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    具有apf功能的光伏并网逆变器研究
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    具有apf功能的光伏并网逆变器研究

    作者:   发布日期:2016-04-19 22:47   信息来源:http://www.1greatlook.com/

        

    针对光伏并网系统目前所面临的设备利用率较低、电力系统谐波污染严重等问题,探讨了光伏并网系统与apf统一控制。

    摘要:针对光伏并网系统目前所面临的设备利用率较低、电力系统谐波污染严重等问题,探讨了光伏并网系统与apf统一控制。分析两者实施统一控制的系统结构与控制策略,使系统不仅具有光伏并网发电功能,同时还能够对系统谐波进行补偿。分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法和具有apf功能的光伏并网系统中并网电流指令信号的合成方法。采用电压电流双闭环pi控制,实现对并网指令信号中有功基波信号无稳态误差跟踪控制,并对特定次谐波进行补偿。最后,通过matlab/simulink对具有apf功能的光伏并网系统进行仿真,验证了系统结构、参数设计及控制策略的正确性与有效性。

    1引言

    用户分布式光伏并网发电已成为太阳能利用的主要方式之一,然而光伏逆变器只有在光伏电池板输出能力达到一定值时,系统才并网工作,当日照强度很低或晚上时,整个系统必须切离电网,设备利用率大大降低。随着我国工业化进程的加快,非线性用电设备大量使用,由这些负载产生的无功和谐波电流对公共电网的危害日益严重。通过对光伏并网发电系统和有源滤波器(activepowerfilter,apf)的拓扑结构及控制方式的综合,将其两者的统一控制现光伏发电和apf的一体化。将光伏并网系统的并网发电功能与apf的谐波补偿功能相结合,使其具备光伏并网发电与谐波补偿的双重功能。从而改善电网电能质量,节约了相设备投资成本,提高了光伏并网系统装置的利用率。白天逆变器既实现光伏并网发电,也实现apf功能,在光照强度低或者夜间时还可以继续作为apf工作。这样不仅提高了设备的利用率,也改善了电网的供电质量,避免了光伏并网系统的频繁投切而造成控制困难的问题。

    2系统电路结构

    由于光伏并网系统与apf的基本结构与关键控制技术是相似的,因此目前已有学者研究二者的统一控制技术。将原光伏并网系统进行功能上的延伸,使其具有apf功能,可以有效地抑制谐波问题,实现一机化功能,并且提高了系统的利用率,且不需额外进行投资。

    图1具有apf功能的光伏并网发电系统结构框图

    白天,系统可对太阳能进行最大功率跟踪,将光伏有功并入电网。当遇到阴雨天气或夜晚时没有光照,因此有功功率的输出为零。系统可直接用作有源滤波器,抑制电力系统中谐波污染,改善电网的供电质量。当光伏阵列工作,但输出的太阳能有功功率较小时,可以利用并网系统的剩余容量控制逆变器工作在同时进行光伏并网与谐波补偿的状态下。若光伏并网系统不能提供足够的容量实现来谐波补偿时,可采用相应的控制策略进行协调,保证系统安全稳定的工作。

    3系统控制

    具有apf功能的光伏并网系统控制结构框图如图2所示。对于光伏并网系统来说是基于坐标变换理论的双闭环控制包括电压外环与电流内环。保证直流侧母线电压的稳定,直流母线电压是否稳定决定着变流器是否能够正常工作,电压外环控制调节输出产生电流内环的给定幅值参考;通过电流内环完成逆变器输出并网电流的跟踪控制,保证电网电流接近正弦波,使其谐波含量与功率因数符合并网标准。并网指令电流是一个由光伏并网有功指令信号与谐波补偿指令信号组成的叠加量,控制系统能够同时实现光伏并网与有源滤波双重功能。

    图2具有apf功能的光伏并网系统控制图

    3.1谐波电流检测

    图3 ip-iq法检测电网谐波电流的检测流程

    针对光伏并网系统目前所面临的设备利用率较低、电力系统谐波污染严重等问题,探讨了光伏并网系统与apf统一控制。

    3.2并网指令电流合成方法

    光伏并网系统工作时,太阳能有功功率输出受天气环境因素影响而发生变化,使其具有有源滤波功能后,可以实现对非线性负载的谐波补偿功能。当系统需要同时进行光伏有功并网与谐波补偿时,要对并网电流进行并网指令电流合成。如图2所示,具有apf功能的光伏并网系统检测出谐波电流,将其与有功指令电流合成后得到并网指令电流信号,控制光伏并网系统同时实现有功并网与谐波补偿的双重功能。系统将谐波补偿指令信号与有功指令信号进行坐标系及相位等信息的统一后,直接相加得到并网电流的指令信号,或直接在谐波检测的?橹薪泄χ噶钚藕庞氩钩バ藕沤泻铣,如图3中虚线所示。有功电流是与电网电压同步的正弦信号,将电压调节器所得信号乘以三相正弦得有功指令信号为:

    合成后的并网指令电流信号为:

    具有apf的光伏并网系统的并网指令信号是一个由光伏有功电流与谐波补偿电流组成的叠加信号,其关系可简单表示为:在并网指令电流合成环节中加入一个限流器,利用容量限制策略对并网电流进行控制。在限流器中引入补偿度系数k,根据太阳能有功功率或谐波补偿量的变化调节补偿度系数k,从而保证并网电流不超过其额定范围。限流器的目的在于利用补偿度系数对并网电流的大小进行调节,使其峰值小于开关组件允许通过的最大电流,有效值小于额定电流。通过限流器得到补偿度系数的值,可得到系统利用容量限制策略对并网电流进行控制后的表达式:

    3.3并网控制

    电网电压定向矢量控制采用双闭环级联式控制结构:电压外环、电流内环。电压环的主要作用是控制直流母线电压;电流环则根据电压环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制,并实现单位功率因数运行。具体为:电网电压定向矢量控制算法先将电网电压矢量通过坐标变换由三相静止坐标系变换到两相静止垂直坐标系,再由两相静止垂直坐标系变换到两相同步旋转坐标系,将同步旋转坐标系的d轴按电网电压矢量e定向。并网侧变换器交流侧电流矢量i的d轴分量即为有功电流,q轴分量为无功电流。将此无功电流分量的参考值设为0即可实现网侧单位功率因数运行。

    网侧变换器交流侧电流的dq分量存在着相互耦合,难以实现网侧电流矢量的dq轴分量单独控制,采用前馈解耦控制策略。如图4所示,网侧电流dq分量具有对称性,控制器可以使用相同的参数,因此控制器设计可以只考虑其中一个。pi调节器的输出补偿了交流侧电感上的电压降;控制器采用电流dq分量的解耦项抵消了实际系统中两个分量的交叉耦合项,电网电压的前馈分量抵消了实际系统中电网电压的影响。

    图4为光伏并网变换器电流环控制结构框图

    解耦后的控制结构框图如图5所示。此时的被控对象简化为交流侧电感,控制量为流过电感的电流。pi控制器输出是加在电感上的电压,的取值直接决定了电流偏差出现瞬间,将要加在电感上的电压大小,而进入稳态的时候pi控制器输出部分由控制器的积分部分决定。

    图5为光伏并网变换器电流环控制简化结构框图

    电流环的参考信号由经过mppt算法的电压环pi控制器的输出和前馈信号两部分组成。起始阶段,母线电压较小,电压pi控制器输入偏差比较大,其输出占电流环参考的绝大部分;当电压pi控制器输出达到限幅值之后,随着母线电压的升高,电流环参考因前馈信号的增大而继续增加,达到电流环参考的限幅值;当系统进入稳态,pi控制器输出几乎为零,前馈信号分量作为电流环的参考,系统对扰动和电网电压的波动具有了很好的抗干扰能力。

    4、系统仿真与分析

    当系统即需要进行光伏有功并网,又需要对非线性负载产生的谐波进行补偿时,需要实现光伏并网与apf的双重功能。

    图6光伏并网与谐波补偿仿真波形

    图6中为系统同时进行光伏并网与谐波补偿时的波形图,此时并网电流指令信号的波形i*c介于正弦波与谐波补偿信号之间,说明指令信号中既包含有功分量,也包含了谐波补偿信号。电网电压与电网电流相位相反且波形已经基本接近正弦波,说明并网逆变器在将光伏有功功率注入电网同时也对由非线性负载产生的谐波电流进行补偿,验证了具有apf功能的光伏并网系统能够同时实现有功并网与谐波补偿的双重功能。

    5结束语

    传统能源的短缺使得新能源开发迫在眉睫,太阳能以其绿色无污染的特点成为新的研究热点。同时非线性负载的大量使用导致电力系统出现严重的谐波污染,有源滤波器能够有效抑制电力谐波,是解决谐波污染最具前景的一种手段。本文通过对光伏并网系统与有源滤波器的分析,研究具有apf功能的光伏并网系统。针对光伏并网系统目前所面临的设备利用率较低、电力系统谐波污染严重等问题,探讨了光伏并网系统与apf统一控制一体化设计的可行性与意义,使系统不仅具有光伏并网发电功能,同时还能够对系统谐波进行补偿。对具有apf功能的光伏并网系统进行了系统仿真研究,验证了系统及控制策略的可行性与正确性。

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