光伏并網逆變器多種功能協調控制的研究

黨 克，衣鵬博，劉子源，田 勇

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

光伏(photovoltaic,PV)發電作為目前已經產業化的可再生能源生產技術受到廣泛關注。國內外很多研究機構和學者都對光伏發電相關技術進行了深入研究，中國在光伏發電研究方面基本成熟[1]。非線性負載容易產生各種諧波，對電網將造成污染，另外產生的大量無功電流也會對電網產生較大影響，將導致電能質量下降。為有效解決以上問題，國外內很多學者對有源電力濾波器(active power filter,APF)進行了深入研究[2]，并由于近年來國家對于光伏并網低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)的要求越發嚴格，光伏電站經長距離輸電線路接入電網后,并網逆變器的穩定運行也面臨嚴峻挑戰[3]，因此為了減輕逆變器的壓力和低電壓穿越功能，靜止同步補償器的無功補償性能被充分開發。

現在的光伏并網逆變器、靜止無功補償器(sta-tic reactive power compensator，STATCOM)和APF都有不同的缺點。光伏逆變器由于白天陽光充足可進行發電，晚上沒有陽光不能發電，利用率過低并且經常切換開關會使電網不穩定。不過APF在補償無功電流或者過濾諧波時，其容量相對比較小，且成本很高，很難大規模應用在電網中[4]。STATCOM雖然容量較大，對無功補償的效果非常顯著，但性能有些單一。根據APF、STATCOM和PV并網逆變器的分析，APF和STATCOM向電網提供無功功率和補償諧波，而PV并網逆變器只提供有功功率。從這個角度來看，其工作過程中雖然給電網提供的電能不同，但整體上的結構基本相似，且關鍵技術也基本一致，理論上可以進行統一協調控制。現在已有機構對其中兩者統一控制進行研究，包括將無功補償系統和光伏發電系統統一控制，電能質量調節系統和光伏發電系統的統一控制[5]。

本文將APF、STATCOM與光伏逆變器結合起來，形成統一的多功能協調控制結構，在光伏并網過程中實現向電網提供無功補償和調節電能質量的功能。在電網發生故障電壓降落時可以充分補償無功以支撐并網點電壓恢復，完成低電壓穿越。所提出的系統的結構及控制策略已在Matlab上得到了驗證，仿真結果證明了本文提出的系統的可行性。

1 系統結構

本文提出的系統結構見圖1,其中usa、usb、usc分別為三相電源直流側電壓；ica、icb、icc分別為三相采樣電流；VT1至VT6分別為控制單元的晶閘管；VD為采樣二極管；VT為直流單元晶閘管；uia、uib、uic分別為控制單元的三相電流；Udc為直流側電壓；UPV為直流單元光伏輸出電壓；C、L、R分別為電容、電感和電阻，PCC為公共連接點。APF主要是在電網中將各種諧波電流過濾掉，補償無功電流，有效解決電網中存在的電流不平衡等問題[6]。在APF中，要實現諧波和無功電流的補償，關鍵在于直流側電壓保持穩定[7]。APF的直流(direct current,DC)側直接連接到電容器，此時APF將和電網發生有功能量交換，補償電容器中的電能。通過分析DC側APF的控制原理可知，如果DC側電壓比額定值更高時，APF會將電能傳遞到電網中，DC側電壓將會降低，即DC側電能可通過APF直接輸送到電網。光伏陣列可以直接或通過升壓電路連接到APF的DC側。通過實施最大功率點追蹤(maximum power point tracking,MPPT)，光伏陣列在工作過程中可以向電網注入能量，且功率可以達到最大。與此同時，APF和光伏陣列可以在不相互影響的情況下提高電網的電能質量。

圖1 本文提出的系統基本結構

在三相并網逆變器拓撲結構中，相比常規STATCOM，多了一級Boost升壓電路[8]，所以也可以把光伏陣列直接或經過一級Boost升壓電路接到STATCOM的DC側，當光伏陣列向電網輸送電能時無須修改硬件即可實現光伏并網發電功能。當電網發生故障使并網點電壓降低時，利用STATCOM可以靈活地調節無功功率的優點來實現低電壓穿越。例如電網因為發生故障導致電壓突然下降，此時STATCOM發出無功功率，將可以有效提高電網的電壓，并使得光伏逆變器電流輸出壓力降低，進而幫助光伏發電系統實現低電壓穿越[9]，這樣就可在同一設備上同時實現無功電流和諧波電流補償、光伏并網發電和低電壓穿越等多種功能，提高了設備的利用率和減少了設備重復投資。該設備可以適應智能電網發展需要。

2 系統的算法建立

本文所提出的系統要同時具有提高光伏并網電能質量和低電壓穿越時無功補償的功能，就電能質量考慮時指令電流的計算與合成是本系統的重要環節。就低電壓穿越時基于STATCOM功能的逆變器的無功補償是本系統的重要內容。

2.1 諧波檢測及指令合成算法

指令電流的計算目前包括無功補償指令電流和諧波補償電流以及光伏并網發電最大功率有功指令電流。實現APF功能的過程中，檢測無功功率和諧波電流非常重要。目前有很多種諧波電流的檢測方法[10]，其中最快的檢測方法就是瞬時無功功率理論。

圖2為兩種電流合成和檢測的原理框圖。A相電網電壓Ua相位由數字鎖相環(phase locked loop，PLL)跟蹤，可以確保電流檢測精度。

圖2 指令電流合成和檢測的原理框圖

(1)

(2)

由式(2)可知，前者是無功及諧波電流分量，后者是三相基波電流[11]。控制變流器將指令電流注入到電網中，實現光伏發電，也提高了電能質量。

2.2 無功功率的補償算法

當本文提出的系統補償電網無功功率時，可以將該系統視為電壓源，且其電壓可以發生改變。圖3為本文提出的系統等效電路圖，其中，Us和Uc分別為電網相電壓和本文中提出的系統的輸出電壓，UL為負載電壓，X為等效電抗，R為等效電阻(線損與其他損耗)。從本文提出的系統的簡化電路圖可以得到:

圖3 本文所提系統等效電路

(3)

其中δ為系統輸出電壓和電網電壓的相位差，φ為電網電壓初相角，由式(3)可以得到:

(4)

由式(4)可知：當系統處于穩態時，新系統吸收的有功電流和無功電流分別為:

(5)

由式(5)可知：本文提出的系統與電網之間的無功能量交換可以通過改變δ的大小來進行調整，所以在電網電壓突然跌落時，本文提出的系統可以控制自身向電網輸送的功率，由此可以對電網起到支撐作用，避免電網電壓突然下降時光伏逆變器無功補償壓力過大，同時可以使得光伏系統變得更加穩定，確保在故障發生時仍可靠供電。

3 系統控制方法

本文提出的逆變器在控制過程中有并網控制模式和低電壓穿越控制模式。并網工作模式是通常狀態下的控制方式，系統將為電網提供無功電流補償，過濾諧波電流，對電網質量進行調節，提高其電能質量。當電網出現低電壓或者低電壓穿越時需要模式切換控制。不過在不同控制模式下，電壓和頻率需要保持一致，因此有必要在兩種模式切換時鎖定相位。利用三相鎖相環控制環節[12]進行相位的鎖定，來減小開關電流的沖擊，提高系統穩定性，實現平穩切換。

3.1 正常運行模式切換到故障模式

如果電網電壓突然下降，電壓幅值已經低于額定電壓90%，此時將切換到低電壓穿越控制模式，圖4為對應的鎖相環控制電路。

圖4 模式切換控制圖

3.2 從故障模式到正常運行模式

模式切換時，系統輸出電壓與電網電壓將存在一定的差值，導致出現沖擊電流、設備損壞或新的故障，因此，有必要在模式切換之前對電壓進行預同步，以確保在模式切換回到正常運行模式之前，二者的輸出幅度和相位保持一致。

(6)

(7)

圖5為預同步控制器的原理框圖：首先獲得電網相位θg，并求得其與光伏逆變器相位θn的相位差Δθ，對該相位差進行調節，采用比例微分調節器。這樣會得到一個頻率補償信號Δf，再將Δf與低電壓穿越運行下的頻率參考值fLVRT相疊加，主控制器參考頻率采用該疊加頻率，然后計算出參考相位。以上措施將能實現系統控制模式切換前后，逆變器和電網電壓相位相同，避免出現電流沖擊。

圖5 預同步控制器的原理框圖

4 仿真驗證

本文在Matlab環境下對提出的協調控制系統進行模擬和仿真分析。在仿真模型中，將電網電壓和頻率分別設置為380 V和50 Hz；電阻R=5 Ω；通過阻感負載模擬產生電網中有功和無功功率，P=50 kW，Q=51 kvar。

4.1 當系統作為光伏并網功能運行時

當系統作為光伏并網功能運行時，需要進行電能質量調節，0.08 s投入本文提出的系統，仿真波形見圖6(a)。

圖6 本文所提系統電能質量提高功能仿真波形

由圖6明顯看出，圖6(a)在0.08 s之前沒有投入本文提出的系統的時候，由于存在諧波與無功電流導致電網中的電流滯后于電網的電壓；在投入本文提出的系統后，電能質量有了明顯的改善且電流與電壓同相。并且對A相進行快速傅立葉變換得到圖6(b)，電網向負載注入的有功電流的幅值明顯變小，系統中 5 次及 7 次諧波的含量也明顯降低，諧波畸變率也由8.44%明顯降低到1.87%，所以仿真結果達到了預期效果。

4.2 當系統進行低電壓穿越功能操作時

當系統進行低電壓穿越功能操作時，需要提供無功功率來支持并網點的電壓恢復。設定仿真條件為電壓跌落到30%額定電壓，仿真波形見圖7。

圖7 本文所提系統低電壓穿越功能仿真波形

由仿真結果明顯看出，圖7(a)顯示當系統沒有投入低電壓穿越功能時，并網點電壓降落至額定電壓的30%，電壓明顯降低。由圖7(b)可知，當系統以STATCOM功能投入時，并網點電壓明顯升高，發生故障前后的電壓波動幾乎為零，所以仿真結果顯示達到了恢復電網電壓的效果，提高了系統的穩定性。

4.3 當系統進行模式切換時

圖8為系統模式切換時兩種控制模式下的角速度，在0.1 s時電壓降落，系統為低電壓穿越模式，在1s時完成低電壓穿越，系統恢復并網模式。

圖8 本文所提系統模式切換功能仿真波形

由圖8可以明顯看出，系統迅速發現短路故障并且轉換模式，在低電壓穿越期間控制信號也可以很好的跟蹤被控制信號，兩種模式下的控制信號也幾乎重合，保證了兩種模式相位的統一，達到了預同步效果，避免了電流沖擊，保證了系統的穩定性。

5 結論

為了減小光伏并網逆變器、APF和STATCOM的各自的缺陷，減少設備重復投資并且提高其利用率，滿足未來電網的發展需要。本文提出在同一設備上實現多種功能的統一控制系統，且通過仿真實驗驗證了本系統的可行性。本文提出的系統及新控制策略的特點如下。

a.在同一個設備上實現光伏并網發電與電能質量提升，并且在電網發生短路故障過程中，該系統會通過充分地補償無功功率來進行并網點電壓的恢復，提高電網穩定性。

b.在光伏并網控制與低電壓穿越控制之間自由切換，當電網正常運行時本文提出的系統是光伏并網功能，當電網發生故障時本文提出的系統會切換到低電壓穿越控制模式并且通過鎖相環進行相位的鎖定，從低電壓穿越模式切換回并網模式時還會進行預同步處理以保證模式前后的輸出相位一致，減小了沖擊電流并保證系統的穩定性。