准Z源光伏并网逆变器无功补偿自然坐标控制_姬丽雯

光伏并网发电与无功补偿的一体化控制蔡纪鹤;孙玉坤;黄永红【摘要】为改善光伏并网发电系统的供电质量、提高系统利用率、降低系统损耗、减小设备投资,提出了一种将光伏并网发电与无功补偿相结合的一体化控制策略.通过对并网逆变器的控制,系统既可以向电网输送有功功率,又能对电网中的无功功率进行补偿.分析了两级式光伏并网发电与无功补偿一体化系统的拓扑结构,研究了一体化控制原理、基于扰动观测法的最大功率点跟踪控制、基于瞬时无功功率理论的并网有功电流、无功电流的检测方法及并网电流的合成等问题,最后采用Simulink 对整个系统进行了仿真研究.仿真结果验证了该系统结构及控制策略的可行性,实现了光伏并网逆变器功能的复用,扩大了其应用范围.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(035)003【总页数】5页(P324-328)【关键词】光伏并网发电;最大功率点跟踪;无功补偿;瞬时无功功率理论;仿真【作者】蔡纪鹤;孙玉坤;黄永红【作者单位】江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;常州工学院电子信息与电气工程学院,江苏常州213002;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;南京工程学院,江苏南京211167;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TM615随着世界经济持续、高速的发展，世界各国对化石能源的需求量越来越大，使得化石能源急剧地消耗;此外，化石能源的大规模开发和利用，影响着全球气候，并引发酸雨、温室效应、臭氧层破坏等一系列环境问题.研究和实践表明，太阳能取之不尽，用之不竭［1］，而且清洁无害，是解决世界能源危机和环境污染最可靠和行之有效的绿色能源［2］.根据IEA，JRC和EPIA的预测［3］，作为太阳能资源利用最主要途径的光伏发电技术在未来几十年内迅速发展，到本世纪末光伏发电总量将占全球电力供应的60%以上.其中，光伏并网发电系统的安装量占到全部光伏系统安装量的90%以上，毫无争议地成为光伏发电领域的发展趋势.由于光伏并网发电系统的逆变主电路通常采用电压型半桥结构，该结构与静止无功补偿器的电路结构基本相同［4-5］，因此，可以通过对并网逆变器的控制，实现光伏并网发电和无功补偿的一体化控制.这样，光伏并网发电系统既可以向电网输送有功功率，又能对电网中的无功功率进行补偿，从而改善了光伏发电的电能质量，提高了系统的利用率.文中拟分析光伏并网发电系统的结构，提出具有无功补偿功能的光伏并网发电系统的具体结构，对其控制原理、最大功率点跟踪、并网电流的合成问题进行研究，最后通过仿真验证系统结构和控制策略的可行性.1 系统的拓扑结构光伏并网发电系统根据逆变器拓扑结构的不同分为单级式结构、两级式结构和多级式结构.其中多级式结构的光伏并网发电系统功率变换环节较多，成本较高;单级式结构的光伏并网发电系统虽然成本低，但控制算法复杂度高，系统设计灵活性较低;两级式结构的光伏并网发电系统具有前后级耦合小、控制精度高、效率较高、综合性价比高，且有利于模块化设计与集成的优点，得到了广泛的应用［6］.因此，文中采用该主电路结构，如图1所示.图1 两级式光伏并网发电系统主电路系统主电路由光伏阵列，BOOST电路，并网逆变器等部分构成.其中，光伏阵列将太阳辐射的光能转换为直流电能经过防反二极管连接到前级BOOST电路，BOOST电路实现最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制及直流电能的升压，再将升压后的直流电能经过后级并网逆变器变为符合电网要求交流电能并入电网，并网逆变器在进行并网逆变的同时还实现了对电网无功功率的补偿.2 系统的控制原理文中采用基于SPWM控制的dq坐标系下的电压外环、电流内环控制结构.电压外环稳定经BOOST电路实现最大功率点跟踪的光伏阵列直流输出电压，内部电流环控制并网电流与输入电压同相，同时抵消系统中的无功电流，达到无功补偿的目的.系统控制原理如图2所示.图2 系统控制原理图具体工作原理如下:输出电压Udc和给定参考电压Udc*比较后送入电压调节器，电压调节器的输出信号作为网侧电流有功分量的给定值，负载的无功电流分量作为内环的给定值iq*，稳态时 d，q轴的电流给定信号都为直流量，两个给定值与网侧经过变换后的反馈值id，iq相比较后，送入电流PI调节器，在非线性解耦和坐标变换后得到三相网侧电压在abc坐标系上的控制信号，经过SPWM调制后，输出SPWM控制信号，从而实现对三相光伏并网功率调节器的控制.3 最大功率点跟踪控制光伏阵列的输出功率是太阳光辐射度、光伏阵列工作温度的非线性函数，能否最大限度地释放光伏阵列的输出功率，提高光伏阵列的光电转换效率是整个光伏并网发电系统的关键技术之一，又称为MPPT 技术［7］.MPPT有很多控制方法，其中应用最多的是扰动观察法.其原理［8-9］是在每个采样周期对光伏阵列的输出电压增加一个电压扰动，并观察输出功率的变化方向，从而来决定下一步施加扰动电压的方向，如此循环，直至输出功率稳定在设定的范围内.其仿真结果如图3所示.图3 光伏阵列的电压、功率曲线从图3可见，采用扰动观测法MPPT控制时，系统经过很小一段时间的调整后，可以输出稳定的电压和功率，动态响应快、稳态误差小.4 并网电流的跟踪控制4.1 无功电流的检测对无功电流检测的方法有多种，其中以dq坐标变换法和基于瞬时无功功率理论［10］的检测方法速度最快.文中采用dq坐标变换法分别负载无功电流和并网电流进行检测，如图4所示.图4 无功电流检测框图则负载电流il在dq坐标的模型为式中:ild，ilq为负载电流 il的 d，q分量，令 ild=0，ilq=iq*;而同理可得，并网电流ic在dq坐标的模型为式中:icd，icq为并网电流 ic的 d，q 分量，令 icd=id，icq=iq.4.2 电流内环的解耦控制系统在两相同步旋转坐标系(d，q)中的模型可描述为式中:ed，eq为电网电动势矢量 e的d，q分量;urd，urq为系统交流侧电压矢量uc的d，q分量;p为微分算子.设dq坐标系中d轴与电网电动势矢量e重合，则电网电动势矢量q轴分量eq. 从式(3)可见，d轴和q轴变量是相互耦合的，因而无法对两通道电压进行单独控制，给控制系统的设计造成很大困难.对于一个耦合系统进行控制，工程上希望实现某一个输出量仅受某一个输入量的控制，这种控制方式称为解耦控制.线性定常系统的解耦通常可采用串联补偿器或前馈补偿器来实现，这里采用前馈解耦控制［11］.为此可引入 id，iq的前馈解耦控制，对ed，eq进行前馈补偿，且采用PI 调节器作为电流环控制器，则得式中:KiP，KiI分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益.将式(5)-(6)代入式(3)，可得从式(7)可见，系统的电流内环(id，iq)已实现了解耦控制，其控制结构如图5所示. 图5 解耦控制结构4.3 电网电流的组成电网电流的计算公式如下:根据文中采用的控制算法，将并网电流ic从abc坐标系转换到dq坐标系后，其d轴分量将跟踪电压调节器的输出信号id*;q轴分量将跟踪负载电流负载il的无功电流分量iq*，由于电网电流为il和ic之差，并网电流ic刚好将负载电流il中的无功电流分量抵消掉了，实现了对无功功率的补偿.5 仿真研究在Matlab仿真平台下，建立仿真模型，其参数如下:光伏组件的功率为185 W，共54块，9块串联6块并联，组成10 kW的光伏阵列;电网电压的有效值为100 V，频率为50 Hz;阻性负载为6 kW，感性负载为3 kVar.当设定iq*=0时，并网电流ic没有对负载电流il中的无功电流进行抵消，电网a相电压和电流波形如图6所示.图6 =0时，电网电压与电流波形从图6可见，电网a相电压超前电流波形，两者之间有一定的相位差，系统中的无功功率没有得到补偿，系统处于并网发电状态.当设定iq*=ilq时，并网电流ic对负载电流il中的无功电流进行抵消，iq*波形如图7所示，电网a相电压和电流波形如图8所示.图7 iq*=ilq时，iq*波形图8 iq*=ilq时，电网电压与电流波形从图8可见，经过很短时间的调整，电网a相电压和电流同相，此时，并网电流中的无功电流分量iq*与负载电流中的无功电流分量ilq大小相等，并且方向相反，因此系统中的无功功率得到补偿，系统处于并网发电状态和无功补偿状态.6 结论1)通过仿真研究发现，该系统能够有效地补偿系统的无功功率，实现了并网发电与无功补偿的一体化控制，从而验证了文中设计的系统结构和控制策略是可行的，为该技术的实际应用奠定了基础.2)该系统与光伏并网发电系统的逆变主电路相同.只要对光伏并网发电系统的控制系统进行适当的改造，即可实现向电网输送有功功率的同时，又能对电网中的无功功率进行补偿，从而改善了光伏发电的电能质量，提高了系统的利用率.参考文献(References)【相关文献】［1］Suryawanshi B，Patel I，Rao K P.Intermittent power generation and tracking［C］∥Proceedings of the 2012 Nat ional Conference on Computing and Communication Systems. Durgapur， India:IEEE Computer Society，2012:317-322.［2］Hamakawa Y.Recent advances in solar photovoltaic technology and its new role for environmental issue［J］.Renewable Energy，1994，5(1/2/3/4):34-43.［3］付永长，蔡皓.太阳能发电的现状及发展［J］.农村电气化，2009(9):57-58.Fu Yongchang，Cai Hao.Status and development of solar power［J］.Rural Electrification，2009(9):57-58.(in Chinese)［4］冯乾，殷桂梁，梁俊霞，等.模糊自适应光伏并网发电与无功补偿控制［J］.云南电力技术，2012，40(4):26-30.Feng Qian，Yin Guiliang，Liang Junxia.Fuzzy adaptive photovoltaic power generation and reactive power compensation control［J］.Yunnan Electric Power，2012，40(4):26-30.(in Chinese)［5］王晓，罗安，邓才波，等.基于光伏并网的电能质量控制系统［J］.电网技术，2012，36(4):68-73.Wang Xiao，Luo An，Deng Caibo，et al.A power quality control system based on grid-connected photovoltaic power generation［J］.Power System Technology，2012，36(4):68-73.(in Chinese)［6］Ma Youjie，Liu Sijia，Zhou Xuesong，et al.Research on the control of three-phase two-stage grid-connected photovoltaic system and the selection of its parameters［J］.Journal of Information and Computational Science，2010，7(14):3177-3184.［7］Syafaruddin，Karatepe Engin，Hiyama Takashi.Performance enhancement of photovoltaic array through string and central based MPPT system under non-uniform irradiance conditions［J］.Energy Conversion and Management，2012，62:131-140. ［8］刘邦银，段善旭，刘飞，等.基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪［J］.电工技术学报，2009，24(6):91-94.Liu Bangyin，Duan Shanxu，Liu Fei，et al.Photovoltaic array maximum power point tracking based on improved perturbation and observation method ［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(6):91-94.(in Chinese)［9］Nie Xiaohua.A new improved perturbation and observation MPPT control algorithm in photovoltaic system［J］.Advanced Materials and Engineering Materials，2012，457/458:877-883.［10］Herrera R S，Salmerón P.Present point of view about the instantaneous reactive power theory［J］.IET Power Electronics，2009，2(5):484-495.［11］Ye Y，Kazerani M，Quintana V H.A novel modeling and control method for three-phase PWM converters［C］∥Proceedings of 2001 IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference.Vancouver，Canada:IEEE，2001:102-107.。

光伏发电并网逆变器三相电流质量控制
安少亮;李均妮;孙向东;任碧莹
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2016(033)006
【摘要】针对太阳能电池的电流源特性,在光伏发电系统中采用电流型逆变器可以获得良好的控制效果.为适应逆变电流正弦度要求更高的场合,以三相电流型逆变器为研究对象,详细分析了三相电流型光伏逆变器主电路的工作原理,研究了三相电流型逆变器的空间矢量调制(SVM)方法.最后利用Matlab软件搭建三相电流型光伏逆变器主电路模型进行SVM调制仿真.通过电流FFT分析结果表明,采用SVM调制的三相电流型逆变器输出电流正弦度良好.仿真结果证明了SVM的可行性,有利于实现直流侧电压宽范围调节,为光伏逆变器优化控制提供了参考.
【总页数】5页(P81-85)
【作者】安少亮;李均妮;孙向东;任碧莹
【作者单位】西安理工大学电气工程系,陕西西安710048;西安理工大学电气工程系,陕西西安710048;西安理工大学电气工程系,陕西西安710048;西安理工大学电气工程系,陕西西安710048
【正文语种】中文
【中图分类】TM743
【相关文献】
1.国内首部光伏并网逆变器能源行业标准《光伏发电并网逆变器技术规范》检测认证技术研讨会在沪召开 [J], ;
2.《光伏发电并网逆变器技术规范》结束光伏逆变器行业缺少统一行标的时代 [J], 李新强;王思童
3.光伏发电系统并网逆变器电压电流双闭环控制仿真研究 [J], 刘自南
4.应用于光伏发电并网逆变器的有源阻尼控制策略 [J], 李臻;曹增新;蒋程;肖子涵;李宁
5.国内首部光伏发电并网逆变器能源行标《光伏发电并网逆变器技术规范》宣贯会议在沪召开 [J], 本刊编辑部
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光伏并网系统参与电压调节的有功和无功协调控制策略研究王宁;高朋;贾清泉;孙玲玲;白钰【摘要】针对配电网线路阻抗大、分布式光伏并网系统无功调压能力有限,导致光伏电源在有功出力较大时并网点(PCC)电压越上限问题,在深入分析光伏系统PCC 电压特性基础上,提出一种光伏逆变器有功和无功协调控制策略.在该控制策略下,光伏系统实时跟踪监测PCC电压变化,PCC电压不越限时,逆变器按最大功率点跟踪(MPPT)输出;PCC电压越上限时,优先利用逆变器剩余容量进行无功调压,若剩余容量不足,调节逆变器有功输出,并动态计算有功、无功最佳输出值,保证将PCC电压调节至满足要求的前提下,实现逆变器有功输出最大化、无功输出最佳化.算例结果验证了控制策略的有效性.%The impedance of the distribution network is large,the reactive power voltage regulation of the distributed PV grid-connected system is weak,so the voltage of point of common coupling exceeds the upper limit when the active power is larger than PV power supply.Based on the analysis of the PCC voltage characteristics of PV system,the active and reactive power coordination control strategy of PV inverter is proposed in this paper.In this control strategy,the voltage of PCC is tracked by PV system in real time.When the voltage of PCC is normal,the inverter will output in the way of maximum power point tracking (MPPT).When the voltage of PCC exceeds the upper limit,the inverter will regulate the voltage by using the remaining capacity preferentially.If the remaining capacity is insufficient,the inverter will adjust active output and dynamically calculate the active and reactive best output values.In this way,the voltage of PCC is adjusted in a appropriate range toachieve the active output maximization and reactive output optimization of inverter.The results of the example verify the effectiveness of the control strategy.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2017(036)008【总页数】7页(P23-29)【关键词】光伏并网系统;电压越限;有功和无功协调控制策略;逆变器剩余容量【作者】王宁;高朋;贾清泉;孙玲玲;白钰【作者单位】电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,燕山大学,河北秦皇岛066004;电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,燕山大学,河北秦皇岛066004;国网河北省电力公司石家庄供电分公司,河北石家庄050093;电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,燕山大学,河北秦皇岛066004;电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,燕山大学,河北秦皇岛066004;国网河北省电力公司元氏县供电分公司,河北石家庄051130【正文语种】中文【中图分类】TM464随着常规能源供应的日益紧张和环保呼声的高涨，世界各国已将发展光伏发电视为可持续发展战略决策之一[1]。

基于定频积分控制的并网逆变器的接口控制和孤岛保护陆宇;唐丽婵;汤雪华【摘要】新的数字电网接口控制策略不同于一般的 SPWM 和 PLL(锁相环)的控制方法，其具有自动相位跟踪能力，控制简易化和输出功率因数高的优点，它可以根据直流电压和电网电压自动调节其输出。

文中提出了光伏并网逆变器新的控制方法，它是基于对电流跟踪的定频积分控制(UCI)；分析了其工作原理，推导了其控制方程，研究了其孤岛保护。

%New digital grid interface control scheme that has features of automatic phase tracking,simple control and high power factor is different from the general SPWM and PLL (phase locked loop)control methods,and it can also adjust its output automatically based on the DC voltage and the grid voltage.This paper presents a new control method for photo-voltaic grid-connected inverter,which is unified constant frequency integral control (UCI)based on current tracking.Its working principle is analyzed;related control equations are derived and how to realize islanding protection is studied.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2015(032)002【总页数】4页(P35-37,89)【关键词】光伏发电;并网逆变器;DSP【作者】陆宇;唐丽婵;汤雪华【作者单位】上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070【正文语种】中文光伏发电系统主要用于较偏远地区的电力系统，作为独立电源供给家电和照明使用。

准Z源光伏并网逆变器无功补偿自然坐标控制姬丽雯;卢子广;胡立坤;蓝希清;曾宪金【摘要】准Z源逆变器因为其特殊优势,而在光伏并网中得到广泛应用,但是只向电网传输有功电能的光伏发电系统不能控制和改善电网的电能质量.针对分布式发电中常见的电能质量高渗透率问题,在准Z源逆变器的基础上设计了一种既能够光伏并网发电,又能实现无功补偿的统一控制系统(PG-STATCOM),并针对此系统引入自然坐标控制策略,实现有功和无功的独立控制,无需锁相环,计算简单,节约时间.仿真和实验表明系统具有良好的稳定性和鲁棒性.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2015(045)007【总页数】5页(P26-30)【关键词】准Z源逆变器;光伏并网;无功补偿;自然坐标【作者】姬丽雯;卢子广;胡立坤;蓝希清;曾宪金【作者单位】广西大学电气工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程学院,广西南宁530004【正文语种】中文【中图分类】TM615准Z源逆变器在2009年由彭方正教授提出，因为其特殊的直通工作状态，可以实现任意升降压的同时稳定直流侧电压输入［1］。

将其应用于光伏并网系统，解决了光伏输出的间歇性与不确定性对逆变系统的影响［2］。

但是，光伏发电系统的能量转换和传递仍然是建立在电力电子装置的基础上，势必将很多不稳定因素带入电力系统，造成电能质量高渗透率问题［3］，此外，用电负荷一般具有随机波动性，其产生的无功电流亦会给配电网带来污染。

准Z源逆变器虽然可以在一定程度上改善并网的电能质量，但对于由上述原因引起的电能污染却毫无帮助。

因而，在并网的同时增加无功补偿功能将会是未来光伏发电系统的一个重要研究方向。

文献［4］就两级式光伏并网发电拓扑结构，提出一种将并网与无功补偿相结合的一体化控制策略，实现了较好的无功补偿效果，但因为使用传统的逆变电路，没有直通工作状态，控制过程中加入的死区时间将影响逆变器输出的电能质量。