学术︱三相光伏并网发电系统THD及DCI优化方法研究
浙江大学电气工程学院的研究人员张国月、秦梦珠等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，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。
新能源对于缓解当今世界能源短缺问题起到了关键的作用。太阳能光伏并网发电因具有清洁、高效等优点，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。
首先，光伏并网发电系统中大量使用的电力电子装置增大了入网电流总谐波畸变（Total Harmonic 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，变压器的移除却又造成了诸如直流电流注入（Direct Current 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[3]。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略[4-6]和静止坐标系下的比例谐振控制方法[7-9]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。
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[11]、虚拟电容法[12]和低成本铝制电解电容隔直法[13]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。
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。
图12 含直流偏置电流控制环的控制系统
结论
本文主要进行了以下工作：
（1）详细推导了VPI的频域表达式，并结合实际对象对其参数选取进行了分析，在此基础上提出静止坐标下的MVPI控制器，消除了传统三相并网逆变器控制路径上的耦合，提高了电能质量。
（2）设计了DCI提取电路及其预测算法，并在电流内环增加了DCI控制环，减小了入网电流的直流含量。
（3）对THD和DCI的关系进行了详细分析，得到了二者是正相关的关系。
（4）针对所提出的方法进行了实验验证，证明了所提方法（算法4）的有效性及优越性。
关注新能源行业技术发展动态