对单相并网逆变器电流谐波的检测与抑制外文翻译资料

 2022-11-09 14:58:41

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对单相并网逆变器电流谐波的检测与抑制

Yongheng Yang,Member, IEEE, Keliang Zhou, Senior Member, IEEE, and Frede Blaabjerg, Fellow, IEEE,翻译:林奕含

摘要:系统环境条件和运作模式可能造成单相并网逆变器系统的逆变器电流失真,例如光伏系统逆变器在多云天气运行时,在非全功率因数条件下,或有无功电流流入的低电压穿越模式下需要最大功率点跟踪。本文探讨了单相并网逆变器的谐波电流注入机制并对单相光伏发电系统进行了分析。重点分析了功率因数的影响和单相逆变器的入网电流质量。本文为单相并网系统定制研发了一个内部模型原则导向的高性能电流控制方案,从而能够在不同条件下输出高质量电流。本文中的这种先进的电流控制器在保持相对快速响应的同时,可以达到最小稳态误差,并且可以作为一个有效的谐波抑制方案应用于其他单相设备。对单相并网发电系统实验验证了该分析的正确性并且是良好的谐波抑制方案。

关键词:谐波;低电压穿越(LVRT);光伏(PV)系统;电能质量;无功功率注入;重复控制(RC);谐振控制;单相逆变器

1 引言

欧洲光伏产业协会报道称,世界太阳能发电容量在2012年第一次超过了100GW[1],到了2014年,已经接近180GW[2]。由于世界对清洁能源有不可避免的需求,将来一定会建设更多的光伏发电系统[3]。并入电网的光伏发电系统数量迅速增长,这对电网的效率也是一个挑战,光伏系统发电的强烈间隙性会影响它的发电质量[4-7]和整个系统的可靠性。因此,具体的电网要求(如IEEE标准1547-2003[8]和IEC标准61727[9])预计将加强并网光伏发电系统的规范化,特别是电能质量和配套设施方面[10]。将来,单相并网光伏发电系统在不同的运行模式下会变得更加高效,在电网故障时能提供低电压穿越功能,并具有无功补偿功能。在这种情况下,控制系统可能降低会由于电流质量造成整个电网谐振的风险。所以,控制系统应加强最大功率点跟踪(MPPT)和其他辅助服务模式(例如,非全功率因数),维持电能质量正常,以满足现有的或即将到来的电网规范要求[11-16]

对于包括光伏系统在内的并网逆变器系统来说,电流畸变水平是衡量电能质量的重要指标[17-18]。例如,IEEE标准1547-2003和IEC标准61727都规定电网中的总谐波畸变应低于5%以避免损坏其他并网设备[8,9,19,20]。此外,限制三到九次的奇次谐波在4%以下,同时,偶次谐波的限制是奇次谐波的25%。这些可接受的电流失真率被定义为并网逆变器系统(如光伏逆变器)额定的输出操作模式。然而,以光伏逆变器系统为例,由于太阳辐射的间歇性、光伏逆变器的输出电流通常小于其额定值。此外,大多数光伏逆变器设计为在不带负载并网时接近单位功率因数工作。这需要光伏发电系统工作在平均滞后功率因数大于0.9,输出功率大于其额定功率的50%[9]。除了这些基本要求,光伏发电系统将会具有如上文所述的无功补偿和故障穿越能力,更加高效地运行[12]。虽然预先设计的光伏并网发电系统能够满足现有电网的运行要求,但是目前还不清楚它是否能在非全功率因数或低于其标称值的失真电流条件下使系统在运行过程中不超过失真标准。显然,电网的要求对光伏逆变器的设计、性能和运行有很大的影响。原有的电网要求需要被重新审视以保证并网逆变器在不同运行条件下(至少在正常运行条件下)的电流畸变率[10,21,22]

适用于电力电子转换器的控制策略,可以巩固当前和未来的并网逆变器的功率调节功能[13]。相对于目前的控制,比例积分(PI)控制器是最流行的三相逆变器控制器,因为它的简单并且能够在帕克和克拉克变换的帮助下进行无静差跟踪控制。

在单相逆变器系统中(例如,光伏逆变器),比例-谐振(PR)控制器[14,23]被广泛使用,应当建立一个虚拟直角坐标系,使得这个PR控制器能够转换成为一个PI控制器。而PR控制器有几个优势,它只有需要较少的派克变换,实现简单,因此它的计算量和复杂性较小。因此,PR控制器成为了单相并网系统中常用的电流控制器[13-15,23,25-31]。众所周知,单相并网逆变器输出电流的谐波主要为奇次谐波(如第三、五、七次谐波)。由于单一的PR控制器不能阻止所有的谐波,PR控制器可能无法使高质量电流流入电网。

为了有效消除电流失真,需要将多谐振控制器(MRCs)插入PR控制器[13-15,23,25]。而这样的控制方案将增加计算负担,特别是需要补偿高次谐波(例如,第十一和十三次)的时候。若相位超前补偿器设计不当,还可能引起系统谐振。相反,重复控制器(RC)的一个简单的相位补偿器可以追踪或拒绝所有低于奈奎斯特频率的谐波[19,32-36],但它的动态响应比PR控制器和谐振控制器慢很多[37-40]。为了适应电力系统的要求,高性能的控制策略应达到最低的稳态误差,同时保持快速的瞬态响应,并且能够实际地运用。为了解决这些问题,开发了一个集合了PR控制器,RC控制器和MRC控制器的单相联级多电平变换器[41-42];一个通用平行结构RC模型也加入了多相整流器[40]。然而,确保单相并网逆变器(如,光伏系统)在不同的运行模式下产生高质量的电流的方法任然有待完善。单相并网逆变器产生谐波的根本原因依然是热点问题。

上文对单相并网逆变器系统的电流谐波注入机制进行了介绍,并分析了单相光伏系统。第二部分详细分析了单相并网光伏系统的不同运行模式对功率因数和入网电流的失真水平的影响。在论述的基础上,开发一个具有高性能的电流控制解决方案的单相并网逆变器系统,从而在不同的运行模式产生高品质的电流。为此定制的控制器的基本设计在第三部分提供。第四部分对单相并网系统进行了实验研究,提供了相关分析正确有效的专用控制方案。最后,得出的结论在第五部分。

2 谐波电流注入机制

下面介绍由单相逆变器注入单相光伏发电系统的谐波电流。集中讨论了输入电流(即入网电流幅值)、功率因数和电网电压幅值对电流质量的影响。除此以外还探讨了其他谐波来源,如时间死区的影响,非线性功率器件和电网本身的失真。

2.1 电流质量退化的潜在性

图1 基于单相PQ理论的[43]一个单相单级光伏并网发电系统的总体控制结构,它展示了一个简单的电压跌落发生器

图1是一个带简单电压跌落发生器的单相并网光伏逆变器,它是基于PQ理论控制的[6,15,43,44]。功率因数可以通过调节有功功率和无功功率(P*,Q*)来控制。如前文所述,单相并网光伏系统在不同运行条件下都应满足质量、稳定性和可靠性要求。值得注意的是,将来电网变得多样化和弹性时,这些要求往往会加强。;例如,光伏发电系统应该能够像风力发电系统一样,在电网电压下降时向电网注入无功功率。即使在正常工作模式下,电网电压的幅值也不是恒定不变的。此外,应该指出的是,未来的单相光伏发电系统也可能需要提供辅助服务[21,48-52]。在这种情况下,功率因数不统一,即使光伏系统是在MPPT模式下操作的。事实上,由于光伏逆变器通常在设计时留有余地,使得光伏逆变器能够注入MPPT控制的无功功率。总之,反馈的异常操作可以影响电流的质量,例如,夜间的低电压运行和无功功率[48,49],和光伏逆变器的电能质量可能会随着操作模式变化。

图2 依赖天气(即间歇性)的光伏系统对输出电流与注入电网的电流的影响。

此外,在实际中,从光伏系统并网电流水平将随地点和环境条件(即间歇性,例如,多云天气)。图2是一个3kW的光伏发电系统的日输出电流幅度变化,这表明了光伏系统个的功率波动和注入电网的电流变化。值得注意的是,这种连续的波动功率注入可能是电网电流幅值下降的潜在原因之一,尤其是在高渗透度的情况下[53]。然而,上述方案可能会影响入网电流质量。由于单相光伏并网系统的设计和运行方式,电网的运行要求会影响电流质量,需要检查现有电网的要求,并改进电网规范。

2.2 正常情况下的电流谐波注入

图1中的单相光伏发电系统可以描述为

(1)

(2)

其中vinv是光伏逆变器的输出电压,vg是电网电压,L1和Cf是LC滤波器的电感和电容。由于滤波器电容Cf主要用于过滤高频谐波,只考虑低频谐波时,公式(1)可以简化为:

(3)

因此,若逆变器输出电压vinv和/或电网电压vg含有低频谐波,注入电网的电流ig会产生畸变,导致THDig下降。在这种情况下,电网电流ig可以表示为:

(4)

其中,

电网电流谐波包含逆变器谐波和电网电压畸变;和是电网注入电流的元素:逆变器输出电压和电网电压;h为谐波序数。应该指出的是,电网电压畸变主要由连接到电网的非线性负载引起,通常是不受控制的。幸运的是,式(4)表明,由电网电压畸变引起的电流谐波可以通过并网逆变器用适当的方式由逆变器输出电压vinv过滤。在这种控制方式下,逆变器输出点压应该包含适当的谐波因素,这在理论上能够消除电网电压引起的谐波。以下分析了逆变器的输出电压谐波的产生,式(4)和式(5)表明在返回时影响入网的电流质量。

假设电网电压是高质量的,那么由电网本身引起的入网电流谐波就可以忽略不计。在这种情况下,由于PWM是用非线性功率半导体实现DC-AC变换,入网电流中的谐波主要由逆变器输出电压引起。因此,分析谐波时首先只考虑式(4)中的是合理的。总的来说,逆变器输出电压vinv可以表达为:

其中,PWM信号-1le;dpwmle;1;和分别为dpwm的基波分量和谐波分量;和分别为的直流分量和交流分量。表示直流侧电容电压,如图1所示。

式(6)表明了逆变器输出电压的基波分量和谐波分量是由PWM谐波、和直流侧电压变化量引起的。由此,注入电流无法避免的含有谐波,所以,由式(4)可知,这会使得电能质量受到影响。并且,由式(6)可知,如果能设计出合适的逆变器,可以消除由引起的谐波。否则,可能降低入网电流质量。高次项可以由LC滤波器过滤,忽略不计。以上分析表明逆变器输出电压可以影响电网电流质量。具体来说,产生电流畸变的因素有:(1)PWM逆变器的输出。(2)直流侧电压变化。

理论上,PWM谐波(如)是边带中心频率和它的倍数[54]。然而在实际应用中可能有死区时间和非线性导通(或关断)时滞,低次谐波会增强[54-56],由式(5)和式(6)可以看出,这会导致电流质量的下降。至于直流侧电压变化通常含有电网的倍频分量[13,57]。以下分析直流侧电压变化能够更好地理解谐波电流注入单相逆变器的机制。下面对电网频率和和功率因数角的分析需要以下几个公式:电网电压的基本公式,电网电流的基本公式,逆变器输出电压。由图1可知,直流侧的瞬时功率和逆变器输出瞬时功率:

其中表示电网电流的总谐波。忽略逆变器损失和直流侧电容上的电压损失,令,。这也表明,直流侧电容器用于功率去耦,使直流侧和交流侧之间的功率变化,导致电压变化。在大多数情况下,由于,,,忽略直流侧瞬时功率的高次项,则由式(7)和式(8)可得:

这表明直流侧电压变换量的频率为电网频率的2倍。

图3 图1所示的具有滞后功率因数交流侧电路(LC滤波器)的简化模型和基波相量图。

式(9)表明直流侧电压变化量的幅值与逆变器输出电压幅值和电网电流幅值成正比,并且与直流侧的电容和直流侧电压成反比[57]。该冲击还可以通过图3所示的相量图进一步示出,表示逆变器输出电压随功率角变化。因此,功率角(90°)越大,变化||越大。根据式(4) - (6),可以得出结论,变化||将在逆变器输出电压中引入谐波。此外,在式(9)中示出主要包含具有双倍频率2omega;0的偶次谐波。所以,会产生奇次谐波(2k 1)omega;0, k=1,2,3,... 结果,奇次电流谐波将由单相PV逆变器注入,因为和是用于图1所示的并网逆变器的闭环控制中的不可避免的元件。

总之

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