光伏并网逆变器多种功能协调控制的研究

党 克，衣鹏博，刘子源，田 勇

(东北电力大学，吉林 吉林 132012)

光伏(photovoltaic,PV)发电作为目前已经产业化的可再生能源生产技术受到广泛关注。国内外很多研究机构和学者都对光伏发电相关技术进行了深入研究，中国在光伏发电研究方面基本成熟[1]。非线性负载容易产生各种谐波，对电网将造成污染，另外产生的大量无功电流也会对电网产生较大影响，将导致电能质量下降。为有效解决以上问题，国外内很多学者对有源电力滤波器(active power filter,APF)进行了深入研究[2]，并由于近年来国家对于光伏并网低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)的要求越发严格，光伏电站经长距离输电线路接入电网后,并网逆变器的稳定运行也面临严峻挑战[3]，因此为了减轻逆变器的压力和低电压穿越功能，静止同步补偿器的无功补偿性能被充分开发。

现在的光伏并网逆变器、静止无功补偿器(sta-tic reactive power compensator，STATCOM)和APF都有不同的缺点。光伏逆变器由于白天阳光充足可进行发电，晚上没有阳光不能发电，利用率过低并且经常切换开关会使电网不稳定。不过APF在补偿无功电流或者过滤谐波时，其容量相对比较小，且成本很高，很难大规模应用在电网中[4]。STATCOM虽然容量较大，对无功补偿的效果非常显著，但性能有些单一。根据APF、STATCOM和PV并网逆变器的分析，APF和STATCOM向电网提供无功功率和补偿谐波，而PV并网逆变器只提供有功功率。从这个角度来看，其工作过程中虽然给电网提供的电能不同，但整体上的结构基本相似，且关键技术也基本一致，理论上可以进行统一协调控制。现在已有机构对其中两者统一控制进行研究，包括将无功补偿系统和光伏发电系统统一控制，电能质量调节系统和光伏发电系统的统一控制[5]。

本文将APF、STATCOM与光伏逆变器结合起来，形成统一的多功能协调控制结构，在光伏并网过程中实现向电网提供无功补偿和调节电能质量的功能。在电网发生故障电压降落时可以充分补偿无功以支撑并网点电压恢复，完成低电压穿越。所提出的系统的结构及控制策略已在Matlab上得到了验证，仿真结果证明了本文提出的系统的可行性。

1 系统结构

本文提出的系统结构见图1,其中usa、usb、usc分别为三相电源直流侧电压；ica、icb、icc分别为三相采样电流；VT1至VT6分别为控制单元的晶闸管；VD为采样二极管；VT为直流单元晶闸管；uia、uib、uic分别为控制单元的三相电流；Udc为直流侧电压；UPV为直流单元光伏输出电压；C、L、R分别为电容、电感和电阻，PCC为公共连接点。APF主要是在电网中将各种谐波电流过滤掉，补偿无功电流，有效解决电网中存在的电流不平衡等问题[6]。在APF中，要实现谐波和无功电流的补偿，关键在于直流侧电压保持稳定[7]。APF的直流(direct current,DC)侧直接连接到电容器，此时APF将和电网发生有功能量交换，补偿电容器中的电能。通过分析DC侧APF的控制原理可知，如果DC侧电压比额定值更高时，APF会将电能传递到电网中，DC侧电压将会降低，即DC侧电能可通过APF直接输送到电网。光伏阵列可以直接或通过升压电路连接到APF的DC侧。通过实施最大功率点追踪(maximum power point tracking,MPPT)，光伏阵列在工作过程中可以向电网注入能量，且功率可以达到最大。与此同时，APF和光伏阵列可以在不相互影响的情况下提高电网的电能质量。

图1 本文提出的系统基本结构

在三相并网逆变器拓扑结构中，相比常规STATCOM，多了一级Boost升压电路[8]，所以也可以把光伏阵列直接或经过一级Boost升压电路接到STATCOM的DC侧，当光伏阵列向电网输送电能时无须修改硬件即可实现光伏并网发电功能。当电网发生故障使并网点电压降低时，利用STATCOM可以灵活地调节无功功率的优点来实现低电压穿越。例如电网因为发生故障导致电压突然下降，此时STATCOM发出无功功率，将可以有效提高电网的电压，并使得光伏逆变器电流输出压力降低，进而帮助光伏发电系统实现低电压穿越[9]，这样就可在同一设备上同时实现无功电流和谐波电流补偿、光伏并网发电和低电压穿越等多种功能，提高了设备的利用率和减少了设备重复投资。该设备可以适应智能电网发展需要。

2 系统的算法建立

本文所提出的系统要同时具有提高光伏并网电能质量和低电压穿越时无功补偿的功能，就电能质量考虑时指令电流的计算与合成是本系统的重要环节。就低电压穿越时基于STATCOM功能的逆变器的无功补偿是本系统的重要内容。

2.1 谐波检测及指令合成算法

指令电流的计算目前包括无功补偿指令电流和谐波补偿电流以及光伏并网发电最大功率有功指令电流。实现APF功能的过程中，检测无功功率和谐波电流非常重要。目前有很多种谐波电流的检测方法[10]，其中最快的检测方法就是瞬时无功功率理论。

图2为两种电流合成和检测的原理框图。A相电网电压Ua相位由数字锁相环(phase locked loop，PLL)跟踪，可以确保电流检测精度。

图2 指令电流合成和检测的原理框图

(1)

(2)

由式(2)可知，前者是无功及谐波电流分量，后者是三相基波电流[11]。控制变流器将指令电流注入到电网中，实现光伏发电，也提高了电能质量。

2.2 无功功率的补偿算法

当本文提出的系统补偿电网无功功率时，可以将该系统视为电压源，且其电压可以发生改变。图3为本文提出的系统等效电路图，其中，Us和Uc分别为电网相电压和本文中提出的系统的输出电压，UL为负载电压，X为等效电抗，R为等效电阻(线损与其他损耗)。从本文提出的系统的简化电路图可以得到:

图3 本文所提系统等效电路

(3)

其中δ为系统输出电压和电网电压的相位差，φ为电网电压初相角，由式(3)可以得到:

(4)

由式(4)可知：当系统处于稳态时，新系统吸收的有功电流和无功电流分别为:

(5)

由式(5)可知：本文提出的系统与电网之间的无功能量交换可以通过改变δ的大小来进行调整，所以在电网电压突然跌落时，本文提出的系统可以控制自身向电网输送的功率，由此可以对电网起到支撑作用，避免电网电压突然下降时光伏逆变器无功补偿压力过大，同时可以使得光伏系统变得更加稳定，确保在故障发生时仍可靠供电。

3 系统控制方法

本文提出的逆变器在控制过程中有并网控制模式和低电压穿越控制模式。并网工作模式是通常状态下的控制方式，系统将为电网提供无功电流补偿，过滤谐波电流，对电网质量进行调节，提高其电能质量。当电网出现低电压或者低电压穿越时需要模式切换控制。不过在不同控制模式下，电压和频率需要保持一致，因此有必要在两种模式切换时锁定相位。利用三相锁相环控制环节[12]进行相位的锁定，来减小开关电流的冲击，提高系统稳定性，实现平稳切换。

3.1 正常运行模式切换到故障模式

如果电网电压突然下降，电压幅值已经低于额定电压90%，此时将切换到低电压穿越控制模式，图4为对应的锁相环控制电路。

图4 模式切换控制图

3.2 从故障模式到正常运行模式

模式切换时，系统输出电压与电网电压将存在一定的差值，导致出现冲击电流、设备损坏或新的故障，因此，有必要在模式切换之前对电压进行预同步，以确保在模式切换回到正常运行模式之前，二者的输出幅度和相位保持一致。

(6)

(7)

图5为预同步控制器的原理框图：首先获得电网相位θg，并求得其与光伏逆变器相位θn的相位差Δθ，对该相位差进行调节，采用比例微分调节器。这样会得到一个频率补偿信号Δf，再将Δf与低电压穿越运行下的频率参考值fLVRT相叠加，主控制器参考频率采用该叠加频率，然后计算出参考相位。以上措施将能实现系统控制模式切换前后，逆变器和电网电压相位相同，避免出现电流冲击。

图5 预同步控制器的原理框图

4 仿真验证

本文在Matlab环境下对提出的协调控制系统进行模拟和仿真分析。在仿真模型中，将电网电压和频率分别设置为380 V和50 Hz；电阻R=5 Ω；通过阻感负载模拟产生电网中有功和无功功率，P=50 kW，Q=51 kvar。

4.1 当系统作为光伏并网功能运行时

当系统作为光伏并网功能运行时，需要进行电能质量调节，0.08 s投入本文提出的系统，仿真波形见图6(a)。

图6 本文所提系统电能质量提高功能仿真波形

由图6明显看出，图6(a)在0.08 s之前没有投入本文提出的系统的时候，由于存在谐波与无功电流导致电网中的电流滞后于电网的电压；在投入本文提出的系统后，电能质量有了明显的改善且电流与电压同相。并且对A相进行快速傅立叶变换得到图6(b)，电网向负载注入的有功电流的幅值明显变小，系统中 5 次及 7 次谐波的含量也明显降低，谐波畸变率也由8.44%明显降低到1.87%，所以仿真结果达到了预期效果。

4.2 当系统进行低电压穿越功能操作时

当系统进行低电压穿越功能操作时，需要提供无功功率来支持并网点的电压恢复。设定仿真条件为电压跌落到30%额定电压，仿真波形见图7。

图7 本文所提系统低电压穿越功能仿真波形

由仿真结果明显看出，图7(a)显示当系统没有投入低电压穿越功能时，并网点电压降落至额定电压的30%，电压明显降低。由图7(b)可知，当系统以STATCOM功能投入时，并网点电压明显升高，发生故障前后的电压波动几乎为零，所以仿真结果显示达到了恢复电网电压的效果，提高了系统的稳定性。

4.3 当系统进行模式切换时

图8为系统模式切换时两种控制模式下的角速度，在0.1 s时电压降落，系统为低电压穿越模式，在1s时完成低电压穿越，系统恢复并网模式。

图8 本文所提系统模式切换功能仿真波形

由图8可以明显看出，系统迅速发现短路故障并且转换模式，在低电压穿越期间控制信号也可以很好的跟踪被控制信号，两种模式下的控制信号也几乎重合，保证了两种模式相位的统一，达到了预同步效果，避免了电流冲击，保证了系统的稳定性。

5 结论

为了减小光伏并网逆变器、APF和STATCOM的各自的缺陷，减少设备重复投资并且提高其利用率，满足未来电网的发展需要。本文提出在同一设备上实现多种功能的统一控制系统，且通过仿真实验验证了本系统的可行性。本文提出的系统及新控制策略的特点如下。

a.在同一个设备上实现光伏并网发电与电能质量提升，并且在电网发生短路故障过程中，该系统会通过充分地补偿无功功率来进行并网点电压的恢复，提高电网稳定性。

b.在光伏并网控制与低电压穿越控制之间自由切换，当电网正常运行时本文提出的系统是光伏并网功能，当电网发生故障时本文提出的系统会切换到低电压穿越控制模式并且通过锁相环进行相位的锁定，从低电压穿越模式切换回并网模式时还会进行预同步处理以保证模式前后的输出相位一致，减小了冲击电流并保证系统的稳定性。