基于改进FBD算法的光伏并网电能质量研究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
东营职业学院的研究人员解玖霞，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文，针对光伏在并网过程中会产生大量谐波，提出一种基于改进FBD算法的光伏并网谐波检测方法，能够克服传统FBD算法检测谐波电流时误差较大的缺点。仿真结果证明，系统精度更高、响应速度更快。
随着世界经济的快速发展，全球能源消费总量日益增加，开发可再生能源成为解决能源问题的重要方式之一。目前发展比较普遍的可再生能源有太阳能、风能、生物能、海洋能等。据相关数据统计，地球40分钟接收的太阳光照能量能够为全球提供一年的用电量，并且具有安全、无污染的特点，因此，光伏发电越来越受到人们的关注[1]。
太阳能光伏发电技术将太阳能转换为直流电，再通过并网逆变器将直流转变成与配电网同相位、同频率的正弦交流电并入配电网，然而在逆变的转换过程中会产生大量的谐波，如果谐波叠加到继电保护的整定值上，会引起保护装置的误动作，造成电力系统运行可靠性的降低；如果谐波频率与电力系统中变压器或者电容器容抗的频率相同，会导致谐振发生，产生很大的电流或者电压，造成电力设备的损坏。
由此可见，光伏并网产生的谐波对配电网造成的影响是巨大的，所以必须对系统的电能质量进行分析。本文提出一种光伏并网条件下基于改进FBD算法的谐波检测方法，能够准确快速的检测出电网谐波，为后期的无功补偿及谐波治理提供理论依据。
1 光伏并网原理
光伏并网的原理如图1所示，光伏电池板接收太阳光照，将光能转换为电能，此时的电压等级未必能够满足逆变器的输入电压要求，因此加入DC/DC模块进行电压等级的转换，逆变器将光伏发出的直流电转换为交流电，并入交流电网，供电网负载的使用。
为了使光伏电池板发出的电能尽可能多的流入电网，加入MPPT控制器，能够对光伏发电的最大功率进行追踪，实现光能的高效率利用。此外，为减小光伏并网对电能质量的影响，加入逆变控制器，其作用是采集并入交流电网的电流信息以及光伏的电信息，两者比较做出决策，发出驱动信号控制逆变器，使其产生与交流电网同频率同相位的电流信息，此时并入电网，能够大大避免谐波的产生。
图1 光伏并网系统结构图
2 改进FBD算法的电能质量检测
2.1 光伏并网最大功率追踪控制电路
由于受光照以及温度等外界环境的影响，光伏电源的输出具有非线性的特点。如在晴天、雨天、阴天等不同自然条件发生时，或者一天24小时不同光照强度下，光伏电池板的输出功率会随之改变，工作电压也会发生动态变化，则整个光伏并网发电系统的输出功率将会发生变化，为了实现光能的高效率利用，应当寻求光伏电池板的最佳工作状态，最大限度进行光电转换。
因此，要时时调整光伏电源的工作点，使其始终工作在最大功率点，保证光伏并网系统最大功率输出，实现最大功率追踪（MPPT）[4]，具体原理如图2所示。
图2 MPPT原理示意图
图中曲线1、2为光伏电源在不同光照强度下的输出特性曲线，负载1、2为负载曲线，A、B为最大功率点（MPP）。假设在某一时刻，光伏并网系统运行在曲线2的最大功率点B处，由于光照强度减少，光伏电源的输出曲线由2变为1，在保持负载2不变的条件下，系统运行在b点，此时的运行状态不是该光照强度下的最大功率点。为了使光伏并网系统运行在该光照强度下的最大功率点A处，应当将负载2变化为负载1。
同理，如果光照强度增加，光伏电源的输出曲线由1变为2，工作点由A变为a，变换负载，使光伏并网系统在增加光照强度的情况下运行在最大功率点B处，从而实现最大功率跟踪。
图3 最大功率跟踪控制图
具体地如图3所示，由于传统的电导增量法步长设置固定而且比较大时，存在稳态波动大的缺点，而步长设置比较小时跟踪速度又会降低，为了克服上述缺点，在控制过程中加入功率随电压变化率的检测装置，当变化率大于设定值时，增大步长，快速进行追踪，当变化率小于设定值时，说明将要接近最大功率点，此时减小步长，增大了跟踪精度，加快了响应速度。
本研究中，光伏并网的电流为一模拟量，通过一定的算法将其转变成相应的数字量（光伏有功直流分量）并入到谐波检测电路中。
2.2光伏并网条件下的改进FBD算法电流检测及应用
传统FBD检测法基本思想是：把实际电路中的各相负载等效为串联在各相的等值电导元件，认为电路中的所有功率都被等效电导所消耗，没有其他能量损耗，再通过等效电导来分解电流得到谐波电流。其瞬时功率和等效电导不是利用三相电压直接得到，而是由PLL获取与三相电压基波同相位的基准电压进行计算求出。
但是有关研究表明，由于传统FBD中锁相环（PLL）这一模拟电路的存在，使得提取的三相基准电压信号并不能消除与理论值之间的误差，因而在获取三相基本正序有功电流的幅值和相位时始终与理论值之间存在误差，不能精确的获取谐波电流，影响滤波效果[2]。
为了消除此影响，本文提出一种无锁相环的FBD谐波电流检测方法，并且将光伏发电的电流加入到系统中，与电网电流一并进行检测，采用图4的系统结构。
图4 光伏并网条件下改进FBD法电流检测原理图
3 仿真分析
搭建改进FBD算法的谐波检测电路仿真模型，并将基于改进电导增量法的最大功率追踪光伏并网电路加到谐波检测电路中，最终检测的光伏并网后的电网谐波电流[5]。
具体地，通过Matlab/Simulink软件对三相不对称系统以及光伏接入系统进行建模仿真，如图5所示，其中，三相交流线电压设置为380V，频率为50Hz；负载采用带阻感的整流电路，电阻设置为25Ω，电感设置为20mH；逆变器直流侧电压设置为700V。
图5 光伏并网的谐波检测电路仿真模型
图6为检测到的三相谐波电流波形，可以看出改进FBD法得到的波形与理论值基本重合，效果较好。
图6 光伏并网后三相谐波电流
图7为光伏并网后基于改进的FBD法进行的三相基波有功电流仿真图，从图中可以看出，电流半个工频周期内就能达到平稳状态，动态响应速度快，并且三相电流对称性高，由于不像传统FBD法受相位差的影响，改进的FBD法检测三相基波有功电流的相位和幅值避免了误差的产生[8]。
图7 光伏并网后三相基波有功电流
4 结论
本系统在考虑光伏最大功率追踪并网的条件下，基于改进FBD算法对三相基波有功电流及三相谐波电流进行检测，避免了传统FBD算法使用锁相环导致的检测误差，系统精度更高、响应速度更快，适用于电网的三相不对称系统。