基于光伏并网的电能质量控制系统

翁育斌

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.051

摘 要：在环境保护和能源节约的要求下，光伏发电技术发展迅速，光伏并网逐渐成为电能供应的新形式。本文将对光伏并网的电能质量控制系统进行分析，首先分析系统的组成结构，进而探讨其工作原理和控制方式，最后利用PSIM仿真软件对系统效能进行分析验证。

关键词：光伏并网 电能质量控制 无差拍复合控制 效能验证

中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（c）-0051-02

光伏发电技术的研究受到了国内外的广泛关注，目前已经在电力供应系统中得到应用，为推动电力系统向节能环保方向发展做出了重要贡献。我国关于光伏发电的研究起步较晚，研究水平与国外先进水平相比还存在较大差距，目前光伏发电装置只能在白天工作，而且电能供应质量较差。电能质量控制系统通过对光伏发电设备的调节和控制，可以提升光伏发电的稳定性，促进光伏并网在城市电网建设中的更广泛应用。

1 光伏并网电能质量控制系统的组成结构

1.1 系统组成结构

光伏并网的电能质量控制系统MPG-PQC内含一台电压逆变器，不需要增加主电路实现无功补偿功能，可以直接加入谐波和无功检测环节。系统中光伏阵列的政府输出直接接入Boost升压变换器，在旁流二级管的作用下，光伏模块可以保持正常工作，不会出现夜间反充电的情况。升压电路输出与并网逆变器直流侧电容相接，逆变桥的输出通过滤波电感与电网相连[1]。MPG-PQC的系统结构如图1所示。

对系统拓扑结构进行等效变换，输出滤波电感的等效内阻为R，电网内阻忽略不计，直流侧母线电压为Udc，设O为虚拟中点，则ea、eb、ec即三项对称电压。其中，ea=Emcos（ω0t），eb=Emcos（ω0t-2π/3），ec=Emcos（ω0t+2π/3）。式中的Em是电压赋值，ω0是电压角频率。利用基尔霍夫得率可以得到三项桥的交流侧电压方程，对其进行拉氏变换，得到相电流关于初始电流的表达式。由此可以得出，对于基波域而言，逆变器输出电流由逆变器的输出电压基波分量幅值以及电网电压幅值、相位差决定。通过对逆变器的输出电压幅值、相位进行调节，可以实现基波电流跟踪。在谐波域中，电网等效电压为零，可以通过逆变器的输出谐波电压与输出滤波电感的作用实现谐波电流跟踪[2]。

1.2 系统功能

从上述系统结构及等效变换分析中可以看出，MPG-PQC利用最大功率点的跟踪算法，可以对光伏阵列最大功率进行跟踪，并生成有功电流指令，实现对光伏并网的控制。谐波检测环节生成谐波电流指令，无功检测环节生成无功补偿电流指令，经过同意的控制系统，将两种指令进行合成，利用电流跟踪算法，在考虑直流侧稳定性的基础上，控制逆变器的电流注入量，能够实现对光伏并网发电的电能质量控制功能。在白天系统正常工作中，MPG-PQC系统同时为光伏并网系统运行以及电能质量控制提供支持，在夜间无光照期间，MPG-PQC系统仅对电能质量進行控制，不进行有功电能输出。通过MPG-PQC系统的应用，可以降低电能质量控制难度，减少相关设备投资，而且能够减少系统的功率损耗，提高经济效益[3]。

2 无差拍复合电能质量控制系统及系统效能验证

2.1 无差拍复合电能质量控制原理

光伏并网的电能控制系统要通过对逆变器开关模式进行求取来实现电流跟踪，并实现并网、谐波补偿和无功补偿等功能。无差拍控制方法是一种能够实现无差拍电流跟踪和指令信号计算的复合控制方法。通过进行指令信号计算，可以将光伏电网的有功、无功与谐波电流相互统一起来，生成复合控制指令。无差拍电流跟踪则能够实现指令电流的快速无差跟踪，而且具有抗干扰前馈校正功能，可以方便比例系数的调节和校正。在无差拍复合控制方法的应用过程中，由稳定比例调节器生成直流侧的电压调节信号，最大功率控制功能可以保证光伏板保持在最大功率点的工作状态，并生成有功信号。通过应用瞬时功率理论，可以实现谐波检测和无功检测功能。在此基础上，与并网发电有功信号符合生成电流控制指令，实现对输出电流的无差跟踪，控制效率较高。

具体计算过程包括以下几个步骤：（1）将系统连续状态方程表示为X=AX+BV，其中，X是系统状态向量；V是输入向量，A和B是常系数矩阵；（2）得到状态方程时域解，设T为间隔时间，将系统离散化；（3）电压逆变器的输入向量V可以表示为V（k）=△T（k）U，式中的△T（k）是第k次采样脉宽控制量；U是直流侧电压；（4）给定参考状态为Xref，将求出的脉宽控制量作为逆变器调制脉宽，在下一次采样时对参考状态进行跟踪，若能在第k次采用时预测第k+1次采样时的参考状态，则第k+1次采用状态就等于参考状态。该算法过程就是所谓的无差拍控制。

2.2 控制信号计算

根据ip-iq谐波检测法，在实现谐波检测和无功检测的同时，与并网发电的有功电流合成，得到复合控制指令。系统中的数字锁相环通过对A相电压过零点检测实现数字相位跟踪，可以为控制系统的控制精度提供保障。当无功补偿开关闭合时，系统只对负载谐波电流进行检测，当无功补偿开关断开后，则同时检测谐波电流与无功电流。设C与C-1为正反变换矩阵，则三项负载电流经过C与低通滤波后得到基波有功直流分量，与并网有功直流分量、直流侧稳定有功电流直流分量共同合成符合控制指令。指令电流中的第一项和第二项分别是谐波电流分量与基波有功电流。

2.3 系统效能验证

为确保上述控制系统的可靠性，采用PSIM仿真测试软件对MPG-PQC系统进行分析检测。在进行仿真设计过程中，设三项交流电源电压为380V，频率为50Hz。将电网阻抗设计为0.1Ω、0.2mH，模拟负载的负载侧基波电流为12A，功率因数为0.7，5次、7次、11次、13次谐波电流分别为5A、3A、5A和3A。谐波相对各项的初相角均设置为0°，经过升压模块后的直流侧电压为710V，逆变器输出滤波电感设计为0.5mH。设置好各项系统参数后进行系统仿真实验。并网时间为0.2s，电能质量调节与其同时进行，在0.4s时开始出现有功电流输出。从仿真结果的A相电流波形变化中能够发现，在系统运行的0～0.2s时间段内，由于系统中存在非线性负载，因此谐波电流和无功电流较为严重。从0.2s开始进行调节，谐波电流与无功电流明显下降，说明电能质量得到有效调节。从0.4s开始出现有功电流，并由输出电流承担部分负荷功耗，实现了对光伏发电及电能质量进行调节的双重目的，证明系统可以对光伏并网的电能质量进行有效调节。

为进一步验证该系统的具体效能，相关研究者进行了实验室并网实验。通过在实验室中搭建光伏并网实验平台，对MPG-PQC系统功能进行具体验证。在实验过程中，太阳能电池选用GS48-TD170型单晶硅电池，功率指标为35.5Vmp、170Wp。以6串2并的方式组成光伏阵列，其最大输出功率2kW。升压电路选用2.5mH电感和1000μF/450V电容。二极管选用IXYSDESI10-60A型号，开关管选用IMBH25D-12型号。对模拟系统进行并网实验，在未使用MPG-PQC控制系统前，连接点处的电流时域、频域波形均显示出谐波含量过高，其畸变率达到14.9%左右。在加入MPG-PQC控制系统后，谐波畸变率下降到7.3%，而且谐波电流含量明显下降，分别从8.2%、7.3%、5.1%、4.1%下降到0.9%、0.7%、0，4%、0.2%。该实验对MPG-PQC的控制效能进行了更直观的说明，通过MPG-PQC系统的使用，使光伏电能质量明显提升，可以实现对光伏并网发电电能质量的有效控制。

3 结语

综上所述，MPG-PQC电能质量控制系统在光伏并网中的应用可以实现对电能质量的有效控制。通过对该系统的组成结构和控制原理进行分析，可以看出MPG-PQC系统相比于其他控制系统的优势。通过无差拍控制功能的分析与实现，可以为光伏并网及电能质量控制提供支持。PSIM仿真实验及实验室模拟试验都能够证明MPG-PQC是一种有效的电能质量控制系统。

参考文献

[1] 周林，曾意，郭珂，等.具有电能质量调节功能的光伏并网系统研究进展[J].电力系统保护与控制，2012，40（9）：137-145.

[2] 沈文涛.光伏发电并网系统的电能质量问题研究[D].华北电力大学，2012.

[3] 刘大鹏.光伏并网发电与电能质量调节统一控制研究[D].燕山大学，2015.endprint