基于逆變器自適應功率控制的光伏并網(wǎng)點治理策略

馬 寧，徐永海，何志軒

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學），北京 102206）

高滲透率分布式電源接入和高比例電力電子電源/負荷設備使配電網(wǎng)呈現(xiàn)出新的運行特征。其中，功率雙向流動帶來的電壓越限[1-2]和非線性電源/負荷引起的諧波[3]成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的兩個重要原因。而由于光伏出力的隨機性[4]和間歇性，光伏逆變器往往存在一定的閑置容量[5]。為了提高光伏逆變器利用效率，不少學者對兼顧電能質(zhì)量治理功能的光伏逆變器控制策略進行了研究，利用光伏逆變器閑置容量進行并網(wǎng)點電壓越限治理[6-7]和諧波抑制[8-9]。

基于光伏逆變器閑置容量的電壓越限治理策略，主要通過增發(fā)無功功率實現(xiàn)。包括恒功率因數(shù)控制、基于并網(wǎng)點電壓幅值的無功控制及基于光伏有功出力的無功控制等[6-7，10-11]。相比于并聯(lián)電容器、分布式儲能裝置以及有載調(diào)壓變壓器分接頭等，該方案控制經(jīng)濟性最優(yōu)[12]，但閑置容量不足時治理效果并不理想。針對這一不足，有功無功協(xié)調(diào)控制[13-14]可以通過有功功率削減增大閑置容量，提升治理效果。以上研究給出了光伏逆變器閑置容量不足的解決方案，但是沒有考慮電壓越上限與越下限時有功削減對調(diào)節(jié)效果的影響的不同，在電壓越下限時可能削減過多有功而導致并網(wǎng)點電壓越限更加嚴重。

對于光伏逆變器的有功功率削減控制策略，文獻[15-16]提出了在最大功率點跟蹤控制MPPT（maximum power point tracking）和定功率控制CPG（constant power generation）之間切換的控制策略，可以根據(jù)任何設定點限制PV有功出力，但其強制光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率點的左側(cè)運行，只適用于兩級式光伏；文獻[17]提出的控制策略使光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率點的右側(cè)運行，可用于單級式/兩級式光伏，但有可能進入開路狀態(tài)無法正常工作[18]。

由于并網(wǎng)光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)與有源電力濾波器結(jié)構(gòu)基本一致，其不僅能作為光伏并網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，還存在諧波治理的可能性[9]。為減小本地負載注入電網(wǎng)的諧波電流，文獻[8-9，19-20]采用不同方式改進光伏逆變器并網(wǎng)電流控制策略，對本地諧波負載進行一定的電流補償，但都未考慮進行諧波治理的同時出現(xiàn)電壓越限的場景。

為對光伏并網(wǎng)點電壓越限和諧波問題進行協(xié)同治理，提出了逆變器容量分配方法。其中，針對電壓越限治理，提出了一種自適應功率控制策略，并且提出了一種考慮輻照度快速下降時開路電壓變化的光伏逆變器有功功率削減控制策略。最后在Matlab/Simulink平臺上進行了仿真驗證。

1 逆變器容量分配及功率控制策略

光伏并網(wǎng)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏集群經(jīng)變壓器及輸電線路并入電網(wǎng)。

圖1 光伏并網(wǎng)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified structure of PV grid-connected system

1.1 逆變器容量分配策略

針對并網(wǎng)點電壓越限，可以利用逆變器閑置容量發(fā)出無功功率進行治理。同時，針對并網(wǎng)點諧波問題，可以利用逆變器閑置容量對并網(wǎng)點進行諧波抑制，兩者均需利用逆變器閑置容量。基于此，提出逆變器容量分配策略，對逆變器用于電壓越限和諧波治理的容量進行分配，避免出現(xiàn)逆變器容量不足的情況。

首先，對逆變器閑置容量進行限制，確保總使用容量不超過總?cè)萘浚?/p>

式中：SP為光伏設備并網(wǎng)有功占用容量；SI為逆變器閑置容量；S為逆變器總?cè)萘俊?/p>

其次，根據(jù)逆變器總閑置容量，限制其用于無功支撐和諧波治理的功率，表示為

式中，Q和D分別為逆變器可以用于無功支撐的無功功率和用于諧波治理的畸變功率。

最后，劃分優(yōu)先順序，由于光伏逆變器并非專用諧波治理裝置，其閑置容量優(yōu)先用于防止電壓越限，若采用全部閑置容量進行無功支撐后并網(wǎng)點電壓依然越限，可以適當削減光伏輸出的有功功率，釋放出更多的容量進行電壓越限治理。

1.2 自適應功率控制策略

容量分配后，需按照容量分配結(jié)果進行電壓越限、諧波治理。原有的基于有功無功協(xié)調(diào)控制的電壓越限治理方法并未考慮有功削減后容量依然不足，進而無法完全治理電壓越限的情況。當光伏逆變器無法完全治理電壓越限時，若光伏并網(wǎng)點電壓越上限，削減有功和增發(fā)無功都會對電壓越限問題起到抑制作用；電壓越下限時，增發(fā)無功可以緩解電壓越限問題，但削減有功會導致電壓進一步下降，若進行功率削減直至并網(wǎng)點電壓不越限，可能過度削減有功，導致電壓越限更加嚴重。針對這一問題，本文提出逆變器自適應功率控制策略，在電壓越上限時，先通過逆變器無功-電壓控制進行治理，若閑置容量不足，再進行有功功率削減釋放出更大容量用于無功-電壓控制；在電壓越下限時，若閑置容量不足，先進行有功功率削減對并網(wǎng)點電壓治理效果的分析，再根據(jù)分析結(jié)果決定是否進行有功功率削減。治理效果為正則進行有功功率削減，治理效果為負則維持原有功出力不變。

針對諧波治理，在按照自適應功率控制策略進行有功無功控制后，利用剩余容量進行并網(wǎng)點諧波治理。逆變器自適應功率控制策略分為4種工作模式：①正常工作模式；②最大功率點跟蹤控制模式；③自適應功率削減控制模式；④電能質(zhì)量提升控制模式。自適應功率削減控制模式又可再細分為電壓越上限有功削減模式和電壓越下限有功削減/維持模式。其容量分配情況和控制流程分別如圖2和圖3所示。

圖2 逆變器容量分配情況示意Fig.2 Schematic of inverter capacity allocation

圖3 自適應功率控制流程Fig.3 Flow chart of adaptive power control

當光伏逆變器正常工作時，按最大功率輸出有功，同時利用剩余容量抑制并網(wǎng)點諧波。當光伏并網(wǎng)點發(fā)生電壓越限，選擇合適的工作模式進行治理。有光照時，光伏逆變器首先考慮采用閑置容量進行電壓越限治理，保持工作于最大功率點跟蹤模式，僅通過無功下垂控制進行電壓支撐。無功功率可調(diào)節(jié)范圍為

式中，P為光伏逆變器發(fā)出的有功功率。

若系統(tǒng)容量充足，在電壓越限治理后，可進一步利用剩余容量進行諧波抑制，畸變功率可調(diào)節(jié)范圍為

如系統(tǒng)中容量缺額較大，僅通過采用剩余容量增發(fā)無功功率的方式不足以使電壓保持在正常工作范圍，則進入有功削減控制模式，通過削減光伏逆變器的部分有功輸出，釋放出更多容量進行電壓越限治理和諧波抑制。當并網(wǎng)點電壓越上限時，進行有功削減直至電壓恢復至正常范圍。當并網(wǎng)點電壓越下限時，則需比較削減有功釋放容量進行電壓支撐與被削減有功自身電壓支撐效果，決定是否進行有功削減。

無光照時，光伏無有功輸出，光伏逆變器運行于電能質(zhì)量提升控制模式，相當于靜止同步補償器STATCOM（static synchronous compensator）+有源電力濾波器APF（active power filter），利用逆變器的全部容量進行動態(tài)無功支撐及并網(wǎng)點諧波抑制。維持并網(wǎng)點基波電壓在合理范圍內(nèi)，同時減小并網(wǎng)點諧波電流。

1.2.1 最大功率跟蹤控制模式

當光伏并網(wǎng)點電壓越限，但逆變器容量充足時，僅通過無功功率Q（U）下垂控制調(diào)節(jié)并網(wǎng)點電壓，有功功率仍按最大功率輸出。

圖1系統(tǒng)中，并網(wǎng)點Bus1處的電壓表示為

式中：U為并網(wǎng)點電壓；U0為電網(wǎng)電壓，即Bus0處的電壓；R為線路L1電阻R1與變壓器T1電阻RT之和，R=R1+RT；X為線路L1電抗X1與變壓器T1的電抗XT之和，X=X1+XT；k為變壓器T1的變比；P1+jQ1為線路L1上流向電網(wǎng)的功率總和。

此時，根據(jù)并網(wǎng)點電壓幅值和閑置容量確定無功下垂控制參考值，得

式中：U1～U4分別為0.93、0.94、1.06、1.07 p.u.；Qref和Qmax分別為光伏系統(tǒng)無功輸出參考值和限值。

若在電壓越限治理后系統(tǒng)容量仍充足，可進一步利用剩余容量進行諧波抑制。

1.2.2 自適應功率削減控制模式

當逆變器容量不足時，僅通過無功功率下垂控制不足以支撐并網(wǎng)點電壓，此時需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率及諧波功率（若存在）進行削減，釋放出更多的閑置容量進行電壓調(diào)節(jié)。

在光伏并網(wǎng)點電壓越上限時，削減有功和增發(fā)無功都會對電壓越限問題起到抑制作用，故可以進行功率削減直至并網(wǎng)點電壓不越限。而當光伏并網(wǎng)點電壓越下限時，增發(fā)無功可以緩解電壓越限問題，但削減有功會導致電壓進一步下降，若仍進行功率削減直至并網(wǎng)點電壓不越限，可能過度削減有功，反而導致電壓越限更加嚴重。基于此，提出電壓越下限治理時削減有功增發(fā)無功調(diào)節(jié)效果的判斷方法，推導過程如下。

由式（5）可知，忽略電壓降落的縱分量并假設電網(wǎng)電壓恒定，當電壓越上限時，光伏功率變化對并網(wǎng)點電壓的影響為

式中：ΔU1d為并網(wǎng)點電壓下降量；ΔPPV為并網(wǎng)光伏有功削減量；ΔQPV為并網(wǎng)光伏無功增發(fā)量。

當電壓越下限時，光伏功率變化對并網(wǎng)點電壓的影響為

式中：ΔUs為電壓越上限時有功削減釋放出的容量全部用于增發(fā)無功后電壓下降量；ΔUx為電壓越下限時有功削減釋放出的容量全部用于增發(fā)無功后電壓抬升量。

由式（10）可以看出，在電壓越上限時，削減有功增發(fā)無功必然會對電壓越限有正的治理效果；在電壓越下限時，ΔUx可能為負。需要對削減有功功率對并網(wǎng)點電壓治理效果進行分析，選擇對并網(wǎng)點電壓支撐效果最好的方式。

由此，提出電壓調(diào)節(jié)效果系數(shù)α，用以判斷削減定量有功功率（這里指定5%額定容量的有功功率）后電壓治理效果，表示為

式中：S為光伏集群額定容量；δ=R/X為線路阻抗比。當α大于1時，繼續(xù)進行有功削減；當α小于1時，停止削減，維持功率不變。

若有功削減后釋放出的閑置容量較多，進行電壓越限治理后仍有盈余，則繼續(xù)進行并網(wǎng)點諧波治理。

1.2.3 電能質(zhì)量提升控制模式

無光照時，光伏運行于電能質(zhì)量提升控制模式，將光伏電池從直流側(cè)切除，此時光伏逆變器無有功輸出，只作為電能質(zhì)量優(yōu)化裝置，利用其逆變器容量為電網(wǎng)提供無功支撐和進行諧波優(yōu)化。

2 控制器設計

本文所采用的光伏發(fā)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括光伏陣列、逆變器及濾波器三部分。由前文自適應功率控制策略可以計算得到光伏功率參考值，進而通過有功功率削減控制得到光伏逆變器直流側(cè)電壓參考值，與無功下垂控制結(jié)合，為電流內(nèi)環(huán)提供基波分量參考值；再通過提取并網(wǎng)點諧波電流得到諧波分量參考值，最終通過內(nèi)環(huán)電流控制得到PWM載波信號實現(xiàn)并網(wǎng)功能。

圖4 電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure

控制器部分包括電壓/功率外環(huán)控制、諧波檢測控制、電流內(nèi)環(huán)控制和脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制。其中電壓外環(huán)控制即為有功功率削減控制，包含2種工作模式：MPPT模式和CPG模式，功率外環(huán)控制為無功功率下垂控制。通過電壓/功率外環(huán)控制得到電流的基波有功無功分量參考值，再通過諧波檢測控制得到諧波分量參考值，三者疊加得到電流內(nèi)環(huán)參考值，進而得到輸出電壓參考值，經(jīng)PWM環(huán)節(jié)得到逆變器控制信號。

2.1 有功功率削減控制

有功功率削減控制即MPPT/CPG控制，根據(jù)光伏逆變器運行狀況工作于MPPT模式或CPG模式。針對逆變器自適應功率控制過程中的有功削減問題，提出了一種考慮輻照度快速下降時開路電壓變化，能自動改變工作電壓避免逆變器工作于開路狀態(tài)的CPG控制算法，使逆變器在輻照度快速下降時也能正常工作。

該算法基于光伏陣列P-Udc和Udc-Idc曲線，如圖5所示。從圖5（a）可以看出，隨著輻照度減小，光伏陣列開路電壓也會減小。而當輻照度不變時，光伏陣列輸出的有功功率隨光伏陣列端電壓增大先增大后減小。由此可得

式中：ΔP為光伏陣列有功輸出變化量；Udc和ΔUdc分別為光伏逆變器直流側(cè)電壓即光伏陣列端電壓及其變化量；UMPP和Umax分別為光伏逆變器直流側(cè)MPP電壓和開路電壓。故可以通過改變光伏逆變器直流側(cè)電壓改變光伏有功輸出，但光照強度快速下降時可能使光伏陣列正常工作電壓變?yōu)殚_路電壓，導致逆變器工作于開路狀態(tài)。

由圖5（b）可知，光伏陣列輸出電流與端電壓一一對應，當端電壓大于Umax時，輸出電流為0，即

圖5 光伏陣列特性曲線Fig.5 Characteristic curves of PV array

式中，Idc為光伏逆變器直流側(cè)電流，即光伏陣列輸出電流。故可以通過光伏逆變器直流側(cè)電流是否為0，鑒別光伏是否處于開路狀態(tài)。

當需要對光伏有功出力進行約束時，首先確認當前光伏逆變器直流側(cè)電壓是否為開路電壓，若是開路電壓且功率計算求得的參考功率Pref不為0，則降低電壓至正常工作電壓；若是正常工作電壓，則比較Pref與逆變器當前輻照度下最大功率Pmax，再根據(jù)比較結(jié)果使逆變器工作于MPPT模式或CPG模式。當Pref＞Pmax，逆變器工作于MPPT模式，采用擾動觀察法，使光伏按最大功率出力；當Pref＜Pmax，逆變器工作于CPG模式，對輸出功率進行限制，通過改變光伏逆變器直流側(cè)電壓使光伏工作于非最大功率點，減小光伏功率。

由圖5（a）可知，使光伏運行在最大功率點的左右兩側(cè)均可實現(xiàn)定功率輸出。跟蹤左側(cè)功率點電流變化較小，主要依靠電壓變化改變光伏出力；跟蹤右側(cè)功率點電壓變化較小，主要依靠電流變化改變光伏出力。由于所采用光伏逆變器為單級式光伏逆變器，若跟蹤左側(cè)指定功率點，直流側(cè)電壓較低且在進行功率約束時變化較大，難以滿足逆變器并網(wǎng)需求。故選擇跟蹤右側(cè)指定功率點來實現(xiàn)指定功率輸出，通過增加電流判斷環(huán)節(jié)避免光照強度變化帶來的開路電壓變化導致算法失效，其具體算法流程如圖6所示。

圖6 算法流程Fig.6 Flow chart of algorithm

計算得到光伏逆變器直流側(cè)電壓參考值后，再通過電壓外環(huán)控制確保光伏工作于該電壓，得到基波有功電流參考值為

式中：Idref為電流內(nèi)環(huán)基波有功分量參考值；kp和ki為PI控制器參數(shù)；1/s為PI控制器積分算子；Uref為光伏逆變器直流側(cè)參考電壓。

2.2 無功功率下垂控制

無功功率通過功率外環(huán)控制，根據(jù)式（5）確定無功參考值Qref，為功率外環(huán)提供參考，進而得到基波無功電流參考值為

式中：Iqref為電流內(nèi)環(huán)基波無功分量的參考值；Q為光伏逆變器無功輸出量。

2.3 并網(wǎng)點諧波檢測控制

并網(wǎng)點諧波檢測過程中，輸入信號為逆變器電網(wǎng)側(cè)a相電壓及并網(wǎng)點非線性負荷三相電流。采用基于瞬時功率理論的諧波提取算法計算出諧波電流。再經(jīng)派克變換得到逆變器電流內(nèi)環(huán)諧波分量參考值Idhref和Iqhref。

2.4 電流控制

電流控制器將有功功率削減控制、無功功率下垂控制及諧波檢測控制得到的基波、諧波電流控制信號轉(zhuǎn)化為電壓控制信號，作為正弦波PWM的調(diào)制信號，進而控制逆變器輸出，表示為

式中：Ud、Uq和Id、Iq分別為dq坐標軸下光伏逆變器電網(wǎng)側(cè)電壓和電流；Udref和Uqref為所得電壓信號的參考值；K為諧波治理效果系數(shù)，根據(jù)諧波治理所需容量與剩余容量關(guān)系調(diào)整，當諧波治理所需容量不大于剩余容量時取1，否則取0。

3 仿真分析

為驗證所提出的光伏逆變器自適應功率控制策略的有效性，在Matlab/Simulink上搭建如圖1所示簡化系統(tǒng)模型。逆變器額定容量為1 MV·A，并網(wǎng)點接有500+j100 kV·A線性負荷及部分非線性負荷，并網(wǎng)點到電源點線路阻抗r0=0.45 Ω/km、x0=0.358 Ω/km，長度為15 km。設定節(jié)點電壓上、下限分別為 1.07 p.u.和0.93 p.u.。

圖7為光伏逆變器有功功率削減控制效果驗證，設置有功功率削減至600 kW，光照強度E在0～1 s、1～2 s、2～3 s、3～4 s間分別為1000 W/m2、200 W/m2、600 W/m2、800 W/m2，從圖中可以看出，在光照強度急劇變化時有功功率削減控制仍能正常工作，實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

圖7 輻照度快速變化時有功功率削減控制效果驗證Fig.7 Effectiveness verification of active power reduction control when irradiance changes rapidly

圖8和圖9分別為電壓越上、下限兩種情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功無功情況及并網(wǎng)點電壓、諧波水平，其中電壓越下限情況與現(xiàn)有基于有功無功協(xié)調(diào)控制的電壓越限治理方法進行對比。在1～3 s之間，分別投入-2 Mvar和2 Mvar負荷，使系統(tǒng)出現(xiàn)無功缺額，并網(wǎng)點電壓越限。在此期間，首先通過無功功率下垂控制，光伏集群根據(jù)自身閑置容量發(fā)出無功功率，并利用剩余容量進行諧波抑制。若無功缺額較大，則停止諧波抑制，只進行無功支撐，仍然不足時，通過有功削減控制增加可用閑置容量，提升并網(wǎng)點電壓支撐效果。

圖8 電壓越上限自適應功率控制治理效果分析Fig.8 Analysis of effectiveness of adaptive power control when voltage exceeds the upper limit

圖9 電壓越下限自適應功率控制及傳統(tǒng)方法對比Fig.9 Comparison between adaptive power control and the traditional method when voltage exceeds the lower limit

從圖8中可以看出，1 s時在并網(wǎng)點投入2 Mvar容性無功負荷后，并網(wǎng)點電壓越上限，由于采用了無功功率下垂控制，光伏發(fā)電系統(tǒng)利用閑置容量發(fā)出無功功率進行電壓越限治理，此時閑置容量全部用于電壓支撐，停止諧波抑制，并網(wǎng)點諧波含量上升，但并網(wǎng)點電壓1.081 p.u.依然越限。為驗證所提的控制的有效性，在2 s時進行自適應功率控制，抑制電壓越限的同時釋放出更大的閑置容量。自適應功率控制后，并網(wǎng)點電壓1.068 p.u.不再越限，同時利用剩余容量進行諧波抑制，并網(wǎng)點電流諧波含量下降。

從圖9中可以看出，1 s時在并網(wǎng)點投入2 Mvar感性無功負荷后，并網(wǎng)點電壓越下限，由于采用了無功功率下垂控制，光伏發(fā)電系統(tǒng)利用閑置容量發(fā)出無功功率進行電壓越限治理，此時閑置容量全部用于電壓支撐，停止進行諧波抑制，并網(wǎng)點諧波電流含量上升，但并網(wǎng)點電壓（0.915 p.u.）依然越限。在2 s時進行自適應功率控制，削減有功功率釋放出更大的閑置容量。采用自適應控制方法，當有功功率削減為0.768 MW，無功功率為0.64 Mvar時，電壓調(diào)節(jié)效果系數(shù)α小于1，停止削減有功功率，此時電壓為0.923 p.u.，維持電壓不變，越限情況得到緩解；采用有功無功協(xié)調(diào)控制方法，在有功削減為0.768 MW時，會繼續(xù)削減有功增發(fā)無功，直至達到有功削減限值（設置有功削減限值為50%），最終電壓為0.916 p.u.，削減有功更多，但調(diào)節(jié)效果反而變差。4 s時，2 Mvar無功負荷切除，電壓恢復正常，停止進行無功支撐，并恢復有功功率輸出，利用閑置容量進行諧波抑制，并網(wǎng)點諧波電流含量下降。

4 結(jié)論

本文通過綜合考慮光伏逆變器的電壓越限治理能力和諧波治理能力，提出了一種基于光伏逆變器自適應功率控制的并網(wǎng)點電能質(zhì)量提升方法。通過仿真分析得出以下結(jié)論。

（1）在保證用于發(fā)出有功功率、無功功率、諧波功率的總?cè)萘坎坏贸^逆變器額定容量的前提下，可利用光伏逆變器同時進行并網(wǎng)點電壓支撐和諧波抑制，提高光伏逆變器利用效率。

（2）在利用光伏逆變器進行并網(wǎng)點電壓越下限治理時，采用自適應功率控制策略，先對削減有功增發(fā)無功調(diào)節(jié)效果進行判斷，可以避免削減過多有功導致電壓進一步下降。

（3）逆變器進行有功功率削減時，通過對CPG控制策略進行改進，可以在光照強度急劇變化時保持有功功率削減控制正常工作，實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

本文考慮了通過光伏逆變器同時進行電壓越限與諧波治理時的容量分配問題，但未考慮并網(wǎng)點諧波提取環(huán)節(jié)中引入低通濾波器帶來的系統(tǒng)動態(tài)響應性能降低問題；同時區(qū)域配電網(wǎng)中多光伏逆變器及其他電能質(zhì)量治理裝置如何進行協(xié)調(diào)配合值得更深入的研究。