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(yōu)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(fā)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(guī)模光伏電站主要建設在沙漠或半沙漠偏遠地區(qū)，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(lián)系的形式連接，電網結構薄弱，系統(tǒng)供電能力較差[2-3]。逆變器作為并網光伏發(fā)電系統(tǒng)中最為關鍵環(huán)節(jié)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(wěn)定運行無法保證，若不能有效解決逆變器安全穩(wěn)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(tǒng)崩潰[4]。此外，弱電網環(huán)境下，負荷側的切入與切除以及光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)電能質量變差，供電可靠性降低。

傳統(tǒng)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(tǒng)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(lián)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(tǒng)串/并聯(lián)諧振現(xiàn)象將越發(fā)明顯，這將導致電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能下降，從而進一步惡化電網的穩(wěn)定運行[5]，弱電網下系統(tǒng)電能質量問題變得越來越突出。為實現(xiàn)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(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)鎖相技術進行改進，電網波形發(fā)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(lián)運行時，電網阻抗參數對光伏逆變器穩(wěn)定運行影響及系統(tǒng)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(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)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(wěn)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(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)PCC點電壓的穩(wěn)定和諧波環(huán)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(tài)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(tài)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(fā)生波動，其輸出特性呈非線性。為提高光伏并網發(fā)電系統(tǒng)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(wěn)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(tài)方程如下：

(1)

(2)

(3)

寫出上述動態(tài)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(xiàn)對光伏并網逆變器諧波和無功補償的檢測。其中，直流側穩(wěn)壓采取電壓外環(huán)和無差拍的電流內環(huán)雙閉環(huán)控制，PCC點穩(wěn)壓采取電壓幅值反饋控制[13]。

2.1 直流側穩(wěn)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(huán)、交流電流內環(huán)控制，并在控制環(huán)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(huán)采用無差拍控制技術，開關頻率固定，動態(tài)響應快，能在下一個控制周期內消除目標誤差，抑制諧波環(huán)流，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差效果。

2.2 PCC點穩(wěn)壓控制

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

圖3 PCC點的穩(wěn)壓控制框圖

(5)

(6)

(7)

3 仿真分析

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

表1 系統(tǒng)參數

3.1 直流側穩(wěn)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(fā)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(tǒng)的無功功率隨著負荷的變化，波動變化比較大，系統(tǒng)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(xiàn)象，應該在線路中添加無功補償來減小系統(tǒng)無功功率的變化，提高功率因數，從而穩(wěn)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(huán)與電流內環(huán)相結合，采用雙閉環(huán)控制實現(xiàn)直流側電壓穩(wěn)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(huán)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(wěn)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。