光伏并网逆变器多种功能协调控制的研究
党克，衣鹏博，刘子源，田勇
(东北电力大学，吉林吉林132012)
摘要：针对光伏（ph〇t〇V〇haic，PV)发电并网过程中谐波电流导致的电能质量下降和低电压穿越过程中无法提供充足的无功补偿的问题，将有源电力滤波器（active power filter，APF)、静止无功补偿器（static reactive power com-pensator,STATCOM)和逆变器形成一个在同一新型拓扑上的多功能协调控制系统。在光伏并网过程中，该系统 通过基于瞬时无功功率原理的/P-/q法计算得出补偿电流•以消除电流谐波并提升电能质量。在光伏系统低电压穿 越（low voltage ride through，LVRT)时通过控制逆变器输出电压和电网电压的相位差汐来调节系统输出的无功功率，支撑并网点电压。通过预同步处理实现改善电能质量与LV R T两种功能之间自由切换，避免了电流冲击，在 Mat lab中通过仿真证明了协调控制系统的可行性。
关键词：光伏并网逆变器；有源电力滤波器；静止无功补偿器；低电压穿越；谐波检测与合成；模式切换
中图分类号：TM77 文献标志码：A文章编号：1009-5306(2021)02-0006-06
Research on Unified Control of Various Functions of Photovoltaic Grid-connected Inverter
DANG Ke,YI Pengbo,LIU Ziyuan .TIAN Yong
(Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China)
Abstract：In the process of photovoltaic grid-connected ,the harmonic current caused by power quality decline and low voltage across cannot provide sufficient reactive power compensation, the active power filter (APF) and static reactive power compensator (STAT- COM) combined with inverter to form a multi-functional coordination control system in the same new topology. In the process of photovoltaic grid-connection, the system calculates the compensation current through the method /p-zq based on the instantaneous reactive power principle，eliminates the current harmonic, and improves the power quality. In the low voltage crossing of the photovoltaic system, the reactive power output of the system is adjusted by controlling the phase difference between the output voltage of the inverter and the voltage of the grid(5), and the voltage of the parallel node is supported. The free switch between the two functions of improving power quality and low voltage ride through is realized through pre-synchronous processing to avoid current shock. The feasibility of the coordinated control system is proved by simulation in Matlab.
Key words： photovoltaic grid-connected inverter；active power filter ( APF) ； static reactive power compensator ( STATCOM) ； low voltage ride throughCLVRT) ；harmonic detection and synthesis；mode switch
光伏（PhotovoltaiC，P V)发电作为目前已经产 业化的可再生能源生产技术受到广泛关注。国内外 很多研究机构和学者都对光伏发电相关技术进行了 深人研究，中国在光伏发电研究方面基本成熟[1]。非线性负载容易产生各种谐波，对电网将造成污染，另外产生的大量无功电流也会对电网产生较大影 响，将导致电能质量下降。为有效解决以上问题，国外内很多学者对有源电力滤波器（active power filter，A PF)进行了深人研究[2]，并由于近年来国家对 于光伏并网低电压穿越（low voltage ride through, L V R T)的要求越发严格，光伏电站经长距离输电线路接人电网后，并网逆变器的稳定运行也面临严峻 挑战[3]，因此为了减轻逆变器的压力和低电压穿越 功能，静止同步补偿器的无功补偿性能被充分开发。
现在的光伏并网逆变器、静止无功补偿器（static reactive power compensator,STATCO M)和A P F都有不同的缺点。光伏逆变器由于白天阳光 充足可进行发电，晚上没有阳光不能发电，利用率过 低并且经常切换开关会使电网不稳定。不过APF 在补偿无功电流或者过滤谐波时，其容量相对比较 小，且成本很高，很难大规模应用在电网中[4]。STATCO M虽然容量较大，对无功补偿的效果非常
收稿日期=2021-01-07
作者简介：党克（I960).男，研究员.主要研究方向为新能源发电技术、电力系统电能质量研究。
显著，但性能有些单一。根据A P F 、ST A T C O M 和 P V 并网逆变器的分析，A P F 和STA T C O M 向电网 提供无功功率和补偿谐波，而P V 并网逆变器只提 供有功功率。从这个角度来看，其工作过程中虽然 给电网提供的电能不同，但整体上的结构基本相似， 且关键技术也基本一致，理论上可以进行统一协调 控制。现在已有机构对其中两者统一控制进行研 究，包括将无功补偿系统和光伏发电系统统一控制， 电能质量调节系统和光伏发电系统的统一控制[5]。
本文将A P F 、STATC ()M 与光伏逆变器结合 起来，形成统一的多功能协调控制结构，在光伏并网 过程中实现向电网提供无功补偿和调节电能质量的 功能。在电网发生故障电压降落时可以充分补偿无 功以支撑并网点电压恢复，完成低电压穿越。所提 出的系统的结构及控制策略已在M adab 上得到了 验证，仿真结果证明了本文提出的系统的可行性。1
系统结构
本文提出的系统结构见图1，其中u s a 、《s l ,、心分 别为三相电源直流侧电压；L 、心、L 分别为三相采 样电流；V T ，至VTS 分别为控制单元的晶闸管；VD 为采样二极管；V T 为直流单元晶闸管
别为控制单元的三相电流；％。为直流侧电压；U PV为 直流单元光伏输出电压；C 、L 、i ?分别为电容、电感 和电阻，
P C C 为公共连接点。A P F 主要是在电网中
将各种谐波电流过滤掉，补偿无功电流，有效解决电
网中存在的电流不平衡等问题[6]。在A P F 中，要实
现谐波和无功电流的补偿，关键在于直流侧电压保
持稳定7_。A P F 的直流（direct current ，DC )侧直接 连接到电容器，此时A P F 将和电网发生有功能量交 换，补偿电容器中的电能。通过分析D C 侧A P F 的 控制原理可知，如果D C 侧电压比额定值更高时， A P F 会将电能传递到电网中，D C 侧电压将会降低， 即D C 侧电能可通过A P F 直接输送到电网。光伏 阵列可以直接或通过升压电路连接到A P F 的DC 侧。通过实施最大功率点追踪（maximum power point tracking ，MPPT )，光伏阵列在工作过程中可 以向电网注入能量，且功率可以达到最大。与此同 时，A P F 和光伏阵列可以在不相互影响的情况下提 高电网的电能质量。
在三相并网逆变器拓扑结构中，相比常规 STATCOM ，多了一级Boost 升压电路卜《，所以也可 以把光伏阵列直接或经过一级Boost 升压电路接到 STATC ()M 的D C 侧，当光伏阵列向电网输送电能 时无须修改硬件即可实现光伏并网发电功能。当电 网发生故障使并网点电压降低时.利用STATCOM 可以灵活地调节无功功率的优点来实现低电压穿 越。例如电网因为发生故障导致电压突然下降，此 时STATCO
M 发出无功功率，将可以有效提高电 网的电压.并使得光伏逆变器电流输出压力降低，进 而帮助光伏发电系统实现低电压穿越:9].这样就可 在同一设备上同时实现无功电流和谐波电流补偿、 光伏并网发电和低电压穿越等多种功能，提高了设 备的利用率和减少了设备重复投资。该设备可以适 应智能电网发展需要。
图1
本文提出的系统基本结构
2系统的算法建立
本文所提出的系统要同时具有提高光伏并网电 能质量和低电压穿越时无功补偿的功能，就电能质 量考虑时指令电流的计算与合成是本系统的重要环 节。就低电压穿越时基于STATCO M功能的逆变 器的无功补偿是本系统的重要内容。
2. 1谐波检测及指令合成算法
指令电流的计算目前包括无功补偿指令电流和 谐波补偿电流以及光伏并网发电最大功率有功指令 电流。实现A P F功能的过程中，检测无功功率和谐 波电流非常重要。目前有很多种谐波电流的检测方 法[1°]，其中最快的检测方法就是瞬时无功功率理论。
图2为两种电流合成和检测的原理框图。八相 电网电压相位由数字锁相环（phase locked loop，PLL)跟踪，可以确保电流检测精度。
谐波电流的检测采用基于瞬时无功功率原理的
法。该方法不计算三相电网电压和功率，主要 是利用P L L得到A相电网电压的相位，进而可以 获得标准的正余弦信号，然后计算瞬时有功和无功 电流。计算出之后得出直流分量
光伏直流分量。之后对其进行逆变换可以求出6、4f、G.求出的结果再与作差，就会得到谐波 分量。
通过M P P T控制器得到的最大功率点指令电 压与这个指令电压相同时，输出光伏阵列电压经自动电压调节器（automatic voltage regulator，A V R)后得到有功 直流分量…为角速度 ，设
B
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则
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(2)
C23:
a
c
sin c〇—cos c〇
.—cos c o—sin 由式（2)可知，前者是无功及谐波电流分量，后者是三相基波电流:1p。控制变流器将指令电流注 人到电网中，实现光伏发电，也提高了电能质量。2.2无功功率的补偿算法
当本文提出的系统补偿电网无功功率时，可以 将该系统视为电压源，且其电压可以发生改变。图3为本文提出的系统等效电路图，其中，和R分 别为电网相电压和本文中提出的系统的输出电压，
图2
指令电流合成和检测的原理框图
为负载电压为等效电抗，i?为等效电阻（线损 与其他损耗）。从本文提出的系统的简化电路图可 以得到：
U l
图3本文所提系统等效电路
IA—Us—Uc
sin d sin(90° +p)sin(90° —<p—S)
其中为系统输出电压和电网电压的相位差，p 为电网电压初相角，由式（3)可以得到：
U L-Uss'm8
cos<p
(4)
由式（4)可知：当系统处于稳态时，新系统吸收 的有功电流和无功电流分别为：
I p
UL
V X-+R2
:cos (90° —5):I
cos 25= V Us
UL
sin^
=sin(90°-d)-u r R sin2d(5)
V X2+R2
由式（5)可知：本文提出的系统与电网之间的无 功能量交换可以通过改变5的大小来进行调整，所 以在电网电压突然跌落时，本文提出的系统可以控 制自身向电网输送的功率，由此可以对电网起到支 撑作用，避免电网电压突然下降时光伏逆变器无功 补偿压力过大，同时可以使得光伏系统变得更加稳 定，
确保在故障发生时仍可靠供电。
3系统控制方法
本文提出的逆变器在控制过程中有并网控制模 式和低电压穿越控制模式。并网工作模式是通常状 态下的控制方式，系统将为电网提供无功电流补偿，过滤谐波电流.对电网质量进行调节•提高其电能质 量。当电网出现低电压或者低电压穿越时需要模式 切换控制。不过在不同控制模式下，电压和频率需 要保持一致，因此有必要在两种模式切换时锁定相 位。利用三相锁相环控制环节[12]进行相位的锁定，来减小开关电流的冲击，提高系统稳定性，实现平稳 切换。3.1正常运行模式切换到故障模式
如果电网电压突然下降，电压幅值已经低于额 定电压90%，此时将切换到低电压穿越控制模式，图4为对应的锁相环控制电路。
锁相环，和[/a b。分别为电网电压£/轴正序分量 和电网电压，参数可以通过P ID控制，l/.v为压 控振荡器。久V K T和0，分别为低电压穿越和正常运 行两种模式下的输出相位角。电网正常状态下，开关断开S=0，此=0，此时将处于正常运行控制模式，锁相环跟随相位角队，当系统出现故障工作在低电 压穿越功能时，开关闭合S =l，ft.V R T=0模式切换 到L V R T模式，锁相环跟随相位角礼VRT。
3.2从故障模式到正常运行模式
模式切换时，系统输出电压与电网电压将存在 一定的差值，导致出现冲击电流、设备损坏或新的故 障，因此.有必要在模式切换之前对电压进行预同 步，以确保在模式切换回到正常运行模式之前，二者的输出幅度和相位保持一致。
A/=(^P+y)(0g-0…)(6)
9…=1!,2 7T(A/+Z lv k t)di(7)
图5为预同步控制器的原理框图：首先获得电 网相位久.并求得其与光伏逆变器相位的相位差 A0，对该相位差进行调节，采用比例微分调节器。这样会得到一个频率补偿信号A/，再将A/与低电 压穿越运行下的频率参考值/h t相叠加，主控制器 参考频率采用该叠加频率，然后计算出参考相位。以上措施将能实现系统控制模式切换前后，逆变器 和电网电压相位相同，避免出现电流冲击。
图5
预同步控制器的原理框图
2021年4月
第49卷第2期（总第273期）吉林电力
Jilin Electric Power
Apr. 2021
Vol. 49 No. 2(Ser. No. 273)
0.04
0.08
0.12
0.16
reactivepower0.20
时间/s
(a ). A 相电压、电流
4
仿真验证
本文在M a tla b 环境下对提出的协调控制系统 进行模拟和仿真分析。在仿真模型中，将电网电压
和频率分别设置为380 V 和50 Hz ；电阻i ? = 5 D ; 通过阻感负载模拟产生电网中有功和无功功率, P = 50 k W ,Q =51 k var 〇4. 1
当系统作为光伏并网功能运行时
当系统作为光伏并网功能运行时，需要进行电 能质量调节,0.08 s 投人本文提出的系统，仿真波形 见图6(a )。
400
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20
谐波/次
(b ).没投人本文所提系统各次谐波畸变率
谐波/次
(c ).投人本文所提系统后各次谐波畸变率
图6
本文所提系统电能质量提高功能仿真波形
由图6明显看出，图6(a )在0.08 s 之前没有投
入本文提出的系统的时候，由于存在谐波与无功电 流导致电网中的电流滞后于电网的电压；在投人本 文提出的系统后，电能质量有了明显的改善且电流 与电压同相。并且对A 相进行快速傅立叶变换得 到图6(b )，电网向负载注人的有功电流的幅值明显 变小，系统中5次及7次谐波的含量也明显降低, 谐波畸变率也由8. 44%明显降低到1.87%，所以仿 真结果达到了预期效果。
4.2当系统进行低电压穿越功能操作时
当系统进行低电压穿越功能操作时，需要提供
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
时间/S
图8
本文所提系统模式切换功能仿真波形
由图8可以明显看出，系统迅速发现短路故障 并且转换模式，在低电压穿越期间控制信号也可以 很好的跟踪被控制信号，两种模式下的控制信号也 几乎重合，保证了两种模式相位的统一，达到了预同
无功功率来支持并网点的电压恢复。设定仿真条件 为电压跌落到30%额定电压，仿真波形见图7。
时间/s
(a ).没投入STATCOM 功能
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
时间/s
(b ).投入STATCOM 功能
图7
本文所提系统低电压穿越功能仿真波形
由仿真结果明显看出，图7(a )显示当系统没有 投入低电压穿越功能时，并网点电压降落至额定电 压的30%.电压明显降低。由图7(b )可知，当系统 以STATCO M 功能投人时，并网点电压明显升高， 发生故障前后的电压波动几乎为零，所以仿真结果 显示达到了恢复电网电压的效果，提高了系统的稳 定性。
4.3当系统进行模式切换时
图8为系统模式切换时两种控制模式下的角速 度，在0. 1 S 时电压降落，系统为低电压穿越模式, 在I s 时完成低电压穿越，系统恢复并网模式。
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