基于扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量控制

唐杨杰

（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西 西安 710077）

0 引 言

光伏发电具有清洁无污染、储能丰富的特点，能避免传统能源损耗大、污染环境等问题[1-2]。然而，在光伏发电并网运行过程中，光伏阵列受光照、周围环境温度等的影响，加上电力器件自身运行状况等因素，并网输出的电流谐波含量较高、电压波动幅度较大，导致光伏发电并网运行电能质量下降[3]。因此，需及时采用合理的电能质量控制方法改善这一问题。文献[4]提出的功率补偿方法在实际光伏发电工程运行中，并不能有效平衡电能，导致电能使用效率较低，且光伏发电质量得不到显著提升。而扰动观测器能有效改善以上问题，通过观测光伏发电并网运行中的等效干扰，在电能质量控制中引入相应的等效补偿，实现对干扰的完全控制。因此，文章开展了基于扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量控制研究。

1 光伏发电并网运行电能质量控制研究

1.1 建立光伏发电并网电能质量数学模型

文章所提出的光伏发电并网运行电能质量控制方法，需要建立光伏发电并网电能质量数学模型，研究电能质量问题和相关机理，为后续对电能质量的控制奠定良好的基础。建立的光伏发电并网电能质量数学模型由2个部分共同组成，即光伏发电并网运行电压波动与光伏发电并网运行谐波。

1.1.1 光伏发电并网运行电压波动

电压波动随光伏发电并网系统的波动负荷产生。在电压波动监测中，以周期为单位选择并网运行波动负荷电压，并求取被测电压的均方根值，依据光伏发电并网运行时间轴的顺序，对求取到的电压均方根值进行排序，以获取连续的电压波动包络线[5]。若光伏发电并网运行中发生电压波动问题，包络线中会出现一系列不规则线条。选用相对电压变动量评估光伏发电并网运行电压波动情况，电压波动值表达式为

式中：Umax、Umin分别表示电压有效值中的最大值和最小值；UN表示标称电压。通过式（1），可以得出光伏发电并网运行的电压波动值。

1.1.2 光伏发电并网运行谐波

光伏发电并网运行谐波指输出波形中，频率为基波频率整数倍的各种不规则波形。设定谐波次数用h表示，则谐波畸变公式为

式中：ϖ表示光伏发电并网运行基波角频率；t表示傅里叶级数；M表示谐波最高次数；αh表示光伏发电并网运行电压初相角；Uh表示光伏发电并网运行初始电压。

根据电压波动与谐波情况，可以掌握光伏发电并网电能的质量，为后续质量控制奠定了良好基础。

1.2 基于扰动观测器的电压电流闭环控制

建立光伏发电并网电能质量数学模型后，利用扰动观测器[6-7]，对光伏发电并网运行过程中的电压电流实行闭环控制。基于光伏发电并网运行经典控制理论，建立光伏发电并网控制系统结构示意图，如图1所示。

图1 光伏发电并网控制系统结构

图1中，R(s)表示光伏发电并网闭环控制参考量；C(s)表示闭环控制输出量；D(s)表示闭环控制扰动量；P(s)表示闭环控制被控对象；G(s)表示闭环控制器。其中，闭环控制扰动量需要利用扰动观测器实时观测。电压电流闭环控制输出量的传递函数为

通过不断调节控制器的频率，使电压电流闭环控制参考扰动频率与实际扰动频率相匹配，从而对实现电压电流的精确控制。

1.3 光伏发电并网无功补偿

完成基于扰动观测器的电压电流闭环控制后，采用并联的方式对光伏发电并网运行进行无功补偿，以进一步确保电能质量。

通过并联的方式连接感性阻抗特性装置与容性阻抗特性装置，分别负责释放与吸收光伏发电并网运行中的能量[8-9]。设定无功补偿装置的运行时间为24 h，在运行时间内，捕捉光伏发电并网系统内所有补偿节点的电压数值。根据电压数值捕捉结果，可以自动退出闭锁，以避免光伏发电并网运行受电压变化的干扰影响。由于光伏发电并网与用电设备负载之间存在明显的感性特征，可以等效为电感与电阻串联电路。基于这一特性，计算光伏发电并网运行功率因数

式中：R表示电阻；XL表示等效电路电感。控制光伏发电并网运行中，发现功率因数与有功比例之间为正相关关系。为了确保功率因数足够大，可以采取措施减小无功功率损耗，以达到无功补偿的目的，实现光伏发电并网运行电能质量的控制目标。

2 实验分析

2.1 实验准备

实验所测得的来源于R光伏并网系统。R光伏并网系统的参数概况如表1所示。

表1 R光伏并网系统参数概况

设定分布式光伏数据采样频率为12.8 kHz，进行连续采样和采样周期为10 s的不连续不连续采样。采样后的数据经过采集板与LabVIEW软件上传至计算机，进行全方位的分析与处理。

2.2 电能质量控制结果分析

完成实验准备后，将文章提出的基于扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量控制方法设置为实验组，将文献[3]、文献[4]提出的控制方法设置为对照组1与对照组2。对比3种方法的电能质量控制结果，验证文章提出的电能质量控制方法的可行性。

选取光伏发电并网运行电压总谐波畸变率为此次实验的电能质量控制评价指标，计算公式为

式中：H表示光伏发电并网运行特定阶数；Gn表示光伏发电并网运行所有谐波分量的有效值；G1表示光伏发电并网运行基波分量有效值。通过式（5），可以计算出电能质量控制效果评价指标。不同电网电压下对应的电压总谐波畸变率存在一定差异。由于R光伏并网系统的输出电网电压为220 V，光伏发电并网运行电压总谐波畸变率应控制在2.0%以内。应用3种电能质量控制方法，分别对R光伏并网系统进行6次电能质量控制实验，实验结果如图2所示。

图2 光伏发电并网运行电压总谐波畸变率对比结果

由图2可知，应用文章所提方法后，测得的6组电压总谐波畸变率始终小于2.0%，输出的电能质量较高，符合光伏发电并网运行电能质量标准。而采用对照组1与对照组2的方法后，电压总谐波畸变率普遍超出2.0%，电能质量较低，谐波畸变率过高会降低光伏并网系统内电气设备的使用寿命与性能，控制效果不佳。因此，文章所提方法能有效保障光伏发电并网运行的安全性和可靠性，具有较高的使用价值。

3 结 论

为提高光伏发电并网运行的安全性与可靠性，使并网运行输出电能质量达到最佳，文章提出了基于扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量控制方法。实验结果表明，应用文章所提方法能够有效降低电压总谐波畸变率，使其符合光伏发电并网运行电能质量标准。同时，该方法能有效抑制谐波，有助于减少光伏发电并网运行中电压波动对正常负荷用电造成的不利影响。