光伏并网发电及无功补偿的统一控制概要Word文档格式.docx

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系统以DSP数字信号处理器为基础，在30kVA光伏并网功率调节器实验样机中成功地实现了光伏并网发电和无功功率补偿的统一控制。

关键词：

光伏并网无功补偿电流跟踪中图分类号：

TK514

UnitiveControlofPVGridConnectedGenerationandReactive

Compensation

WangHainingSuJianhuiZhangGuorongMaoMeiqinDingMing（ResearchCenterofPhotovoltaicSystemEngineeringofMinistryofEducation

HefeiUniversityofTechnologyHefei230009China）

AbstractForthecharacteristicsoftheinvertermaincircuitsnormallyusedinphotovoltaicgrid-connectedsystems,anovelcontrolstrategyisproposed,inwhichphotovoltaicgridconnectedgenerationiscombinedwithreactivepowercompensation.Thephotovoltaicgrid-connectedsystemcanprovidenotonlyactivepowerbutalsoreactivepowerneededbyreactiveloadsandsavestheinvestmentoftheequipment.Thecontrolalgorithmofreactivepowerappliestheconceptoftheinstantaneousp-qpowertheoryandtheconverterDCsource,whichissuppliedbysolararray,istrackedbysearchingthemaximumpowerpoint（MPP）.Combinationofgrid-connectedcurrentandcurrenttrackingarealsodiscussed.Theproposedcontrolmethodofcurrentisanalyzedinabccoordinate.Theuniformedcontrolofreactivepowercompensationandphotovoltaicgrid-connectedgenerationhasbeenimplementedintheprototypeof30kVAphotovoltaicgrid-connectedpowerconditionerbasedondigitalsignalprocessor（DSP）successfully.

Keywords：

Photovoltaicgridconnected,reactivepowercompensation,currenttracking

的无功电能一般由电网提供或由专用的无功补偿设备提供。

对于城市复杂的供电网络，在其供电和输送能力较强时，负载的无功功率对电网供电质量影响不会很大，但在电网的末梢，特别是远离电网的边缘地区，负载的无功电流会对电网供电电压产生较大影响，进而影响共用该电网传输线上的其他用户。

为增强电网末梢的供电能力，在供电负载附近建立大型光伏并网发电系统可以有效的改善供电质量和供电能力，但如果光伏并网发电系统只提供有功电能，则负载的无功电流可能会影响电网末梢的

1引言

光伏并网发电开始于20世纪80年代初，其相光伏并网发电系统在一般关研究的文献有很多[1~3]，

情况下只提供给电网有功电能，即将太阳能光伏阵列的直流电能转换为与电网同频同相的交流电能馈送给电网，并保证其具有较高的功率因数。

而负载

国家高技术研究发展（863）计划（2002AA513040）。

收稿日期2005-01-25改稿日期2005-05-26

第20卷第9期

汪海宁等光伏并网发电及无功补偿的统一控制115

供电质量，否则只能增加相应的无功补偿设备。

对于三相光伏并网发电系统中的并网逆变器，其主电路一般采用电压型全桥结构，该结构与常规的有源无功补偿和滤波装置的主电路完全一致，因此，本文考虑将两者各自控制特点相结合，构成同时具有光伏并网发电与无功补偿控制功能的光伏并网功率调节系统，这样的光伏并网发电系统可以有效地节省设备投资，简化系统结构，并具有优良的无功补偿快速响应特性，对提高电网末梢供电能力和质量具有重要作用。

令分量，与电压调节输出的有功电流指令相合成，即可得到最终并网电流指令，经电流内环调节即可实现光伏并网发电和无功补偿的统一控制。

光伏并网功率调节控制原理如图3所示。

2系统的控制原理

常规的光伏并网发电系统主电路结构[4]如图1所示。

图3光伏并网功率调节控制原理图

Fig.3DiagramofPVgrid-connectedpowerconditioner

太阳电

池阵列

三相光伏并网功率调节器采用电压控制为外环、电流控制为内环的双环控制结构，电压外环稳

定光伏阵列的直流输出电压，其调节输出产生电流内环的线电流参考给定幅值信号；

电流内环实现并网电流的跟踪控制，并保证电流跟踪的快速性和误差。

太阳电池阵列工作电压的稳定控制是系统所必须的，由太阳电池阵列特性可知，其工作电压的选择可以决定太阳电池阵列当前功率输出，最大功率控制单元MPPT跟踪[6]也就是最佳工作电压的选择，

完成最大功率点工作电压Vdc*的确定，并根据光伏阵列的输出功率和电压幅值大小识别白天和夜晚。

AVR为电压调节控制单元，其调节输出为并网电流的有功分量幅值给定Ip*。

市网

图1光伏并网发电系统主电路

Fig.1MaincircuitofPVgrid-connectedgeneratorsystem

SolarArray为太阳电池阵列，其正负输出分别接电压型三相逆变桥的直流母线，三相逆变桥的交流输出经电抗器并接电网。

太阳电池阵列作为直流电源输入，由于太阳电池阵列本身的V-I特性和P-V特性具有强烈的非线性，且随光照和温度变化，因此，如果要使光伏阵列在并网发电时，能够输出最大功率，必须首先稳定其输出电压，并找出其最大功率点的工作电压。

光伏并网发电的方框图如图2所示。

要实现有源滤波和无功补偿的控制，其关键技术是电网无功和谐波的检测，为了保证电网的供电质量，系统必须能够实现对无功电流补偿的快速反

应。

在无功电流检测完成的基础上，其各相检测值作为无功电流分量的指令值，系统产生反相无功电

流，与直流电压环输出并网电流的有功分量合成，

作为调节器输出电流指令。

前者反映了负载所需的无功能量，后者反映了阵列向电网输送的有功能量。

K2单元为电网电压前馈控制，可以有效地抑制电网电压对电流跟踪的影响。

图2光伏并网发电方框图

Fig.2DiagramofPVgrid-connectedgenerator

由图2可知，常规光伏并网型逆变电源的直流母线的电压控制与有源无功补偿和滤波的直流母线的电压控制方式是一致的，即通过并网电流的有功因此，电流分量大小和方向来稳定直流母线电压[5]。

两者的统一控制是可行的，通过检测负载交流母线上的无功电流分量，并将其换算为无功补偿电流指

3基于瞬时无功功率理论[7]的无功电流检测

对无功电流检测的方法有多种，其中以dq0坐标变换法（也称Park变换或旋转矢量坐标变换）和基于瞬时无功功率理论的检测方法速度最快。

本文

116

电工技术学报2005年9月

采用后者来实时检测无功电流。

基于三相瞬时无功功率理论的无功和瞬时谐波电流检测方式，在只检测无功电流分量时，可以做到完全无延时，图4为三相无功电流的检测算法原理框图，其工作原理如下：

iiiaqbqcq

sinωt和对应的余弦信号cosωt，因而检测结果不会受电压波形畸变的影响。

该方法具有很好的实时性。

4并网电流的合成及其跟踪控制

光伏并网逆变器的负载是交流电网，交流电网电压基本不变，故并网功率的大小可由并网有功电流的大小来体现。

系统通过调整并网有功电流的大小来稳定太阳电池阵列的工作点电压，即并网有功

功率与阵列输出功率相平衡，系统才能稳定于工作点电压，因此，在光伏阵列电压外环的控制作用，其并网有功电流分量会自动满足系统控制要求，由图3可知电压外环控制算法为

K⎞⎛

IP*=⎜Kdp+di⎟Vdc*−Vdc（4）

s⎠⎝

图4无功电流检测原理图Fig.4Measurementofreactivecurrent

电流ia、ib、ic分别为电网负载电流，C32为三相静止坐标系到α-β两相静止正交坐标系的变换矩阵，C为α-β两相静止正交坐标系到p-q旋转坐标系的变换矩阵，p-q旋转坐标系中的p轴和q轴分别是电网电压矢量e和其法线，LPF为低通滤波器，C23和C-1分别是C32和C的逆变换矩阵。

11⎤⎡

1−−2⎢22⎥

⎥C23=⎢

3⎢⎥0−⎢22⎥⎦⎣

（）

式中Kdp——电压环调节器比例系数

Kdi——为电压环调节器积分系数

直流电压环调节输出并网电流的有功分量幅值给定Ip*，乘以三相电网的同步信号即得到三相交流电流的瞬时有功分量给定iap*、ibp*、icp*；

电网电流ib和ic经坐标变换后可得到其中所含的瞬时无功ia、

分量，并将其作为给定iaq*、ibq*、icq*；

将三相瞬时有功分量给定和瞬时无功分量给定合成，作为内环交流电流给定信号ia*、ib*、ic*。

以下为电流指令的合成算法，该算法建立在三相电网电压对称，且为正序的情况下，当电网电压相序为负时，各计算公式要做相应修改。

由图3可以得到瞬时无功电流的各指令分量为

22π⎧*2

⎪iaq=3（cosωtia（t）+cosωtcos（ωt−3ib（t）+⎪

⎪cosωtcos（ωt+2πi（t））

c⎪3

⎪

22π2π*⎪ibq=（cos（ωt−ωt）ia（t）+cos2（ωt−）ib（t）+（5）⎪333⎨

⎪cos（ωt−2πcos（ωt+2π）i（t））

c

⎪33⎪2π2π2*⎪icq=（cos（ωt+）（cosωt）ia（t）+cos（ωt+333⎪

⎪2π2π

⎪cos（ωt−ib（t）+cos2（ωt+）ic（t））

33⎩

C32=

⎡⎤

⎢10⎥⎥2⎢1⎥−3⎢22⎥⎢⎥