2024年5月10日发(作者:尧思彤)
6
东北电力技术
NORTHEASTELECTRICPOWERTECHNOLOGY
第42卷第5期
2021年
弱电网下光伏并网逆变器电能质量控制策略研究
周识远
(国网甘肃省电力公司,甘肃 兰州 730070)
摘要:针对弱电网下存在较大的电网等值阻抗导致电力系统中谐波以及电压波动影响整个电力系统电能质量的问题,
提出一种基于瞬时无功功率理论的光伏并网逆变器电能质量控制策略。该控制策略采用PI双闭环控制实现直流侧母
线电压稳定,并增加电压幅值反馈控制以稳定PCC点电压。最后,基于Matlab/Simulink平台搭建弱电网下光伏并网
发电系统,并对其进行仿真。仿真结果表明,该控制策略能够有效抑制电网谐波问题,降低电网阻抗对电网电能质量
的影响,从而实现整个电力系统安全稳定运行。
关键词:光伏并网逆变器;控制策略;电网等值阻抗;谐波
[中图分类号]TM464 [文献标志码]A [文章编号]1004
-
7913(2021)05
-
0006
-
04
ResearchonPowerQualityControlStrategyofPhotovoltaic
Grid⁃ConnectedInvertersUnderWeakGridAccess
(StateGridGansuElectricPowerCo.,Ltd.,Lanzhou,Gansu730070,China)
Abstract:Aimingattheproblemofharmonicandvoltagefluctuationcausedbythelargeequivalentimpedanceofpowernetworkinthe
backgroundofweakpowernetwork,acontrolstrategyofphotovoltaicgrid⁃connectedinverterbasedonimprovedinstantaneousreactive
powertheoryisproposedtosolve.TheDCsidevoltageisstabilizedbyPIdoubleclosedloopcontrol,andthevoltageamplitudefeed⁃
backcontrolisaddedtostabilizePCCpointvoltage.Finally,thephotovoltaicgrid⁃connectedpowergenerationsystemisbuiltbyMat⁃
lab/Simulinkforsimulation.Thesimulationresultsshowthatthecontrolstrategycaneffectivelysuppressharmonicsandreducethein⁃
fluenceofnetworkimpedanceonpowerquality,whichachievevoltagestability.
Keywords:photovoltaicgrid⁃connectedinverter;controlstrategy;networkequivalentimpedance;harmonicwave
ZHOUShiyuan
太阳能作为一种清洁可再生能源,以无污染、
储存量丰富、分散等优点在新能源领域占据重要角
[1]
波形畸变甚至越限,输入谐波增大,系统电能质量
变差,供电可靠性降低。
传统逆变器的设计都将电网视为理想电压源,
但在弱电网下传统电网模型将无法适用。此时基于
戴维南定理,将网侧等效为理想电压源串联等值阻
抗,但较大的电网阻抗对于弱电网将产生不利影
响,而且伴随电网阻抗的增加,尤其是其中感性成
分的增加,系统串/并联谐振现象将越发明显,这
将导致电力系统的安全稳定性能下降,从而进一步
恶化电网的稳定运行
[5]
,弱电网下系统电能质量
问题变得越来越突出。为实现电网的无功补偿和电
流谐波抑制,国内外学者对其进行了大量研究。文
献[6]提出一种基于高频注入的电网阻抗检测方
法,并通过试验验证所提方法的正确性,该方法改
善了电流基波对电网的影响,但高频信号对用户侧
色。目前太阳能的利用以光伏发电形式最为广
泛
。但对我国而言,受土地、光照资源的限制,
大规模光伏电站主要建设在沙漠或半沙漠偏远地
区,此时长距离的输电线路将导致线路阻抗增大,
而且用户负载通常以离网或与外网以弱联系的形式
连接,电网结构薄弱,系统供电能力较差
[2
-
3]
。逆
伴随远距离电网末端光伏逆变器并网数量增多、单
机容量增大,其控制变得越来越复杂,电网安全稳
定运行无法保证,若不能有效解决逆变器安全稳定
运行问题,将对电网电能质量产生严重影响,甚至
导致整个电力系统崩溃
[4]
。此外,弱电网环境下,
负荷侧的切入与切除以及光伏发电系统输出功率波
动都将导致主网电压的波动,从而使得并网点电压
变器作为并网光伏发电系统中最为关键环节之一,
第42卷第5期
2021年
周识远:弱电网下光伏并网逆变器电能质量控制策略研究
7
所引入的C
g
干扰不容忽视。文献[7]利用最小
二乘法检测阻抗,该方法对电力系统的稳定性和网
侧电能质量的影响较小,但其涉及计算量庞大,
而且算法比较复杂。文献[8
-
9]对传统锁相技
术进行改进,电网波形发生畸变时可及时检测电
网电压相位,从而提高并网电能质量,该控制策
略简单易行,但其只能减少特定谐波。文献
[10]针对弱电网下多逆变器并联运行时,电网
阻抗参数对光伏逆变器稳定运行影响及系统谐波
500V
[12]
。图1中,Boost升压电路将电压值较低
且变化范围大的U
pv
转换为适合DC/AC变换的直
流侧电压U
dc
,C
dc
是容量比较大的电容,从而稳定
U
dc
。逆变电路将直流侧电压U
dc
变换为与电网电压
幅值接近、频率相同的电压U
inv
,由于该电压在开
关频率处具有高频谐波,因而直接并入电网会带来
大量谐波,要通过LCL滤波器滤波,使电流以较
低的畸变率并入电网U
g
。
根据图1,建立弱电网下的单相光伏并网逆变
振荡放大的原因进行了详细分析,为本文提供了
有益的参考。文献[11]提出一种基于瞬时无功
功率理论的光伏并网逆变器的控制策略,该控制
策略实现了光伏发电系统的消谐和无功补偿功
能,提高了配电网的电能质量,但其未考虑PCC
点电压稳定问题。
针对上述问题,本文以弱电网为研究背景,分
析了光伏发电系统接入电网后的谐波以及电压波动
问题,基于瞬时无功功率理论以及PCC点电压幅
值控制方法,以提高光伏逆变器无功输出性能,从
而实现PCC点电压的稳定和谐波环流的抑制,并
采用Matlab/Simulink进行仿真验证。
1 单相光伏并网逆变器
为提高控制精度,采用光伏并网逆变器双级式
结构,前级采用Boost升压电路,后级采用单相全
桥逆变电路。考虑电网阻抗(阻感性),单相全桥
逆变器在并网状态下的等效模型如图1所示,其中
光伏并网逆变器由DC/DC升压斩波电路与DC/AC
单相全桥逆变电路构成。逆变器输出电流经LCL
滤波电路后,通过并网继电器并入电网。
图1 并网状态下单相全桥逆变器的等效模型
由于弱电网下存在较大的电网阻抗使得光伏阵
列输入谐波增大,PCC点电压发生波动,其输出
特性呈非线性。为提高光伏并网发电系统输电效
率,Boost升压斩波电路输出侧电压一般不低于
器的动态方程如下
d
:
L
s1
dU
d
I
inv
t
=
U
inv
-
U
c
(1)
C
dt
c
inv
dI
=
I
-
I
g
(2)
L
g
写出上述动态方程对应的
dt
g
=
U
c
-
U
g
-
R
g
I
g
(3)
s域表达式如下:
é
é
1
ù
ú
ê
U
ù
=
ê
ê
sC
1
-
R
g
-
sL
g
-
é
ê
g
ê
I
ë
U
ú
inv
ú
û
ê
ê
-
ê
inv
ù
ú
ê
sC
1
sC
ú
ú
ú
ú
ë
I
ë
sL
+
sC
1
û
g
ú
û
(4)
式中:U
g
为电网电压;U
inv
为逆变桥臂输出的正弦
脉宽调制电压;L
和R
s1
为滤波电感;C为滤波电容;L
;I
g
电流
g
分别为电网的等效电感和电阻
。
g
为电网
2 弱电网下单相光伏并网逆变器控制
光伏逆变器的并网控制包括升压电路控制和逆
变电路控制,主要研究后级并网逆变器的控制。本
文采用基于瞬时无功功率理论的i
p
-
i
q
电流检测算
法对电路中的瞬时电压和瞬时电流进行控制,进而
实现对光伏并网逆变器谐波和无功补偿的检测。其
中,直流侧稳压采取电压外环和无差拍的电流内环
双闭环控制,PCC点稳压采取电压幅值反馈
控制
[13]
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2024年5月10日发(作者:尧思彤)
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东北电力技术
NORTHEASTELECTRICPOWERTECHNOLOGY
第42卷第5期
2021年
弱电网下光伏并网逆变器电能质量控制策略研究
周识远
(国网甘肃省电力公司,甘肃 兰州 730070)
摘要:针对弱电网下存在较大的电网等值阻抗导致电力系统中谐波以及电压波动影响整个电力系统电能质量的问题,
提出一种基于瞬时无功功率理论的光伏并网逆变器电能质量控制策略。该控制策略采用PI双闭环控制实现直流侧母
线电压稳定,并增加电压幅值反馈控制以稳定PCC点电压。最后,基于Matlab/Simulink平台搭建弱电网下光伏并网
发电系统,并对其进行仿真。仿真结果表明,该控制策略能够有效抑制电网谐波问题,降低电网阻抗对电网电能质量
的影响,从而实现整个电力系统安全稳定运行。
关键词:光伏并网逆变器;控制策略;电网等值阻抗;谐波
[中图分类号]TM464 [文献标志码]A [文章编号]1004
-
7913(2021)05
-
0006
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04
ResearchonPowerQualityControlStrategyofPhotovoltaic
Grid⁃ConnectedInvertersUnderWeakGridAccess
(StateGridGansuElectricPowerCo.,Ltd.,Lanzhou,Gansu730070,China)
Abstract:Aimingattheproblemofharmonicandvoltagefluctuationcausedbythelargeequivalentimpedanceofpowernetworkinthe
backgroundofweakpowernetwork,acontrolstrategyofphotovoltaicgrid⁃connectedinverterbasedonimprovedinstantaneousreactive
powertheoryisproposedtosolve.TheDCsidevoltageisstabilizedbyPIdoubleclosedloopcontrol,andthevoltageamplitudefeed⁃
backcontrolisaddedtostabilizePCCpointvoltage.Finally,thephotovoltaicgrid⁃connectedpowergenerationsystemisbuiltbyMat⁃
lab/Simulinkforsimulation.Thesimulationresultsshowthatthecontrolstrategycaneffectivelysuppressharmonicsandreducethein⁃
fluenceofnetworkimpedanceonpowerquality,whichachievevoltagestability.
Keywords:photovoltaicgrid⁃connectedinverter;controlstrategy;networkequivalentimpedance;harmonicwave
ZHOUShiyuan
太阳能作为一种清洁可再生能源,以无污染、
储存量丰富、分散等优点在新能源领域占据重要角
[1]
波形畸变甚至越限,输入谐波增大,系统电能质量
变差,供电可靠性降低。
传统逆变器的设计都将电网视为理想电压源,
但在弱电网下传统电网模型将无法适用。此时基于
戴维南定理,将网侧等效为理想电压源串联等值阻
抗,但较大的电网阻抗对于弱电网将产生不利影
响,而且伴随电网阻抗的增加,尤其是其中感性成
分的增加,系统串/并联谐振现象将越发明显,这
将导致电力系统的安全稳定性能下降,从而进一步
恶化电网的稳定运行
[5]
,弱电网下系统电能质量
问题变得越来越突出。为实现电网的无功补偿和电
流谐波抑制,国内外学者对其进行了大量研究。文
献[6]提出一种基于高频注入的电网阻抗检测方
法,并通过试验验证所提方法的正确性,该方法改
善了电流基波对电网的影响,但高频信号对用户侧
色。目前太阳能的利用以光伏发电形式最为广
泛
。但对我国而言,受土地、光照资源的限制,
大规模光伏电站主要建设在沙漠或半沙漠偏远地
区,此时长距离的输电线路将导致线路阻抗增大,
而且用户负载通常以离网或与外网以弱联系的形式
连接,电网结构薄弱,系统供电能力较差
[2
-
3]
。逆
伴随远距离电网末端光伏逆变器并网数量增多、单
机容量增大,其控制变得越来越复杂,电网安全稳
定运行无法保证,若不能有效解决逆变器安全稳定
运行问题,将对电网电能质量产生严重影响,甚至
导致整个电力系统崩溃
[4]
。此外,弱电网环境下,
负荷侧的切入与切除以及光伏发电系统输出功率波
动都将导致主网电压的波动,从而使得并网点电压
变器作为并网光伏发电系统中最为关键环节之一,
第42卷第5期
2021年
周识远:弱电网下光伏并网逆变器电能质量控制策略研究
7
所引入的C
g
干扰不容忽视。文献[7]利用最小
二乘法检测阻抗,该方法对电力系统的稳定性和网
侧电能质量的影响较小,但其涉及计算量庞大,
而且算法比较复杂。文献[8
-
9]对传统锁相技
术进行改进,电网波形发生畸变时可及时检测电
网电压相位,从而提高并网电能质量,该控制策
略简单易行,但其只能减少特定谐波。文献
[10]针对弱电网下多逆变器并联运行时,电网
阻抗参数对光伏逆变器稳定运行影响及系统谐波
500V
[12]
。图1中,Boost升压电路将电压值较低
且变化范围大的U
pv
转换为适合DC/AC变换的直
流侧电压U
dc
,C
dc
是容量比较大的电容,从而稳定
U
dc
。逆变电路将直流侧电压U
dc
变换为与电网电压
幅值接近、频率相同的电压U
inv
,由于该电压在开
关频率处具有高频谐波,因而直接并入电网会带来
大量谐波,要通过LCL滤波器滤波,使电流以较
低的畸变率并入电网U
g
。
根据图1,建立弱电网下的单相光伏并网逆变
振荡放大的原因进行了详细分析,为本文提供了
有益的参考。文献[11]提出一种基于瞬时无功
功率理论的光伏并网逆变器的控制策略,该控制
策略实现了光伏发电系统的消谐和无功补偿功
能,提高了配电网的电能质量,但其未考虑PCC
点电压稳定问题。
针对上述问题,本文以弱电网为研究背景,分
析了光伏发电系统接入电网后的谐波以及电压波动
问题,基于瞬时无功功率理论以及PCC点电压幅
值控制方法,以提高光伏逆变器无功输出性能,从
而实现PCC点电压的稳定和谐波环流的抑制,并
采用Matlab/Simulink进行仿真验证。
1 单相光伏并网逆变器
为提高控制精度,采用光伏并网逆变器双级式
结构,前级采用Boost升压电路,后级采用单相全
桥逆变电路。考虑电网阻抗(阻感性),单相全桥
逆变器在并网状态下的等效模型如图1所示,其中
光伏并网逆变器由DC/DC升压斩波电路与DC/AC
单相全桥逆变电路构成。逆变器输出电流经LCL
滤波电路后,通过并网继电器并入电网。
图1 并网状态下单相全桥逆变器的等效模型
由于弱电网下存在较大的电网阻抗使得光伏阵
列输入谐波增大,PCC点电压发生波动,其输出
特性呈非线性。为提高光伏并网发电系统输电效
率,Boost升压斩波电路输出侧电压一般不低于
器的动态方程如下
d
:
L
s1
dU
d
I
inv
t
=
U
inv
-
U
c
(1)
C
dt
c
inv
dI
=
I
-
I
g
(2)
L
g
写出上述动态方程对应的
dt
g
=
U
c
-
U
g
-
R
g
I
g
(3)
s域表达式如下:
é
é
1
ù
ú
ê
U
ù
=
ê
ê
sC
1
-
R
g
-
sL
g
-
é
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g
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ë
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1
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I
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sL
+
sC
1
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g
ú
û
(4)
式中:U
g
为电网电压;U
inv
为逆变桥臂输出的正弦
脉宽调制电压;L
和R
s1
为滤波电感;C为滤波电容;L
;I
g
电流
g
分别为电网的等效电感和电阻
。
g
为电网
2 弱电网下单相光伏并网逆变器控制
光伏逆变器的并网控制包括升压电路控制和逆
变电路控制,主要研究后级并网逆变器的控制。本
文采用基于瞬时无功功率理论的i
p
-
i
q
电流检测算
法对电路中的瞬时电压和瞬时电流进行控制,进而
实现对光伏并网逆变器谐波和无功补偿的检测。其
中,直流侧稳压采取电压外环和无差拍的电流内环
双闭环控制,PCC点稳压采取电压幅值反馈
控制
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