光伏发电串并联柔性接入功率接口研究

光伏发电串并联柔性接入功率接口研究

赵瑾

深圳供电局有限公司广东深圳518000

摘要：由于光伏发电的随机性和间歇性，分布式光伏发电电源接入主电网会在接入点向区域交流电网注入复杂的电能质量扰动，且区域交流电力系统供电存在严重的过压和欠压现象，需要对光伏电网接入进行电能质量控制，电压电能质量扰动以及光伏发电电源接入主网的并网变流器具有相同拓扑结构，提出一种基于统一电能质量控制器的光伏发电串并联柔性并网功率接口，详细分析了该类并网功率接口的主电路拓扑结构和工作原理，阐述了基于广义瞬时无功理论和广义谐波理论的电压和电流电能质量扰动检测法的基本原理和基于三态滞环控制的并网功率接口输出控制的基本原理，理论分析显示所研究的并网功率接口能有效地实现并网功率输送、谐波电流抑制、无功补偿、三相对称、电压稳定和功率支撑。

关键词：光伏发电；功率接口；并网；统一电能控制

1引言:

太阳能作为一种不可控能源，光伏发电产生的电能具有随机性、波动性等特点，影响了设备的利用率，带来了电压偏差频率波动、电压闪、谐波污染等电能质量问题，降低了电力系统的可靠性。而且光伏发电电源与主电网直连过程中，它们连接时间持续长而且有较大的冲击；光伏发电电源和主电网联网时，由于其功率无法控制，在能量相互传递过程中它们之间将产生大量谐波。与此同时统一电能质量控制器因成本高，功能单一，推广难度较大。

针对这些不足和发展障碍，提出了光伏发电串并联接入功率接口的新结构，这个结构中太阳能并网逆变电路和串联柔性调压电路具有相同的主电路结构，充分发挥统一电能质量控制集串联电压补偿和并联电流补偿装置于一体，也就是说它不仅解决了对主电网的电流谐波、无功补偿和电压畸变量抑制等配电系统电能质量问题，而且解决了光伏发电电源并网向主电网注入复杂的电能质量扰动。与此同时，直流升降压电路使用了改进最大功率跟踪技术，提高了分布式电源的利用率，解决了我国能源紧缺问题，促进了可再生能源发展。在新结构中的串联柔性调压装置既能改善光伏发电电源并网稳定性，又能抑制光伏发电电网的功率波动，维持供电端电压，降低光伏发电电源对电网电能质量的影响。

因此，在这样新结构中能够实现一机多能，一台设备多功能使用，它不仅改善了电网的电能质量，降低了应用成本，而且提高了整个系统的利用率，将对直流生降压技术、储能技术和光伏发电电源并网技术的共同发展具有推动作用。

2光伏发电串并联柔性接入功率接口拓扑及其工作原理

光伏发电柔性调压型节电装置，主要由光伏发电模块、逆变并网模块和柔性调压模块构成，力求做到充分利用太阳能光伏发电、节约市电供电以及保证供电电压质量。由光伏直流升压/降压电路和并网逆变电路和串联型柔性调压逆变电路组成。针对电能质量控制装置的特点，串联变流电路和并联变流电路的可控电力电子器件均采用IGBT。IGBT是新一代的复合型电力电子元件，它的控制极是场效应晶体管，输出极为双极型功率晶体管。因此，这种器件有两者的优点而且能够克服两者的缺点。IGBT为电压驱动、开关频率高、贯穿短路保护能力强，所以损耗小、工作可靠和性能好。光伏发电柔性调压型节电装置的原理结构如图1所示。

光伏发电串并联柔性接入功率接口拓扑结构主要由光伏发电模块、逆变并网模块和串联柔性调压模块三大部分构成。

2.1光伏发电模块

光伏发电模块是将光伏电源电压升高至电网工作直流电压电路。主要由Boost-Buck变换器，也称升降压式变换器构成。Boost-Buck变换器是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Boost-Buck变换器可看作是Boost变换器和Buck变换器串联而成：晶闸管导通，二极管截止，对超级电容进行充磁；晶闸管截止，二极管导通，对超级电容放磁。其结构图如图所示。

2.2逆变并网模块

光伏并网逆变电路的主要作用在于使光伏发电输出与主电网电压的频率和波形、大小一致的电压，实现柔性并联入网。采用单相全桥式逆变电路，克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。其结构图如图3所示。

2.3串联柔性调压模块

采用串联柔性调压电路，并利用IGBT模块作为高频开关，装置的整体变换效率较高，能实现无级调压,能的输入电压控制在最佳值，消除过压情况，避免电压波动，输出电压为正弦波，从而能最大限度地发挥节能效果。其结构图如图4所示。

3光伏发电串并联柔性接入点电能质量扰动信号检测

信号检测是实现光伏发电并网功率功率结构控制的关键。具有串并联柔性的并网功率接口由并联电路变流器和串联变流器两部分组成。并联电路变流器的输出主要用于控制光伏发电电源接入点的电流电能质量扰动，需要检测出接入点的电流电能质量扰动；串联变流器的输出主要用于控制光伏发电电源接入点的电压电能质量扰动，需要检测出接入点的电压电能质量扰动。对电流和电流电能质量扰动的检测，本文采用的是基于广义瞬时无功理论和广义谐波理论的检测方法。

3.1基于广义瞬时无功理论的电流电能质量扰动信号检测

并联交流电路的信号检测采用广义瞬时无功电流的测量原理。标准的正、余弦信号是通过（PLL）锁环获取A相电网电压的相位所得到的。三相电路中负载电流经过C32、C矩阵可以得到ip、iq，再经低通滤波器后可以得到直流基波有功分量ipp、iqp，然后再经过反变换并与三相负载电流ia、ib、ic相减，就可得到谐波电流分量iah、ibh、ich。经过电压调节(AVR)后得到光伏发电并网直流有功分量。

基于瞬时无功理论ip-iq法检测出的谐波电流、无功补偿和光伏发电并网有功电流得到合成，再通过统一电能质量控制器把计算出合成电流注入电网就可以同时实现谐波电流补偿、无功补偿和光伏发电并网。

3.2基于广义谐波理论的电压电能质量扰动信号检测

串联变流电路的信号检测方法采用广义谐波理论。在三相电路中，频率等于工频频率的三相对称的正序交流分量，称为三相电路的工频正序分量，频率不等于工频频率的三相分量之和，称为三相电路的广义谐波分量。其中工频正序分量与广义谐波分量完全不相关。广义正交变换的基本思想是将三个相电压进行线性变换，通过线性变换得到一个空间电压矢量，并对空间电压矢量进行工频基波和广义谐波的分解。

三相电路中的电压通过广义dp0坐标系变换，其变换成的空间矢量中工频正序电压分量呈直流形式而广义电压谐波呈交流形式。利用其特性，对分离广义电压谐波带来了很大的方便，实现对补偿电压畸变指令的检测。

4光伏发电柔性串并联接入功率接口电能质量控制策略

为保证光伏电网接入主系统后的电能质量，要求电能质量控制器实时、准确产生补偿量，此时，控制方法十分重要。本文并联变流电路控制采用三态滞环控制进行控制。滞环控制是补偿参考电流与直流生降压器补偿电流产生偏差信号，当偏差值超过容许误差值时，功率开关动作。两态滞环只有输入和补偿两个状态，而三态滞环不仅有输入和补偿状态，还有续流状态。

两态滞环是指令信号与实际补偿电流信号之间差值偏差信号为Δi，当偏差信号低于容许误差的下阀值时，开关Q1、Q4导通，il电流减小，A相输出电压为-Udc；当偏差信号超过容许误差的上阀值时，Q2、Q3导通电流增大,A相输出电压为Udc。

5光伏发电串并联柔性接入功率接口仿真模拟

为了验证本文提出的基于统一光伏发电串并联柔性接入功率接口及其信号检测与输出控制方法的有效性，通过MATLAB仿真软件进行仿真分析。本文采用在三相三线制系统，主要参数如下:变压器变比1∶1；并联变流器L=20mH，C=700μF，R=5；串联变流器L=20mH；直流电容C=100μF；三相不对称负载分别为R=10,L=3mH；R=8，L=0.3mH；R=5Ω。分布式光伏发电电网直流输出在1000V附近。

5.1串联交流器抑制电压畸变

5.2并联交流补偿谐波电流、无功补偿和光伏发电电源并网的结果

6总结

通过对光伏发电串并联柔性接入功率接口电能质量的研究，我们发现光伏发电串并联柔性调压节能运行装置，兼顾了光伏发电逆变并网装置的优良性能和串联柔性调压装置的对电能质量改善作用，同时提高了变流器的利用率。这样的光伏电网发电系统不仅有效地节省设备投资，系统结构也得到简化，而且响应特性快速，对提高电网供电能力和电能质量具有重要作用。由此可见，光伏发电串并联柔性调压节能运行装置具有广泛的应用前景。

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作者简介：赵瑾（1994年1月），女，汉族，湖南邵东，大学本科，研究方向：光伏发电串并联柔性接入功率接口研究。