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三相光伏并网发电系统THD及DCI优化方法研究

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资料介绍

电流总谐波畸变(THD)和直流电流注入(DCI)等电能质量问题限制了光伏并网发电系统的大规模应用.提出新的减小THD及抑制DCI的方法以提高逆变器输出电流波形的质量,即将基于多个矢量比例积分(VPI)控制器并联的多矢量比例积分(MVPI)控制器应用于电流控制中以减小入网电流THD;设计一种直流分量提取电路,通过基于预测算法的控制策略达到抑制DCI的目的,同时探讨了THD和DCI二者之间的关系.在一台10kW光伏并网逆变器样机上进行了实验验证,实验结果证明了所提方法的有效性和实用性.

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V01．30

Aug．

No．16

2015

2015年8月

第30卷第16期TRANSACTIONS

电工技术学报

OFCHINA ELECTROTECHNICALSOCIETY

三相光伏并网发电系统THD及

DCI优化方法研究

张国月秦梦珠齐冬莲吴越张建良

310027)

(浙江大学电气工程学院杭州

摘要电流总谐波畸变(THD)和直流电流注入(DCI)等电能质量问题限制了光伏并网发

电系统的大规模应用。提出新的减小THD及抑制DCI的方法以提高逆变器输出电流波形的质量，

即将基于多个矢量比例积分(VPI)控制器并联的多矢量比例积分(MVPI)控制器应用于电流控

制中以减小入网电流THD；设计一种直流分量提取电路，通过基于预测算法的控制策略达到抑制

DCI的目的，同时探讨了THD和DCI二者之间的关系。在一台10kW光伏并网逆变器样机上进

行了实验验证，实验结果证明了所提方法的有效性和实用性。

关键词：矢量比例积分控制器多矢量比例积分控制器总谐波畸变预测算法直流电路

注入

中图分类号：TM615

THD in

andDCI

Research on

Method of

Optimization

Three--Phase Grid--Connected PVGeneration

System

ZhangJianliang

Wu Yue

ZhangGuoyue QinMengzhu Oi Donglian

Electrical

(School of

0027 China)

Engineering Zhejiang University Hangzhou

total harmonic

Abstract The

direct current

power quality,including

the massive

distortion(THD)and

photovoltaic grid—connected generation system．

injection(DCI)，restricts

application

THDreduction are

the

quality

proposed ^to

and control

strategy

Novel methods

focusing

onDCI_suppressionand

improve

current．DC current extraction circuit is

based on

prediction

output

designed

algorithm ^{is used to eliminate the DC offset current．Multi-vector}proportional integral(MVPI)current

controller based on VPIis

decrease the

between DCI and THD

adopted ^to

relationship

THD．Also，the

that both of them are

of one can

optimization

connected，and

closely

discussed，which implies

on20kWPV inverter

have shown the effectiveness

enhancethe other

prototype

obviously．Experiments

of the method．

proposed

and

practicality

controller，

controller，multi· vector proportional integral

Keywords：Vector proportional integral

current

ection

total harmonic

inj

distortion，prediction algorithm，direct

效等优点，近年来得到了快速发展[1】。然而，光伏

并网发电系统的大规模应用，也造成了很多严重的

问题。

引言

新能源对于缓解当今世界能源短缺问题起到了

首先，光伏并网发电系统中大量使用的电力电

关键的作用。太阳能光伏并网发电因具有清洁、高

Harmonic

子装置增大了入网电流总谐波畸变(Total

Distortion，THD)[2】，严重降低了电能质量。其次，

为避免工频隔离变压器对系统的体积、成本和能量

转换效率的不利影响，无变压器非隔离型光伏并网

发电系统得到了较快发展。然而，变压器的移除却

国家高技术研究发展(863)计划(2015AA050402)，中央高校基

本科研业务费专项资金(2014QNA4011)和浙江省教育厅科研项目

(LYl4E070006)资助项目。

收稿日期2013．07．22 改稿日期2013—09—26

万方数据

239

第30卷第16期

张国月等三相光伏并网发电系统THD及DCI优化方法研究

Current

又造成了诸如直流电流注入(Direct

Injection，DCI)等问题。DCI不仅会导致地下设备

腐蚀及变压器饱和，而且对电气设备的正常运行造成

不良影响【31。因此，减小入网电流THD和DCI，已成

为光伏发电系统安全高效并网必须解决的关键问题。

为减小入网电流THD，在优化逆变器拓扑结

构、改善硬件性能的同时，也需要对其控制算法进

行改进。目前，应用较为广泛的并网逆变器控制方

法包括旋转坐标系下的PI控制方法及其改进策吲4．6】

和静止坐标系下的比例一谐振控制方法[7母1等。但是

这些控制方法均不能兼顾系统的稳定性与动态性

能，且波形优化效果有限。

单纯的含有实数零点的k次PI控制器无法实现复数

极点的对消，因此，需要改进型七次PI控制器为

堕

型型_等等垫堕型

式(2)分别为谐波旋转坐标系下的k次谐波正、

负序分量控制器。通过旋转变换，将改进型PI控制

器变换到基波旋转坐标系下(正序分量以+kcol作顺

时针旋转，因此要用J-jkcoI替代式(2)中碥(J)的

J；负序分量以一如l作顺时针旋转，因此要用J+i如1

替代式(2)中陈(J)中的s)，即

现有的DCI抑制策略主要包括：交流耦合电容

隔直法[10】、基于饱和电抗器的偏置电流补偿法[1l】、

虚拟电容法【121和低成本铝制电解电容隔直法[131等。

然而，成本、损耗、使用寿命和稳定性等问题，使

得上述方法难以在工程实际中应用。

仁s=s-帕jkah震

触一

‰

豫

本文在上述研究的基础上，分别提出THD及

DCI的优化策略，同时在讨论了二者关系的前提下，

提出了综合优化方法。提出静止坐标系下基于多个

VPI控制器并联的MVPI电流内环控制策略，在保

证系统稳定性的同时，实现5、7、11、13次谐波的

补偿；提出基于低通模拟滤波电路和预测算法的

DCI抑制技术，通过增加直流偏置电流控制环，实

现DCI的抑制；探讨二者关系，提出THD及DCI

的综合优化方法。设计一台额定容量为10kW的光

伏并网逆变器实验样机，实验结果证明了算法的有

效性。

．触一

‰

腿

堕卜一堕¨

+一m+一弦

鱼卿鱼吼

为在基波旋转坐标系下同时实现谐波的正、负

序分量的抑制，将GtvPR+、GkvPR一叠加，可得

‰ 小，=‰ R小，+‰ 一垆专杀掣

式(5)即为矢量比例积分控制器频域表达

式【”】。由该式可见，其表达形式与谐振控制器表达

式类似，即

VPI及MVPI

1．1

VPl

三相三线制光伏并网逆变系统输出电流中主要

J+I厅鳓}

晰)2蒜

含有阶次为k=6刀士l(聍为整数，且1"／ 1)的正序

(k=-6n+1)和负序(k=-6n一1)谐波电流，可通过添

加谐波补偿器的方法加以抑制。假设在谐波旋转坐

对式(5)进行等价变换，可得

标系下，k次谐波以+kcol(正序分量以kcol作顺时

针旋转，负序分量以一kcol作顺时针旋转，基波角频

率为03l=314rad／s)旋转，被控对象在k次谐波旋转

坐标系下的数学模型为(同步旋转坐标系下的数学

模型变换中包含k次谐波时的数学模型)

酬垆2‰ +希一怒

对上式进行Laplace反变换，可得

(8)

％R(f)=2‰ +cos(kqt+fo)

扎础“夸叫‘ 裁慰漂悉爱黠

万方数据

240

电工技术学报

2015年8月

lOO

例环节2‰ 的加入，有利于系统动态性能的改善。

图1所示为VPI控制器和谐振控制器的伯德

图，通过对比发现，在基波频率处，谐振控制器存在

1800的相位滞后，容易使系统失稳；VPI的相角最终

稳定在00相角处，表明其对低于谐振频率的其他频

段输入信号具有零相位滞后特性，不会对稳定性产生

影响。

量

。

銎

一50

／

／—，猡

研嗲“s夕’1

了步∥／

K。变化时的VPI伯德图

_^P—

．90

频率／Hz

图3

Bode

of VPI

Fig．3

diagram

as changes

1，0

5刨L

图1 谐振控制器与矢量比例积分控制器的伯德图

Bode

of resonant controller and vector

Fig．1

diagram

controller

i；|匪孓=习

图4巧变化时的电流稳态误差

proportional integral

1．2

VPI参数设计

加入VPI后，电流内环闭环传递函数为

Static state error of current

Fig．4

as％changes

，、

2yKp+嚆)

图2中，随着鼠的增大，闭环系统主导极点逐

痧(s)=—s3Z—+s—2(2—gp +R!)+s—(2K1i+—Lo)一12)+Ro)12

渐向虚轴靠近，当如 1时，幅频特性在大于特定

谐振频率时也将出现正向增益，会给其他频率处的

幅频特性带来影响，甚至会放大电流谐波，而当

本文根据闭环系统根轨迹及开环系统伯德图对

VPI参数选取进行分析。

1．2．1凰设计方法

Kp=lO时，闭环系统根轨迹已非常接近S域的右半

平面，系统稳定性降低；图3中，随着珞的增大，

VPI的选择性逐渐增强，即对基波或特定次谐波的

跟踪或抑制能力逐渐增强；图4中，系统稳态误差

稳态误差是在交流信号跟踪或抑制时必须考虑

的问题，因此积分系数K一般取值较大。在进行K

设计时，取Ki=500。鼠变化时，闭环系统根轨迹、

VPI伯德图和电流稳态误差分别如图2～图4所示。

随着凰的增大而减小。

6000

综上，在进行珞参数设计时，需综合考虑其对

系统稳定性、稳态误差及动态响应能力的影响。在本

4000

—2000

文给定的系统参数范围内，％取值范围为‰ 1，

后 1。由以上分析也可以证明前文所得出的结论，

霉

塑蓬惑

蔻。

一2000

即VPI中的民与PI控制器中的比例环节作用相同。

小一

I，I．：．：Ij{譬磐懋

1．2．2

Ki设计方法

o‘998+

一4000

同谐振控制中的积分增益类似，茂的作用也是

减小稳态误差，提高系统跟踪精度。

．99

-6000^10．995"

q：gs o．舻明!ol

实部× 104／s一1

图5中，K的变化对系统稳定性并无太大影响；

图6中，随着K的增大，VPI的选择性逐渐减弱，

且在谐振频率处，相位滞后随之增大，而其恢复为0。

相位的时间较长，因此，需要适当减小K的取值；

图2

K。变化时闭环系统根轨迹

Root locus of

Fig．2

closed—loop system

changes

万方数据

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2022-12-31 14:16:15zfaidz

不错，调试用上了

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