具有APF功能的光伏并网发电系统的研究

最 大 功 率 跟 踪 控 制 ，后 级 为 全 桥 逆 变 电 路 ，产 生 与 电 网 电 压 同 频 、同 相 的 电 流 ，两 者 通 过 直 流 母 线 C2 相 连 。 由 于 DC-DC 变 换 环 节 和 DC-AC 逆 变环节具有独立的控制目标和手段， 两部分可 以 分 开 设 计 ，系 统 前 后 级 之 间 耦 合 不 紧 密 ，因 此 系统控制环节的设计和实现比较容易。 除了实 现光伏并网功能外， 系统还要对本地非线性负 载产生的无功和谐波电流进行补偿， 以提高电 网 供 电 质 量 ，因 此 系 统 还 包 括 锁 相 环 、无 功 和 谐 波 电 流 的 闭 环 检 测 、非 线 性 负 载 、电 流 跟 踪 控 制 等模块。
第 30 卷 第 3 期 2012 年 3 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.30 No.3 Mar. 2012
具 有 APF 功 能 的 光 伏 并 网 发 电 系 统 的 研 究
王春蕾 ， 张代润
（ 四川大学 电气信息学院 ， 四川 成都 摘
610065 ）
从图中可以看出， 要检测的变量有电网电 压 ea ， eb ， ec ， 负 载 电 流 ia ， ib ， ic ， 逆 变 器 电 流 ila ， ilb ，
方法
[5]
。 基 于 瞬 时 无 功 理 论 的 p-q 和 ip- iq 法 是
采 用 开 环 结 构 ，系 统 的 鲁 棒 性 较 差 ，且 须 要 采 用 高精度模拟乘法器。 虽然基于传统的功率理论 的自适应检测采用了闭环结构的方法， 弥补了 开环结构谐波检测的不足， 但是系统的动态性 能 差 。 为 了 能 够 增 强 系 统 的 鲁 棒 性 ，提 高 响 应 速 度， 本文将闭环检测拓扑结构和瞬时无功功率 理论结合起来， 采用基于瞬时无功功率的闭环 无 功 和 谐 波 电 流 检 测 法 ， 其 检 测 框 图 如 图 2 [6] 。
要 ： 探讨了一种具有有源滤波器功能的光伏并网发电系统 。 该系统白天可有效地进行光伏并网发电 ， 还可
补偿或抑制本地非线性负载产生的无功和谐波 ， 夜晚系统仍可作为 APF 继续工作 。 相对于单独的光伏并网系 统 ， 它不但提高了设备利用率 ， 也改善了电网的供电质量 。 文章分析了系统的结构组成 ， 还采用了具有较好鲁棒 性和动态响应速度的 、 基于瞬时无功理论的闭环无功和谐波电流检测的方法 ， 分析了并网电流的合成及其跟踪 控制 。 最后 ， 利用 Matlab/Simulink 对系统进行了仿真 ， 验证了系统的可行性 。 关键词 ： 光伏并网 ； 有源滤波器 ； 闭环检测 ； 并网控制 中图分类号 ： TM615 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1671-5292 （2012 ）03-0010-04
A study of grid-connected photovoltaic power system with the function of active power filter
WANG Chun-lei ， ZHANG Dai-run
（Institute of Electrical Engineering，Sichuan University， Chengdu 610065， China）
2 系统的控制实现 2.1 闭 环 无 功 和 谐 波 电 流 检 测
要提高本系统的补偿精度， 关键在于是否 能够准确、 实时地检测出负载的无功和谐波电 流 。 目 前 ，有 小 波 检 测 法 、基 于 瞬 时 无 功 理 论 的 检 测 法 、自 适 应 检 测 法 、神 经 网 络 检 测 法 等 检 测
图2
基于瞬时无功功率理论的无功和谐波电流检测
Fig.2 Reactive power and harmonic current closed-loop detection based on the theory of instantaneous reactive power
·11·
可再生能源
在 闭 环 结 构 中 的 G (s) 由 一 个 积 分 单 元 和 一 个 n 阶 巴 特 沃 斯 （ Butterworth ） 低 通 滤 波 器 组 成 ， 它 可 以 等 效 为 一 个 n +1 阶 Butterworth 低 通 滤 波 器。 系统的动态响应速度和静态检测精度是由 等效滤波器的阶数和截止频率决定的。 等效滤 波器阶数越高，系统惯性增加，动态响应越慢， 但暂态振荡特性改善,稳 态 精 度 提 高 ；截 止 频 率 越高， 动态响应越快， 稳定精度越差。 为兼顾 动 、 静 态 的 性 能 ， 截 止 频 率 选 择 在 10 ～ 40 Hz ， 同 时为了减小系统的复杂性, 等效低通滤波器不 宜超过三阶。 系 统 中 C3/2 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 ，
Abstract： The grid connected photovoltaic (PV) power system with the function of active power filter (APF) was discussed. During the daytime, the system can provide not only PV grid-connected generation but also reactive power compensation and harmonic suppression which comes from the local nonlinear load. The system can continue to work as the APF at night. This compares to single photovoltaic system, which not only improves the utilization ratio of equipment but enhances the quality of power supply as well. In this paper, the structure of system, the method of reactive power and harmonic current closedloop detection based on the theory of instantaneous reactive power with excellent robustness and dynamic response speed, combination of grid-connected current and current tracking are all discussed. Finally, the system is simulated with Matlab/simulink, and then the simulation results validate the feasibility of the system. Key words： photovoltaic grid-connected； active power filter； closed-loop detection； grid-connection control 0
* dc
的差
值 ， 经 过 电 压 调 节 器 VCR 作 为 有 功 分 量 的 参 考 值 [4] 。 这 样 就 能 把 光 伏 并 网 的 发 电 控 制 与 无 功 补偿、有源滤波控制相结合，构成并网发电、无 功补偿和有源滤波的一体化结构系统。
sin -cos ip iq G (s) iq ip C i′β iah + iaq ibh + ibq ich + icq i′α C3/2
ea iapf ibpf C2/3 icpf ia + + ib + ic PLL iαf C iβf
-1
ilc ， 逆 变 器 直 流 侧 电 压 Udc 。 检 测 电 网 电 压 通 过
锁相和正余弦发生器产生正弦和余弦信号，用 于 系 统 中 含 有 d-q 变 换 的 环 节 。 通 过 无 功 和 谐 波电流闭环环节分离出负载无功和谐波电流， 作为逆变器补偿无功和谐波电流的参考值；利 用直流侧检测到的电压和参考电压 U
·10·
王春蕾 ， 等
具有 APF 功能的光伏并网发电系统的研究
伏 并 网 系 统 向 电 网 提 供 有 功 电 能 ， 而 APF 提 供 的是无功和谐波电能。 本文通过对逆变的统一 控 制 ， 来 实 现 光 伏 发 电 和 APF 的 一 体 化 。 白 天 逆 变 器 既 实 现 光 伏 并 网 ， 也 实 现 APF 功 能 ； 在 光 照 度 低 或 夜 晚 时 还 可 以 继 续 作 为 APF 工 作 。 这 样 ，不 仅 提 高 了 设 备 的 利 用 率 ，也 改 善 了 电 网 的供电质量， 避免了光伏并网系统的频繁投切 而造成控制困难的问题。
U*dc
+
Udc -
Sa Sb Sc
电流控制
VCR i*d i*q =0 i*α
dq / αβ αβ/abc
i*la i*lb i*lc iad ibd icd
无功和谐波 电流的闭环 检测
iah+iaq ibh+ibq ich+icq
Байду номын сангаас
非线形负载
i*β
图 1 带 APF 功 能 的 光 伏 并 网 系 统 电 路 结 构 和 控 制 框 图 Fig.1 Structure and control diagram of the grid connected photovoltaic power system with the function of APF