，此時長距離的輸電線路將導致線路阻抗增大，而且用戶負載通常以離網或與外網以弱聯系的形式連接，電網結構薄弱，系統供電能力較差[2-3]。逆變器作為并網光伏發電系統中最為關鍵環節之一，伴隨遠距離電網末端光伏逆變器并網數量增多、單機容量增大，其控制變得越來越復雜，電網安全穩定運行無法保證，若不能有效解決逆變器安全穩定運行問題，將對電網電能質量產生嚴重影響，甚至導致整個電力系統崩潰[4]。此外，弱電網環境下，負荷側的切入與切除以及光伏發電系統輸出功率波動都將導致主網電壓的波動，從而使得并網點電壓波形畸變甚至越限，輸入諧波增大，系統電能質量變差，供電可靠性降低。

傳統逆變器的設計都將電網視為理想電壓源，但在弱電網下傳統電網模型將無法適用。此時基于戴維南定理，將網側等效為理想電壓源串聯等值阻抗，但較大的電網阻抗對于弱電網將產生不利影響，而且伴隨電網阻抗的增加，尤其是其中感性成分的增加，系統串/并聯諧振現象將越發明顯，這將導致電力系統的安全穩定性能下降，從而進一步惡化電網的穩定運行[5]，弱電網下系統電能質量問題變得越來越突出。為實現電網的無功補償和電流諧波抑制，國內外學者對其進行了大量研究。文獻[6]提出一種基于高頻注入的電網阻抗檢測方法，并通過試驗驗證所提方法的正確性，該方法改善了電流基波對電網的影響，但高頻信號對用戶側所引入的Cg干擾不容忽視。文獻[7]利用最小二乘法檢測阻抗，該方法對電力系統的穩定性和網側電能質量的影響較小，但其涉及計算量龐大，而且算法比較復雜。文獻[8-9]對傳統鎖相技術進行改進，電網波形發生畸變時可及時檢測電網電壓相位，從而提高并網電能質量，該控制策略簡單易行，但其只能減少特定諧波。文獻[10]針對弱電網下多逆變器并聯運行時，電網阻抗參數對光伏逆變器穩定運行影響及系統諧波振蕩放大的原因進行了詳細分析，為本文提供了有益的參考。文獻[11]提出一種基于瞬時無功功率理論的光伏并網逆變器的控制策略，該控制策略實現了光伏發電系統的消諧和無功補償功能，提高了配電網的電能質量，但其未考慮PCC點電壓穩定問題。

針對上述問題，本文以弱電網為研究背景，分析了光伏發電系統接入電網后的諧波以及電壓波動問題，基于瞬時無功功率理論以及PCC點電壓幅值控制方法，以提高光伏逆變器無功輸出性能，從而實現PCC點電壓的穩定和諧波環流的抑制，并采用Matlab/Simulink進行仿真驗證。

1 單相光伏并網逆變器

為提高控制精度，采用光伏并網逆變器雙級式結構，前級采用Boost升壓電路，后級采用單相全橋逆變電路。考慮電網阻抗(阻感性)，單相全橋逆變器在并網狀態下的等效模型如圖1所示，其中光伏并網逆變器由DC/DC升壓斬波電路與DC/AC單相全橋逆變電路構成。逆變器輸出電流經LCL濾波電路后，通過并網繼電器并入電網。

圖1 并網狀態下單相全橋逆變器的等效模型

由于弱電網下存在較大的電網阻抗使得光伏陣列輸入諧波增大，PCC點電壓發生波動，其輸出特性呈非線性。為提高光伏并網發電系統輸電效率，Boost升壓斬波電路輸出側電壓一般不低于500 V[12]。圖1中，Boost升壓電路將電壓值較低且變化范圍大的Upv轉換為適合DC/AC變換的直流側電壓Udc，Cdc是容量比較大的電容，從而穩定Udc。逆變電路將直流側電壓Udc變換為與電網電壓幅值接近、頻率相同的電壓Uinv，由于該電壓在開關頻率處具有高頻諧波，因而直接并入電網會帶來大量諧波，要通過LCL濾波器濾波，使電流以較低的畸變率并入電網Ug。

根據圖1，建立弱電網下的單相光伏并網逆變器的動態方程如下：

(1)

(2)

(3)

寫出上述動態方程對應的s域表達式如下：

(4)

式中：Ug為電網電壓；Uinv為逆變橋臂輸出的正弦脈寬調制電壓；Ls1為濾波電感；C為濾波電容；Lg和Rg分別為電網的等效電感和電阻；Ig為電網電流。

2 弱電網下單相光伏并網逆變器控制

光伏逆變器的并網控制包括升壓電路控制和逆變電路控制，主要研究后級并網逆變器的控制。本文采用基于瞬時無功功率理論的ip-iq電流檢測算法對電路中的瞬時電壓和瞬時電流進行控制，進而實現對光伏并網逆變器諧波和無功補償的檢測。其中，直流側穩壓采取電壓外環和無差拍的電流內環雙閉環控制，PCC點穩壓采取電壓幅值反饋控制[13]。

2.1 直流側穩壓控制

圖2所示為單相光伏并網逆變器控制框圖。VSC的控制策略為直流電壓外環、交流電流內環控制，并在控制環中引入電網電壓前饋。

圖2 單相光伏并網逆變器控制框圖

電流環采用無差拍控制技術，開關頻率固定，動態響應快，能在下一個控制周期內消除目標誤差，抑制諧波環流，實現穩態無靜差效果。

2.2 PCC點穩壓控制

PCC點的穩壓采取電壓幅值反饋控制，即通過補償無功功率來實現。其控制框圖如圖3所示。

圖3 PCC點的穩壓控制框圖

(5)

(6)

(7)

3 仿真分析

根據系統控制框圖，在Matlab/Simulink平臺上搭建仿真模型，并進行分析。系統控制參數見表1。

表1 系統參數

3.1 直流側穩壓分析

針對電網阻抗不斷變化的情形，采用PI控制進行仿真分析。阻抗值為0.1 mH時，采用PI控制下的逆變器輸出實際電流和參考電流的仿真波形如圖4所示，其中，藍色為并網電流，紅色為參考電流。圖5為阻抗值為0.1 mH時，并網電壓和并網電流的波形圖，紅色代表并網電壓Uinv，藍色代表并網電流Iinv。阻抗值為0.2 mH時，并網電壓和電流的波形圖如圖6所示，由于阻抗值的變化，并網電壓和并網電流發生變化，因此縱坐標取值范圍與圖5有所差別。

圖4 逆變器輸出實際電流和參考電流波形圖

圖5 阻抗值為0.1 mH時并網電壓和電流的波形圖

圖6 阻抗值為0.2 mH時并網電壓和電流的波形圖

由圖5、圖6中可知，在電網阻抗增加時，并網電流始終能較好的跟隨并網電壓，功率因數較高，驗證了所提控制策略的正確性和有效性。

3.2 無功補償分析

圖7所示為PCC點未加電壓幅值反饋控制下的無功波形圖，圖8所示為PCC點加入電壓幅值反饋控制的無功補償波形圖，其中，藍色曲線為有功功率，紅色曲線為無功功率。

圖7 PCC點未加電壓幅值反饋控制下的無功波形圖

圖8 PCC點加入電壓幅值反饋控制下的無功波形圖

由圖7中可知，在沒有加入無功補償裝置時系統的無功功率隨著負荷的變化，波動變化比較大，系統功率因數為0.81。另外，由圖8中可大致看出無功功率的平均有效值大致在0.5 s，此時有功功率P=1.6×106W，無功功率Q=0.9×106var，計算得此時的功率因數為0.87。因此，為了減小無功功率隨著負荷變化而波動較大的現象，應該在線路中添加無功補償來減小系統無功功率的變化，提高功率因數，從而穩定PCC點電壓。

4 結束語

本文提出一種基于瞬時無功理論的光伏并網逆變器電壓控制策略，通過檢測瞬時電壓與瞬時電流，將電壓外環與電流內環相結合，采用雙閉環控制實現直流側電壓穩定，有效抑制了弱電網下接入較大電網阻抗而導致的諧波環流。此外，利用電壓幅值反饋控制補償PCC點無功功率，使得PCC點電壓基本維持穩定。仿真結果表明：本文所采用控制策略可有效改善電網電能質量。