无功与谐波补偿检测的光伏并网仿真研究

杨国华 姚 琪

(宁夏大学物理电气信息学院，宁夏 银川 750021)

0 引言

随着我国工业化进程的加快和光伏发电并网规模的逐渐扩大，电力电子器件在光伏并网发电系统中的应用趋于广泛。光伏并网发电系统存在大量的非线性和冲击性负载，产生的谐波对电网电能质量的污染较为严重，同时，谐波对电力系统的安全、经济与可靠运行也造成了不良影响［1－2］。

光伏发电必须通过逆变装置将直流电逆变成交流电后才能并入电网。由于电力逆变器接入配网的调节和控制方式与常规方式有较大不同，其开关器件的频繁开通和关断容易在开关频率附近产生谐波分量，这给电网带来电力谐波污染。考虑到传统无源滤波不能满足较高电能质量的要求，因此，有必要采取新的方法，即通过光伏并网发电与有源电力滤波器统一控制的策略，实现在光伏并网发电的同时补偿无功及负载谐波电流。在此过程中，无功及谐波电流的检测是系统完成补偿功能的关键，所以在光伏并网发电系统中，有必要对系统中的谐波进行检测、分析与抑制，从而提高电网电能质量［3－4］。

1 光伏并网发电系统

1.1 光伏并网发电系统结构

通过分析不可调度式光伏并网发电系统的拓扑结构，可知系统中的电能转换单元与传统电力有源滤波器(active power filter，APF)具有相似性。APF主要用于解决无功电流和谐波电流等电能质量问题。APF中直流侧的能量主要通过吸收电网有功电能来维持，光伏并网发电装置可向电网注入有功电能，可将光伏阵列直接或经升压电路接到APF的直流侧，并提供稳定的直流侧电压，这是正常进行无功及谐波电流补偿的关键［5］。电流检测部分通过检测算法检测非线性负载的无功和谐波电流，形成无功和谐波补偿指令电流;最大功率跟踪控制部分跟踪光伏阵列的最大功率点，形成并网指令电流;控制部分把无功和谐波补偿指令电流和并网指令电流进行合并后，利用合适的控制方法控制变流器按合成后的指令电流向电网注入电流，就可以同时实现电流质量治理和光伏并网发电。系统在实现并网发电的同时不会影响APF的功能，反而在电网故障时，系统可以把直流侧的电能直接供给负载，保证负载的不间断工作。这种统一控制的系统可以集谐波与无功电流补偿和光伏并网发电于一体，从而提高电网电能质量。光伏并网发电系统结构如图1所示。

图1 光伏并网发电系统结构图Fig.1 Structure of photovoltaic power generation system

1.2 无功与谐波电流检测

电流检测部分是通过相应的检测算法检测出非线性负载的无功及谐波电流，从而形成无功和谐波补偿的指令电流。指令电流的计算包括无功及谐波电流的补偿指令电流、光伏并网发电的有功指令电流以及合成运算，其中补偿功能主要通过对无功及谐波电流进行检测实现。本设计选用基于瞬时无功功率理论的检测方法，以便同时实现谐波电流的检测及其与并网发电有功电流的合成运算［6］。

谐波电流检测及指令电流的合成运算框图如图2所示。

图2 合成运算框图Fig.2 Diagram of compositional operations

图2中:C32为三相/两相坐标变换矩阵，即abc坐标系到正交αβ坐标系的变换矩阵;C23为两相/三相坐标变换矩阵，即正交αβ坐标系到abc坐标系的变换矩阵;C为正交αβ坐标系到pq旋转坐标系的变换矩阵;C－1为pq旋转坐标系到正交αβ坐标系的变换矩阵。

根据瞬时无功功率理论，采用的谐波电流检测方法不受电网电压和电流是否畸变的影响，数字锁相环(phase locked loop，PLL)得到与电网相电压同相位的正弦和余弦信号，以保证电流的检测精度。将测得的三相负载电流ia、ib和ic经C32、C坐标变换得到有功电流ip，再经过低通滤波器(low pass filter，LPF)后得到的直流分量为有功基波ip。ipv为光伏并网直流指令分量，它是由MPPT指令电压和当前光伏阵列输出电压 udc经电压调节器(automatic voltage regulator，AVR)后得到的有功直流分量。将的合成运算值经C－1、C25坐标变换得到三相基波正序有功电流iaf、ibf、icf，负载电流减去基波正序有功电流即为补偿电流的指令值。当K断开时，检测结果中包含负载的无功及谐波电流;当K闭合时，算法只检测负载中的谐波电流含量，并与并网指令电流合成，得到谐波补偿和并网发电电流的合成指令。

根据图2所示的运算原理，设计中确定的谐波电流检测与指令电流合成算法如下［7－9］:

式中:iaf(t)、ibf(t)、icf(t)为无功及谐波电流分量;ip为有功基波电流为光伏并网直流指令分量。其中，矩阵 C23、C－1分别为 C32、C 的逆矩阵，且有:

1.3 电流跟踪控制

设计中采用了滞环PWM的控制方式对指令电流进行控制。该控制方式具有动态响应快和无需载波等特点，可以很容易地用模拟器件来实现。滞环PWM控制方式如图3所示。

图3 滞环PWM控制方式Fig.3 Control mode of hysteretic PWM

该方式首先通过比较补偿电流的指令信号i*aref与实际的补偿电流信号iaref，将两者的偏差Δi作为滞环比较器的输入;然后利用滞环比较器产生的PWM信号控制主电路中开关器件的开通与关断;再经驱动电路来控制开关器件的通断，从而较好地控制补偿电流iaref的变化。

2 光伏并网仿真系统模型的建立

通过以上的理论分析，在PSCAD/EMTDC下建立了相应的配电网系统模型，并对APF与光伏并网发电统一控制进行了仿真。系统中负荷采用了带阻容负载的整流器来模拟含有谐波的负荷模型［10］。系统模型的主要仿真参数设定如表1所示。

表1 仿真参数设定Tab.1 Simulation parameter settings

模型中，光伏发电系统通过开关与380 V低压配电网相连，同时负载也通过开关与配电网相连;仿真时间设为0.5 s。当仿真时间运行到0.15 s时，将光伏电源并入电网;当仿真时间到达0.3 s时，将开关4闭合接入负载，使系统负荷增加。

3 仿真结果分析

根据系统仿真模型，在光伏电源并网前系统电流波形含有大量谐波。当系统运行到0.15 s时，光伏电源并网向电网注入了正弦基波电流，同时并网后的光伏电源能够较好地抑制系统谐波与补偿无功，使得电网电流得到较好的补偿。由于负荷容量小于光伏并网输出功率，所以系统会向电网输送一定的功率，从而使得系统电流反向增大，有功功率波形有一定幅度的下降;当系统运行到0.3 s时，开关4闭合，使得下游的负荷容量增加，从而使得系统电流相应减小，有功功率波形有一定的回升。系统输出的电流波形、有功功率波形、无功功率波形、相间电压波形如图4所示。

图4 系统输出波形Fig.4 Output waveform of system

由系统的无功功率输出波形可见，从0.15 s开始光伏电源并入电网工作，系统会向电网输送功率，此时电网输出的无功功率逐渐减为零，全部由光伏电源进行功率补偿，达到了较好的无功功率补偿的效果。

由光伏电源输出的相间电压波形可见，在0.15 s光伏电源并网工作后，其输出的相间电压由方波变为正弦波，同时光伏电源输出正弦基波电流，抑制了电网中的谐波电流。所以，通过无功与谐波电流的检测及其跟踪控制，能较好地防止谐波对电网电能质量的污染。

4 结束语

本文利用将光伏并网发电与有源电力滤波器进行统一控制的策略，选用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测算法，通过检测负载无功电流和谐波电流，进一步与光伏并网指令电流合成运算，实现光伏并网发电的同时，补偿无功及负载谐波电流，使系统在提高负荷特性和减小电网电流谐波方面有较好的效果。在PSCAD/EMTDC下建立配电网系统模型，对系统统一控制进行仿真分析。结果表明，光伏并网发电系统能够在输出有功的同时补偿系统无功并消除负载的谐波，从而提高电网的电能质量。

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