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分布式光伏并网对配电网电能质量的研究

作者2021-05-28 16:06未知


 
 随着世界经济的快速发展和人口的不断增长,能源危机已成为世界各国共同面临的课题。太阳能是我国使用规模较大、开发技术更成熟的可再生能源,光伏发电系统主要由光伏模块和光伏逆变器组成,选用光电直接转换方法,利用半导体的光生伏特效应将太阳能转化为电能。但是由于采用了电力电装置,在光伏并网时对于配电网的电能质量会产生较大的影响,尤其是谐波问题。
本文的工作围绕分布式光伏电站并网对配电网电能质量的影响进行分析与研究,详细研究了分布式光伏系统的组成以及各部分工作的基本原理,重点分析了谐波的产生机理,并提出了无源网络抑制谐波的措施。在MATLAB/SIMULINK仿真平台中对光伏发电的原理进行了仿真,重点对谐波问题进行仿真测试,在LLCL的谐波抑制网络下,配电网的谐波问题能够得到明显改善。
关键词:分布式;光伏发电;谐波抑制;光伏并网
 
 
 
 

目录
 
摘 要 I
Abstract I
1绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1国外分布式光伏电站的发展现状 1
1.2.2国内分布式光伏电站的发展现状 2
1.3 论文主要研究内容 2
2分布式光伏发电系统 2
2.1分布式光伏发电系统组成 2
2.2 太阳能光伏阵列分析 3
2.3 并网逆变器 5
3 分布式光伏电站配电网仿真建模及谐波分析 7
3.1 MATLAB/SIMULINK仿真平台 7
3.2屋顶光伏电站并网建模仿真 8
3.2.1 太阳能光伏阵列仿真建模 8
3.2.2 Boost升压单元仿真建模 9
3.2.3 光伏系统MPPT算法仿真建模 10
3.1.4 三相逆变器仿真建模 12
3.2配电网谐波特性分析 14
4分布式光伏电站配电网谐波抑制 19
4.1 无源滤波器概述 19
4.2  LCL谐波抑制仿真 20
4.3LLCL谐振型滤波器介绍 22
4.3.1 LLCL谐振型滤波器介绍 22
4.3.2 LLCL滤波器的引入 23
4.2.3 LLCL滤波器的设计 23
5 总 结 28
致 谢 28
参考文献 29
 

1绪论
1.1 研究背景及意义
自上世纪80年代以来,全球变暖逐渐引起政府的高度关注。随着全世界范围内的工业化飞速发展,对于化石能源的使用已经成为了影响气候的主要问题,受到各国的重视。全球变暖、臭氧层恶化、过渡开采等问题逐渐显露出来,已经到了不得不认真对待的程度。在经济发展层面上将,化石能源的消耗已经造成了能源危机,也反过来制约着社会的发展,解决能源危机和生态危机的诉求使人们积极投身于对于可替代能源的发展。
自然界中存在着许多能够替代化石能源的可再生资源,人们也开始重视这些绿色能源的开发。可再生能源的优势是不会有枯竭的危险,同时对自然环境是绿色友好的,不会造成生态破坏。自然界中的太阳能、风能、水能以及地热、潮汐等能源都属于可再生的资源,对于这些可再生资源的利用便成为影响国家发展的战略问题。其中太阳能便是最为重要的一种绿色能源,与其他的可再生能源相比,太阳能的分布更广、不受地域限制,而且很早就有利用太阳能发热的历史。除了太阳能加热,对于太阳能的更重要的利用就是进行光伏太阳能发电,也就是常说的光伏发电。光伏发电系统主要由光伏模块和光伏逆变器组成,选用光电直接转换方法,利用半导体的光生伏特效应将太阳能转化为电能,然后通过逆变器将转换来的直流电逆变成符合电网要求的交流电再并网,以完成整个发电过程[1]。
分布式光伏的形式灵活多变、因地制宜,目前常见的已经投入使用中的分布式光伏有光伏路灯照明、农业棚顶光伏、光伏充电桩等等。但在形形色色的分布式光伏系统中,基于家庭的屋顶、或工业厂房屋顶的光伏电站有着得天独厚的优势。屋顶光伏电站的实质是分布式的光伏发电系统,基本原理与传统光伏发电系统并无差别。只是将光伏组件设置在建筑屋顶,占用屋顶面积不需要与建筑材料相结合,相对于建筑一体化改动成本较低,而且城市建筑屋顶闲置空间较多,可供开发利用设置光伏系统。
电力系统中对于电能质量要求较高,电能质量的高低也直接影响着用电设备的安全运行与否。因此电能质量的监测与治理一直是电力系统中的重要工作之一。而光伏发电因为有并网逆变器等电力电子装置的存在,各种半导体的开关给电网带来了严重的谐波问题。光伏发电技术,特别是并网型太阳能发电系统必须要消除谐波污染,采取有力的抑制谐波的措施,使太阳能发电的质量能够满足电力系统的电能质量要求。对于提高太阳能发电在发电中的比重有着十分积极的作用,对解决全人类的能源危机问题起到重要作用。
1.2 国内外研究现状
1.2.1国外分布式光伏电站的发展现状
世界光伏产业发展迅速,在国外一些发达国家例如美国、德国、日本等在光伏发电以及包含屋顶光伏电站建设在内的光伏建筑方面都朝着很好的方向发展,这些国家很早就对将建筑与光伏相结合进行技术研究,并取得了不错的成果。
德国本土的光照资源丰富,但并不是最适合光伏产业发展的国家,总体来看其光照条件不及我国,但目前德国的光伏技术水平领先于其他国家,在光伏建筑方面,早在1991年德国就率先于建筑业展览中,展示了首个具有光伏电池的建筑材料光伏幕墙,开启了建筑产能的先河[4]。美国对于光伏发电的研究和工程化应用同样起步较早、发展成熟度较高。早在2010年前后,美国的光伏发电站的装机总量就超过了500MW,但大多属于集中式光伏发电站。由于美国大部分地区属于地广人稀,因此其集中式光伏电站的推广较为容易,所获效益也较高。分布式的屋顶光伏发电站大规模接入公共电网中,为公共电网提供了重要支持,减少了传统能源的消耗,增强公共电网稳定性多元化的同时也对环境保护起到了重要的促进作用。
1.2.2国内分布式光伏电站的发展现状
近年来,随着国内光伏产业的逐步发展以及对光伏技术水平的深入研究,我国光伏产业面临着众多机遇与挑战。目前我国光伏产业体制基本健全,并在发展中不断完善;国家在政策上给予支持,从补贴、市场价格和税收等多个方面协助光伏产业的发展壮大,并逐渐发展形成相关标准的检测体系。我国的光伏设备制造行业具有专业性、智能化的生产流程,生产水平在现阶段已处于世界领先地位;我国的光伏发电规模在不断扩大,仅 2015 年全国总装机容量就增长了 1500 多万千瓦,累计装机容量位居世界首位,并逐步呈现多元化的发展方向,应用市场开始复杂化,开始了与多个产业相融合、不断发展创新的新时代;加强了光伏发展宣传模式,促进民营企业融资力度,进而提高光伏发电在我国的普及度;光伏产业模式也逐渐从集中式开始向分布式过度,在追求产量的同时尽量提高光伏应用的灵活性和高效性。
1.3 论文主要研究内容
本文的工作围绕分布式光伏电站对配电网的电能质量进行分析与研究,详细研究了分布式光伏系统的组成以及各部分工作的基本原理,重点分析了谐波的产生机理,并提出了无源网络抑制谐波的措施。在MATLAB/SIMULINK仿真平台中对光伏发电的原理进行了仿真,重点对谐波问题进行仿真测试,在LLCL的谐波抑制网络下,配电网的谐波问题能够得到明显改善。
2分布式光伏发电系统
2.1分布式光伏发电系统组成
与集中式光伏电站相比,分布式光伏电站布置灵活,形式多样,能够布置在厂房顶、居家房顶、任何空地等。一般的分布式光伏系统的组成与集中式的光伏电站组成类似,包括太阳能电池板、光伏汇流箱、并网逆变器等关键组件,完成太阳能转化为直流电能并逆变接入电网的过程。典型屋顶分布式光伏发电系统的组成示意图如图2-1所示:

图2-1 分布式光伏发电系统组成示意图
光伏并网系统一般是由光伏电池阵列、DC/DC Boost电路、DC/AC逆变器及控制单元和交流连接装备构成,其输出经滤波后由升压变压器送至公共电网,如图2-2所示。
 
图2-2 光伏并网发电系统示意图
太阳能电池板通过光生伏特效应,产生电压,然后经过光伏阵列输出一定的电压。DC/DC Boost电路在维持直流侧电压稳定的同时,还可以完成光伏系统中的最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT);逆变器控制着光伏电站的并网与输出特性,是实现控制策略的重要载体。
2.2 太阳能光伏阵列分析
光伏电池是光能转换为电能的第一步,因此是最为重要的组件之一,光伏发电需要对太阳能电池板的特性进行深入分析和理解。并力图找到在光照和温度的条件下能够输出最大功率的方法。在对光伏电池板进行数学建模时,采用的基本模型是电压源串联电阻的数学模型。本文中再基础模型上增加了旁路的二极管和并联电阻,使之更为接近与实际的光伏电池模型。如图2-3所示为光伏电池板的等效电路图,从等效电路图中容易求得输出负载端的电压与光伏电源端的平衡关系为:
(2-1)
式中U0为PV电池两端的电动势;U为负载两端的电压值;I为负载从光伏电池得到的电流值。
(2-2)
式中,IPH为光生电流;I0为光伏电板在光照强度为零时的反向饱和电流(数量级mA);q为电子电荷常数;U为负载端电压;I为负载工作电流;RS为光伏电板模块的内阻(10-1Ω);A为二极管常数因子;K为玻尔兹曼常数;T为光伏电板工作时的温度,为绝对温度;Rsh为光伏电板模块的等效并联电阻(kΩ)。

图2-3光伏电池的等效电路
实际的光伏并网中单个的光伏电池板的输出直流电压等级较低、容量也较小,通常需要将许多太阳能电池板进行串联和并联的组合成光伏阵列。光伏阵列的结构图如图2-4所示,其等效的物理结构图如2-5所示:

图2-4 {3×3}光伏阵列结构

图2-5  光伏电池序列串联时的物理结构
2.3 并网逆变器
光伏用并网逆变器的类型为三相逆变器,逆变器的电路本质是直流到交流的变换,但是由于开关频率所限,逆变的频率不可能无限制的高,因此肯定会带来谐波的问题,因此必须增加滤波网络。如图2-4所示为光伏并网所采用的三相DC/AC逆变电路,电路中的三相逆变桥式电路中共有三相桥臂,每个桥臂上有两只串联的IGBT及其反并联二极管组成。三相桥臂轮流导通,将直流电逆变成三相的交流电,再通过滤波等适当处理,将直流电转换成所需要的交流电并入公共电网中[41]。

图2-4三相桥式电压型逆变器
图2-4中直流电经过三相桥式逆变电路后被转换成三相交流电,为了保证较高的电能质量经过滤波处理,得到所需要的正弦交流信号,给负载和电网供电。图中的L1和L2是两只滤波电感,C1为滤波电容,三个无源元件构成了LCL的滤波网络。起作用一方面是限制并网的电流,另外的作用就是实现直流逆变过程中各次谐波电流的滤除。
根据电感上电压和电容上电流列出方程:
(2-3)
 其中U1,U2,I1,I3均是三相交流矢量
(2-4)
将U1,U2,I1,I3带入式(2-1)中可得:
(2-5)

 
(2-6)
三相逆变器在三相a、b、c在静止坐标系下通过上述方程能够很直观地表示出来。但是数学模型中的各个交流信号均是时变的,而且相互之间存在一定的耦合关系,给控制带来难度,因此将abc坐标的数学模型通过dq变换将其在d-q坐标中表示,d-q坐标系中是旋转的坐标系,能够解决三相静止坐标系中的时变问题 [42]。
dq变换公式为:
(2-7)
经过dq变换后,可以得到:
(2-8)
(2-9)
式(2-8)和(2-9)是三相逆变器在dq坐标系下的数学模型。
3 分布式光伏电站配电网仿真建模及谐波分析
3.1 MATLAB/SIMULINK仿真平台
本文的控制系统基于MATLAB/SIMULINK仿真环境进行搭建和仿真测试。MATLAB仿真软件目前是理工类功能最强、受众最广的仿真软件,MATLAB在1984年最初由Math Works公司开发出来,用作数学处理,是数学处理的三大软件之一。但MATLAB很快便扩展到了其他的领域,不仅仅局限于数值运算和数据处理。而是在金融分析、控制工程、电力电子、虚拟现实、图像处理等各方面均取得了十分优越的性能。正是由于MATLAB强大的功能[12-13],目前已经成为高校理工类学生必须掌握的仿真软件之一,也是科研院所和工厂企业相应从业人员的必备工具。MATLAB软件对于使用者十分友好,系统自带大量学习例程,学习者甚至不需要任何教材,仅仅通过软件内置的帮助文档和demo进行自学。这些例程都是开源的,使用者可以在例程的基础上进行修改来满足自己的功能要求。
MATLAB中最为有特色的一个工具箱是用于工业控制领域的SIMULINK,几乎已经是区分于MATLAB其他功能而单独存在的一个分支。在工业领域几乎所有的工况都能够通过MATLAB里面相对独立的软件——SIMULINK进行开发。无论是对控制系统的分析,构建传递函数、分析根轨迹、分析控制系统的时域和频域的稳定性等,都可以在SIMULINK中进行分析。而SIMULINK中有包含有丰富的内容,有机械类的分析,有电力电子,有电力系统,有逻辑运算,还有与一些特定的工具箱进行结合的仿真,如模糊控制箱、神经网络控制箱等。毫不夸张地说,MATLAB/SIMULINK已经成为控制类、自动化类本科生、研究生及相关科研从业者的必备利器。
SIMULINK之所以能够广受欢迎,一方面是其丰富的工具箱、资源、模型等,同样包括完备的“帮助”体系,几乎每一类模型都有对应的例程介绍,用户通过读懂、看懂例程便能够掌握模型的原理和使用方法,这在其他的仿真软件中是很难做到的。另外一方面是其操作的简便性,在SIMULINK的环境中,构建的模型是可视化的窗口,在菜单中选择需要的模块,便可以通过鼠标拖拽到模型中,然后通过简单的连线将其连接起来组成需要的模型。系统菜单中有各种信号源,和功能强大的示波器,能够通过示波器模块方便灵活地采集观察需要的输出信号。在搭建系统时,对于一些大规模的系统,还可以采用模块化的搭建思路,自下而上地完成系统搭建,将下层模型封装好之后保留对外的接口,便可以逐层搭建,还可以将需要设置的参数进行预留,从而方便地改变模块的参数。这种设计思路既能够提高设计的效率,又能够是设计更富有层次性,结构清晰,不容易出错。此外,为了能够完成更复杂的模型,SIMULINK支持利用S函数进行模型设计,即用编程的形式设计模型,还支持与C语言的联合编程等,这极大地增强了SIMULINK的功能。
3.2屋顶光伏电站并网建模仿真
在一个常见的两级分布式光伏发电系统中,其主要的组件包括了光伏电池板阵列、boost升压单元、并网逆变器等。而对于光伏发电则常用的是最大功率跟踪法,本节将基于Matlab/Simulink平台对上述各部分进行仿真建模和实验。
3.2.1 太阳能光伏阵列仿真建模
通过对太阳能电池板特性的研究,在Matlab/Simulink仿真平台中搭建起仿真模型,来研究太阳能电池板的伏安特性。仿真模型如图3-1所示:
 
图3-1 太阳能电池板的仿真模型
运行后可以观察到其伏安特性曲线和功率特性曲线,如图3-2所示:
 
图3-3 太阳能电池板的伏安特性和功率特性曲线
 
通过图3-3所示的太阳能电池板的伏安特性可知,在最大功率范围内时,随着输出电压的增大,电流几乎不会下降。当达到最大功率点之后,随着电压的升高,电流则会极具下降。功率特性曲线表现出相同的特性,在一定范围内,随着电压的升高,功率线性上升,达到某最大点时,功率则会急剧下降。两条曲线表达出太阳能电池板的输出存在最大功率点的特性。
太阳能光伏阵列由电池板串并联而成,图3-4所示,是6块电池板串联后的模型。
 
图3-4 太阳能光伏阵列
3.2.2 Boost升压单元仿真建模
光伏电池板的输出的直流电压通常较低,虽然通过串联能够达到较高的电压,但为了给后级的逆变网络提供更高的直流电压,通常增加一个DC-DC的升压环节,构成两级式的光伏并网逆变器。这个升压环节的本质是单相的DC-DC的boost升压单元。在Matlab/Simulink建立出典型的boost电路如图3-5所示:
 
图3-5 boost电路仿真模型
通过调节开关管的占空比能够实现升压倍数的调整,图3-5实现的是从150V到250V的升压,电压升高的仿真结果如图3-6所示:
 
图3-6 boost电路的电压仿真结果
Boost电路在两级式的光伏系统中承担了升高直流电压的任务,即太阳能光伏阵列输出的电压较低时,如果直接逆变则难以达到并网的电压幅值,因此增加一级boost升压电路,将电压升高。图3-6中boost升压电路将直流电压从150V提高到了250V。通过输入电压和输出电压的对比,本文设计的boost电路升压的响应速度很快,而且直流电压非常平稳,能够满足光伏逆变器的需要。
3.2.3 光伏系统MPPT算法仿真建模
光伏发电系统总体上是一种DC-AC的系统,其直流电的来源是太阳能电池板的光电效应,也称为光生伏特效应,即特殊的化学材料再太阳光的照射下能够产生电压。但由于工艺、材料所限,单个太阳能电池的电压很低,而往往逆变的并网点电压较高。因此需要将太阳能电池板进行串联和并联后组成电压较高、容量较大的光伏阵列。其工作时承担的是直流电源的任务,但其出力受太阳辐射值、环境温度的影响。即在不同的太阳能辐射强度下,和不同的温度下其电流-电压特性,以及功率-电压特性都是不尽相同的。温度对于光伏电池板的特性影响曲线如图3-7所示,分别是温度变化下的I-U曲线和P-U曲线。

(a) 温度变化对I-U曲线的影响         (b) 温度变化对P-U曲线的影响
图3-7 温度变化的影响

(a) 光照强度对I-U曲线的影响         (b) 光照强度对P-U曲线的影响
图3-8 光照强度的影响
从图3-7、图3-8中可以看出,光照强度恒定时温度越高,最大功率反而越小且最大功率点电压变化幅度较大;温度恒定时,光伏电池的有功输出随着光照强度增大而增大。
在光照和温度恒定的情况下,光伏电池运行于不同电压时的输出功率不同,只有运行在某一个电压时,光伏电池的输出功率才能最大,这一点称为最大功率点。在实际的运行中,光照情况和温度都是变化的,为了使光伏电池在任何光照或温度下都运行在最大功率点,就需要最大功率跟踪来实现。
扰动观察法是最早应用于光伏太阳能电池板的最大功率跟踪的,目前也是应用比较广泛的一种。其跟踪的思想是通过不断的地扰动电池板输出的电压,如果功率降低,则下次增加,如果继续降低,则减小,通过这种方式来确定出最大功率点对应的电压。从而实现最大功率输出。本文中的MPPT方法研究以扰动观察法进行研究设计,在Matlab/Simulink里建模如图3-9所示,其PWM输出至boost升压电路,对升压单元进行控制。
 
图3-9MPPT方法仿真建模
3.1.4 三相逆变器仿真建模
第二章中所提及光伏发电站并网一般采用三相逆变器,逆变器的实质是DC/AC电路。直流电的来源是太阳能电池板在太阳光照射下所产生的直流电,通过串并联组成太阳能光伏阵列后,再进行升压变换便能得到电压相对较高的直流电压。三相逆变器器的作用便是将直流电转换为交流电,如果并网的话可以直接并网也可以通过变压器并入电网系统,因此三相逆变器又称为并网逆变器。
根据前文所述光伏发电并网系统的基本电路图,根据电路的基本原理,可以得到同步旋转坐标系下系统光伏发电并网系统的时域数学模型如式(3-1)所示。
(3-1)
式中,R=R1+R2L=L1+L2L1R1L2R2分别为逆变器侧、电网侧的滤波电感及其等效电阻,i为直流母线端输出电流,uduq分别为逆变器输出侧电压的dq轴分量,ugdugqidiq分别为电网侧电压和并网电流的dq两轴的分量,Udc为直流侧母线电压,SdSq为开关函数。此时,不考虑滤波器中并联电容C的作用。
建立基于PI控制的光伏发电并网系统的双闭环控制框图如图3-10所示。

图3-10基于dq坐标系下的双闭环PI控制图
双闭环PI控制即对于电流和电压均采用闭环控制,而且使用的是PI控制器,其控制过程可以描述为:
(1)电压外环控制:从电网侧测得三相电流ia、ib、ic,电网电压ua、ub、uc,从输入侧测得直流侧母线电压Udc,由于三相并网电流需要一直跟踪电网电压,还需要通过3-2变换得到电网电压的相角θ。电压外环控制的关键是通过控制电压输出来达到最大功率输出,此时需要利用MPPT的算法,跟踪最大功率点对应的电压,由此来控制boost电路的升压变化,MPPT跟踪得到的结果就是所要达到的电压值,而实际输出的电压值与之作比较之后得到差值,通过PI调节器来控制最大功率跟踪要求下的电流值,将此电流值作为电流内环的给定信号。
(2)电流内环控制:光伏系统输出有功功率由id*决定,因此通过iq*来调节便可以调节光伏的输出无功功率。这就是将电流进行d-q变换的而原因。光伏电站没有补偿无功功率的任务,因此一般只最求更高的有功输出,一般设iq*=0;之后将输入id*、iq*与网侧的三相电流ia、ib、ic经过三二变换与二二变换得到的id、iq进行比较,所得到的差值均经过PI控制器进行调节,这就是双闭环中的电流内环控制。
在Matlab/Simulink里建立三相逆变器的模型,如图3-11所示:
 
图3-11三相光伏逆变器仿真模型
运行模型,观察逆变器通过电抗并网电压的波形如图3-12所示:
 
图3-12三相光伏逆变器并网点电压波形
图3-12所示为光伏电池板产生的直流电通过三相逆变器并网的电压波形,通过三相光伏并网,完成了光伏发电。图3-11中的光伏逆变器并网时有通过电感接入系统,因此电能质量能够控制得不错。三相的电压平衡度很好,波形也非常接近正弦波,但是要分戏其并网的谐波特性,主要还得观察并网的电流波形。
3.2配电网谐波特性分析
通过前述的分析,屋顶光伏并网采用的是三相逆变器,并网时通常会采用LCL型的滤波网络,其原理图如图3-14所示。因通过数学模型理论分析单个分布式光伏的等效电路及谐波特性,然后推广到多个分布式光伏系统中,通过建立多个分布式光伏的等效电路,理论分析并仿真验证了多分布式光伏并联的谐波特性。
三相光伏逆变器的逆变侧是三个电阻为,电感为L 的电抗器,网侧是三个电阻为,电感为的电抗器,网侧电抗器和逆变器侧电抗器之间是三个星型联结的电容器。电抗器 L 除滤波外,还具有升压及能量交换功能, 、 用于滤除高次谐波,满足电网对电流谐波的要求。

图3-14 基于LCL 滤波的三相高频PWM 逆变器拓扑结构
三相逆变器的分析可以看做是三个单相逆变并网的合成。取单相LCL 滤波的光伏逆变器结构进行分析,其拓扑的电路图如3-15所示:

图3-15LCL单相拓扑结构电路图
可得其在连续静止坐标系下的数学模型为:
(3-2)
(3-3)
(3-4)
式中:——电网电压、电容器电压、整流器侧控制电压
——电网侧电流、电容器电流、整流器侧电流
推出LCL滤波的三相逆变器在三相电网电压对称情况下的开关数学模型:
(3-5)
(3-6)
(3-7)式中:C ——整流器直流侧电压、负载电阻及支撑电容
根据KCL、KVL 得到三相静止abc 坐标系下各相方程:
A相:

(3-8)

B相:

(3-9)

C相:

(3-10)

式中: ——三相电网侧交流电压
——三相滤波电容上的电压
——整流器交流侧的三相电压
——三相电网侧交流电流
 ——整流器交流侧的三相电流
经过整理可得采用LCL 滤波器的状态方程:
(3-11)
可以看出,三相LCL 滤波器的状态空间方程为9 阶的状态方程,对这样一个高阶被控系统来说,如果不采用一定的方法进行降阶处理的话,则很难设计控制器。因此,对此状态方程进行abc→αβ变换,根据转换矩阵,可得αβ坐标系下的LCL 滤波器状态空间方程为:

 (3-12)
 
然后可得dq坐标系下的LCL滤波器状态空间方程为:
 

(3-13)
式中:——三相电网电压的基波角频率
——三相电网电压矢量的d,q轴分量
——三相滤波电容电压矢量的d,q轴分量
——整流器交流侧电压矢量的d,q轴分量
——三相电网电流矢量的d,q轴分量
——整流器交流侧电流矢量的d,q轴分量
通过上述分析,能够得到,如果能够检测出并网侧的电流,便可以通过变换计算出控制电压的矢量,并能够保证网侧电流与电压同相位。
4分布式光伏电站配电网谐波抑制
分布式光伏电站接入配电网难以避免地产生大量的谐波,谐波对于公共电网的危害极大,严重影响公共配电网的稳定运行。对于光伏并网而言,其特殊的拓扑结构会造成谐波在逆变器的入口滤波电容器或者阻抗变压器上产生并联谐振现象,导致谐波能量的扩散。需要对谐波进行抑制,针对光伏并网,通常采用的谐波抑制方式是无源滤波器。
4.1 无源滤波器概述
无源滤波器即通过R、L、C等无源器件通过特定的拓扑结构和参数配置来实现对于系统中的谐波滤除。滤波器设计的目的就是消除谐波,改善电力系统的电能质量。图4-1所示为一个带LC滤波器的AC/DC-DC/AC电力电子变换器,其中L1C1为输入滤波器,L2C2为中间滤波器,L3C3为输出滤波器。

图4-1 含LC滤波器的电力电子变换装置
现在常见的滤波器结构为L、LC与LCL这三种型号的滤波器,这三种滤波器各自的单相简化电路结构可表示为图4-2,每种滤波器都有着自身适用环境与优缺点。

(a)L滤波器等效电路(b)LC滤波器等效电路(c)LCL滤波器等效电路
图4-2  三种滤波器的单相简化电路
(1)L滤波器为一介滤波器,具有结构简单及控制简单的优点,但随着并网等级的不断增加,必须要增加电感量才能满足并网的要求,这不仅使系统动态响应变差,还会引起整体重量、成本增加等相伴随的问题。
                                             (4-1)
(2)LC滤波器为二阶滤波器,较单L滤波器具有更加好的滤波效果,且结构简单,大多用于独立逆变的场合,即离网逆变器;若使用在并网中,则需要补偿电容电流,不然将会对三相并网电流的功率因数产生不良影响。所以LC滤波器用在三相并网逆变器中时的滤波效果相当于单L滤波器的滤波效果。
                                           (4-2)
(3)LCL滤波器为三阶滤波器,这种类型的滤波器在并网逆变器的设计中是最常用的,其滤波效果比前两者要强,但存在着谐波放大的风险,参数选择及控制策略选取不合适,则会造成系统的振荡。因此在进行参数选择时不仅要考虑消除三相并网电流的高次谐波含量,同时还需要避免系统发生谐振,从而满足良好的稳定性和可靠性。
                          (4-3)
由上述分析可知,L、LC与LCL滤波器的滤波效果依次增强,在达到相同滤波效果的情况下所用总电感量与逆变器侧电感量依次减少,但是这造成了三者在低频段的滤波特性依次减弱,但整体相差不多。LCL滤波器作为三种滤波器结构中滤波效果最好的,虽然其存在谐振问题,但是可以用电容串联电阻或者滤波器电容电流前馈来补偿。
4.2  LCL谐波抑制仿真
对前文设计的单相仿真模型,建立出LCL滤波网络的仿真模型,来观察其并网点的电流,仿真模型如图4-3所示:
 
图4-3 LCL滤波的MATLAB仿真模型
运行仿真模型,可以观察并网点(PCC点)的电压电流波形如图4-4所示:
——电压——电流
 
 
图4-4 LCL滤波的电压电流波形
对其进行傅里叶分析,其FFT分析如图4-5所示:
 
图4-5 LCL滤波下电流的FFT频谱分析
在图4-3所示配电网中,使用LCL滤波网络,稳定之后,谐波的含量为5.72%,而且其中低次的谐波含量较多,LCL的滤波效果并不好。因此考虑对LCL滤波网络进行改进,采用LLCL滤波器。
 
4.3LLCL谐振型滤波器介绍
4.3.1 LLCL谐振型滤波器介绍
上述三种常见的滤波网络,一般以LCL滤波网络在并网逆变器中最为常见。虽然效果不错,但也仅仅是针对较低次的谐波有效,如果高次谐波存在的分量较大,则LCL滤波网络的效果十分有限。而在两级式的光伏并网逆变器中,IGBT的开关频率一般能够达到10khz左右,因此典型的谐波次数较高。为了解决这个问题,这里引进谐振型滤波器用来消除消除这个问题。
所谓谐振型滤波器是指在滤波器的串并联支路上串并联一个或多个电感器或电容器,使其对某些特定的谐波形成串联谐振或并联谐振,从而形成对特定谐波的滤除。常用的谐振型滤波器的结构如图4-6所示,本文所选用的为图4-6(c)所示的Ln、Cn串联谐振电路,Ln、Cn串联后并接在负载两端,若基波频率为ω,Ln、Cn对n次谐波串联谐振,即nωLn=1/nωCn,n2ω2LnCn=1。因此对n次谐波电压电流,Ln、Cn的合成阻抗为零,这使负载端无n次谐波电压,或者说流过电感L1的n次谐波电流全部流入Ln、Cn支路,负载中无n次谐波电压、电流。由此理论上的分析可见,该谐振型滤波器对开关频率处附近确实有很好的滤波效果,从而可以整体上减小负载中谐波的含量。

(a)L2C1并联谐振(b)L1C1串联谐振,L2C2并联谐振

(c)LnCn串联谐振(d)L1C1串联谐振
图4-6谐振型滤波器
4.3.2 LLCL滤波器的引入
要消除上文中提到的开关频率处的谐波含量需在滤波器的并联电容上串联一个小电感Lf用来构成串联谐振,将要消除的谐波通过串联谐振流回逆变端,故这里可以成为此种设计的滤波器为LLCL型滤波器,如图4-7所示。

图4-7  LLCL谐振型滤波器单相简化电路
通过对图4-7中LLCL谐振型滤波器的单相等效电路的分析,可以求出该种滤波器的开环传递函数如式4-4所示。
(4-4)
相对于LCL型滤波器而言,LLCL滤波器的引入不会增加系统的控制难度。在Lf与C构成的串联谐振处幅频与相频特性曲线出现很明显的下降,说明该谐振型滤波器确实能大幅度的消除指定频率处的谐波。实验中两种滤波器的并联电容值相同,总电感量基本相同,因为LLCL滤波器加入了一个很小的并联电感,总值相差很小。
4.2.3 LLCL滤波器的设计
LLCL型滤波器电感电容的取值访法与LC、LCL型滤波器的设计方法类似,都是通过限制电感电流的纹波的大小和滤波电容上无功功率的大小来设计电感电容的取值范围,然后在经过调试在确定最终值,这里不做详细叙述,只说明计算过程。不同的是滤波电容上串联电感的取值,故设计的流程如下。
(1)一般要求逆变器侧电感上的电流纹波限制在15%~40%,设逆变器侧电感为L1,则
                             (4-5)
式中,ΔI1为逆变器侧电感电流纹波,Iref为逆变器额定电流的峰值,这里Iref=1100A,fs为开关频率。
(2)滤波电容的值是通过额定情况下电容所吸收的无功功率所确定的。滤波电容上限的大小由下式确定
                                                       (4-6)
式中Prated为额定功率,Ug为逆变器侧的并网电压,这里Prated=500kW,Ug=750V。
(3)设与电容串联的电感为Lƒ,因为要消除开关频率附近的谐波含量,故Lƒ与C应在开关频率ƒs处振,故Lƒ可由下式算出
                                                   (4-7)
在第三章建立的单相并网模型中,加入LLCL后,模型如图4-8所示:
 
图4-8 LLCL滤波的MATLAB仿真模型
这里经过计算,可以求得L1=10mH,L2=100µH,C=1µF,Lƒ=5.45µH,利用建立的MATLAB仿真模型将LLCL滤波器代替LCL滤波器加入三相光伏并网系统中,可以得到三相电流的谐波含有量,为了验证LLCL滤波器对指定频率附近谐波能有很好的消除效果,运行的并网电压电流波形如图4-9所示:
——电压——电流
 
图4-9 LLCL滤波的电压电流波形
进行FFT分析,得到的结果如图4-10所示:
 
图4-10 LLCL滤波下电流的FFT频谱分析(2)
所示A相电流频谱分析,LLCL滤波器下THD总含量是1.98%,确实能够大大消除了开关频率附近的谐波含有量,从而证明了LLCL滤波器的实用性与优越性。
对于LLCL滤波器而言其计算参数只是一个参考,根据具体的系统还可以进行适当的调整,此处调整的规律是增大C和Lf的值,调整为L1=10mH,L2=100µH,C=10µF,Lƒ=10µH,运行的并网电压电流波形如图4-11所示:
 
 
 
——电压——电流
 
图4-11 LLCL滤波的电压电流波形(2)
进行FFT分析,得到的结果如图4-12所示:
 
 
图4-12 LLCL滤波器并网A相谐波频谱
通过调整LLCL的参数THD含量由1.98%降至1.92%,说明通过调整参数能够起到改善谐波含量的效果,对于具体的系统能够设计出相应的无源滤波器以取得良好的谐波抑制效果,从而改善配电网的电能质量。
继续调高Lf的感值和C的容值,将参数调整为:L1=10mH,L2=100µH,C=15µF,Lƒ=15µH。运行的并网电压电流波形如图4-13所示:
 
 
 
 
 
——电压——电流
 
 
图4-13 LLCL滤波的电压电流波形(3)
进行FFT分析,得到的结果如图4-14所示:
 
 
图4-14 LLCL滤波器并网A相谐波频谱(3)
通过对LLCL滤波网络参数调整之后,对其谐波含量FFT分析,能够得出LLCL滤波效果比LCL要更好一些。在LLCL滤波网络中,加大电容C的参数和与电容串联的电抗的电感值,也会对滤波效果起到一定积极作用。因此在设计滤波网络的时候可以以此为原则,进行滤波参数的调整。但是容值越大、感值越大意味着电气元件的成本就会更高,故针对分布式光伏并网系统,设计其滤波网络时应根据实际情况,进行滤波网络的调整,既要使并网点的谐波含量满足国家标准规定,又应该尽量降低滤波器的成本投入。
5 总 结
本文的工作围绕光伏电站接入电网系统进行分析与研究,主要从光伏电站并网对配电网的电能质量影响入手,重点分析了谐波的产生机理,并提出了无源网络抑制谐波的措施。主要的工作总结如下:
(1) 对光伏发电系统的配电网的相关基础理论进行了研究,主要研究内容包括光伏电站的组成和光伏配电网的节点模型。研究了光伏电站的组成的基本结构以及重要的组成部分的数学模型。对光伏太阳能电池板的等效数学模型进行了分析,对并网逆变器的拓扑结构、数学模型进行简要阐释,还对光伏系统中的最大功率点跟踪(MPPT)方法进行了深入探讨。对配电网部分,主要介绍了分布式电源的节点模型,并对光伏电站的节点类型进行了分类研究。
(2)基于Matlab/Simulink仿真软件构建了单个太阳能电池板、光伏阵列的仿真模型,分析了其伏安特性和功率特性。根据太阳能电池板的功率特性分析,在不同温度和光照下采用扰动观察法的MPPT最大功率跟踪策略,在仿真软件中进行了仿真分析。光伏电池板的直流电压较低,为了得到更高的直流电压,两级式光伏发电系统往往在直流侧增加一个DC-DC的boost升压电路,之后再接三相逆变器,本节中对升压电路和三相逆变器进行了仿真模拟,观察了并网的三相电压的波形。三相逆变器的交流侧通过LCL网络接入配电网,在仿真软件中构建了三相的并网模型和单相的并网模型,三相模型其实可以通过单相进行合成分析,在仿真模型中观察了单相电压和电流的波形,并利用Matlab/Simulink中自带的powergui模块能够很便捷地进行FFT分析,在选定的LCL网络以及IGBT的开关频率下,能够分析出并网的谐波电流THD含量。
(3)通过仿真对不同的滤波措施的效果进行了比较。无源滤波就是在并网时通过滤波网络进行谐波抑制,滤波网络的形式有LC滤波、LCL滤波、LLCL等不同形式,本章对无源滤波网络的拓扑、原理进行了详细研究,特别是对于LLCL滤波网络的参数计算等进行了详尽分析,并基于MATLAB仿真环境对不同参数下的滤波效果进行了FFT频谱分析。
致 谢
光阴似箭,白驹过隙,大学生涯转瞬即逝,回首这期间的学习经历,至今都历历在目,许许多多的人在这期间给了我很多帮助,给予了我极大的关怀,在此我需要对他们表示衷心的感谢。
首先,我要感谢我的各科授业恩师,在几年的大学生活里,各位老师都给予了我很多帮助、关心、指导和支持。不论在学习、生活还是做人方面都给予了我很多的帮助。也教会了我很多做人做事的道理,使我受益匪浅,在这里向全院的各位帮助过我的老师表示感谢和敬意。
此外,我要感谢我的同学们,我们共同生活、共同学习,在以后我们可能步入社会各奔东西,我衷心希望你们都能一切顺利。感谢你们对我的帮助和关怀,岁月山高水长,友谊天长地久!还要特别感谢我的室友们,感谢你们在大学生活里给我的关心、帮助和鼓励,感谢你们的包容,感谢你们带给我快乐和感动。
在此我还要感谢我的父母和家人,他们始终是我最坚强的后盾,在任何时候都给予我最大的支持和关爱,感谢他们一如既往的宽容、理解和支持。
最后,向百忙之中审阅此文的专家教授致以崇高的敬意和诚挚的感谢!文章中存在的不妥之处请各位评审专家和老师批评指正,谢谢!
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Research on the power quality of distribution network by grid-connected distributed photovoltaic
 
 
Abstract:With the rapid development of the world economy and the continuous growth of the population, the energy crisis has become a common problem all over the world. Solar energy is a renewable energy with a larger scale and more mature development technology in China. The photovoltaic power generation system is mainly composed of photovoltaic modules and photovoltaic inverters. The direct photovoltaic conversion method is adopted to convert solar energy into electric energy by using the photovoltaic effect of semiconductors. The form of distributed photovoltaic is flexible and adaptable to local conditions. Currently, the common distributed photovoltaic that has been put into use include photovoltaic street lighting, photovoltaic on the roof of agricultural shed, photovoltaic charging pile and so on. However, due to the adoption of power equipment, the power quality of the distribution network will be greatly affected when the photovoltaic grid is connected, especially the harmonic problem.
The work of this paper focuses on the analysis and research of the influence of distributed photovoltaic power station grid-connection on the power quality of distribution network, the composition of distributed photovoltaic system and the basic

principle of each part are studied in detail, the generation mechanism of harmonics is analyzed emphatically, and the measures to suppress harmonics in passive network are put forward. The principle of photovoltaic power generation was simulated in MATLAB/SIMULINK simulation platform, with emphasis on the simulation test of harmonic problem. Under the LLCL harmonic suppression network, the harmonic problem of distribution network can be significantly improved.
Keywords: distributed; Photovoltaic power generation; Harmonic suppression; Photovoltaic (pv) grid
 

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