基于扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量控制

Telecom Power Technology
电力技术应用
基于扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量控制
唐杨杰
（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西
为提高光伏发电并网运行的安全性与可靠性，提出了一种基于扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量
控制方法。

建立光伏发电并网电能质量数学模型，以获取光伏发电并网运行电压波动与谐波。

同时，利用扰动观测
器的闭环控制功能，控制光伏发电并网运行过程中产生的电压电流，并通过无功补偿来进一步控制光伏发电并网运
行时的电能质量。

实验结果表明，应用提出的方法后，光伏并网系统的电压总谐波畸变率小于
扰动观测器；光伏发电；运行质量；电能控制
Power Quality Control for Grid Connected Operation of Photovoltaic Power Generation
Based on Disturbance Observer
TANG Yangjie
an Power Controls Technology Co., Ltd., Xi
Abstract: In order to improve the safety and reliability of grid-connected photovoltaic power generation, a power
 2023年10月10日第40卷第19期
73 Telecom Power Technology
Oct. 10, 2023, Vol.40 No.19
唐杨杰：基于扰动观测器的光伏发电并网
运行电能质量控制
式中：U max 、U min 分别表示电压有效值中的最大值和最小值；U N 表示标称电压。

通过式（1），可以得出光伏发电并网运行的电压波动值。

1.1.2 光伏发电并网运行谐波
光伏发电并网运行谐波指输出波形中，频率为基波频率整数倍的各种不规则波形。

设定谐波次数用h 表示，则谐波畸变公式为
()()h h 12sin M
h u t U h t ϖα==+∑
（2）
式中：ϖ表示光伏发电并网运行基波角频率；t 表示傅里叶级数；M 表示谐波最高次数；αh 表示光伏发电并网运行电压初相角；U h 表示光伏发电并网运行初始电压。

根据电压波动与谐波情况，可以掌握光伏发电并网电能的质量，为后续质量控制奠定了良好基础。

1.2 基于扰动观测器的电压电流闭环控制
建立光伏发电并网电能质量数学模型后，利用扰动观测器[6-7]，对光伏发电并网运行过程中的电压电流实行闭环控制。

基于光伏发电并网运行经典控制理论，建立光伏发电并网控制系统结构示意图，如图1所示。

G (s )
R (s )D (s )
P (s )
C (s )
++
+
-图1 光伏发电并网控制系统结构
图1中，R (s )表示光伏发电并网闭环控制参考量；C (s )表示闭环控制输出量；D (s )表示闭环控制扰动量；P (s )表示闭环控制被控对象；G (s )表示闭环控制器。

其中，闭环控制扰动量需要利用扰动观测器实时观测。

电压电流闭环控制输出量的传递函数为
()G (s )P (s )
1+G (s )P (s )C s R =
()()
1+G (s )P (s )R s D P s +
()
D s （3）
通过不断调节控制器的频率，使电压电流闭环
控制参考扰动频率与实际扰动频率相匹配，从而对实现电压电流的精确控制。

1.3 光伏发电并网无功补偿
完成基于扰动观测器的电压电流闭环控制后，采用并联的方式对光伏发电并网运行进行无功补偿，以进一步确保电能质量。

通过并联的方式连接感性阻抗特性装置与容性阻抗特性装置，分别负责释放与吸收光伏发电并网运行中的能量[8-9]。

设定无功补偿装置的运行时间为24 h ，在运行时间内，捕捉光伏发电并网系统内所有补偿节点的电压数值。

根据电压数值捕捉结果，可以自动退出闭锁，以避免光伏发电并网运行受电压变化的干扰影响。

由于光伏发电并网与用电设备负载之间存在明显的感性特征，可以等效为电感与电阻串联电路。

基
于这一特性，计算光伏发电并网运行功率因数
22
L
cos R
R X ϕ=
+ （4）
式中：R 表示电阻；X L 表示等效电路电感。

控制光伏发电并网运行中，发现功率因数与有功比例之间为正相关关系。

为了确保功率因数足够大，可以采取措施减小无功功率损耗，以达到无功补偿的目的，实现光伏发电并网运行电能质量的控制目标。

2 实验分析
2.1 实验准备
实验所测得的来源于R 光伏并网系统。

R 光伏并网系统的参数概况如表1所示。

表1 R 光伏并网系统参数概况
参数名称参数值装机容量/kW 12光伏阵列最大开路电压/V
1 100额定功率/kW 10最大直流功率/kW 12额定输出电网电压/V 220额定电网频率/Hz
50光伏阵列最大功率点电压范围/V
250～950
设定分布式光伏数据采样频率为12.8 kHz ，进行连续采样和采样周期为10 s 的不连续不连续采样。

采样后的数据经过采集板与LabVIEW 软件上传至计算机，进行全方位的分析与处理。

2.2 电能质量控制结果分析
完成实验准备后，将文章提出的基于扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量控制方法设置为实验组，将文献[3]、文献[4]提出的控制方法设置为对照组1与对照组2。

对比3种方法的电能质量控制结果，验证文章提出的电能质量控制方法的可行性。

选取光伏发电并网运行电压总谐波畸变率为此次实验的电能质量控制评价指标，计算公式为
Telecom Power Technology
（5）
表示光伏发电并网运行特定阶数；G
n
表示光伏发电并网运行所有谐波分量的有效值；G1表示光伏发电并网运行基波分量有效值。

通过式（5），可以计算出电能质量控制效果评价指标。

不同电网电压下对应的电压总谐波畸变率存在一定差异。

由于R
，光伏发电并
以内。

应用
光伏并网系统进行
所示。

扰动观测器的光伏发电并网运行电能质量控制方法。

实验结果表明，应用文章所提方法能够有效降低电压总谐波畸变率，使其符合光伏发电并网运行电能质量标准。

同时，该方法能有效抑制谐波，有助于减少光伏发电并网运行中电压波动对正常负荷用电造成的不利影响。

参考文献：
[1] 吴晓月，王
器的双馈风电机组最优复合反馈控制研究
微电机，2022，55（10）：76-81.
[2] 何昭辉，曹
及无功电流控制提高光伏故障电压支撑能力研
究
42-49.
[3] 孙朝霞，张明敏，张。