学术︱电网电压不平衡下三相光伏发电系统的谐波电流抑制
重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的研究人员周念成、楼晓轩等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，电网电压不平衡下光伏发电不脱网运行会使三相光伏逆变器产生显著的谐波电流。本文对不平衡电压下光伏发电功率控制进行研究，分析其电流谐波总畸变率和各次电流谐波特性；推导光伏发电功率波动、总谐波畸变率和奇次谐波电流有效值解析表达式，考虑光伏发电注入电流谐波和功率波动的限制，提出了两种功率控制调节系数算法，建立电压不平衡下光伏发电的谐波电流抑制策略。通过PSCAD/EMTDC仿真结果验证了该方法的可行性。
随着环境污染加剧和能源日益短缺，各国大规模开发风能、太阳能等可再生能源，与之相适应的分布式发电（Distributed Generation，DG）得到了高度重视和大力发展[1]。其中，光伏发电（Photovoltaic，PV）具有安装方便、技术成熟等优势，在分布式发电中应用广泛[2-5]。电力电子变换装置的非线性和电网谐波及不平衡电压等异常运行条件，都将导致光伏发电对电网电能质量造成不利影响[6-8]。特别是电网不平衡电压将导致光伏发电输出功率和直流电压发生波动，并使其端电流出现显著谐波畸变。
为此，GB/T 20046—2006和IEEE Std.929—2000等标准均对光伏发电输出电流的总谐波畸变率和各次谐波含有率进行限制，以控制光伏发电对电网的谐波污染。因此，需要深入研究光伏发电在电压不平衡下的运行特性及其谐波电流的抑制方法。
针对电网电压不平衡下变流器的运行约束，文献[9,10]以直流侧恒定为控制目标，建立变流器正、负序电流的调节方案，但均未考虑变流器注入电流对电网电能质量的影响。为确保变流器运行满足并网电能质量要求，文献[11,12]提出5种有功和无功功率控制策略，使变流器接入点的功率波动和电流谐波达到不同的电能质量要求，据此文献[13]提出变流器有功和无功波动幅值连续可调的控制方案。
针对光伏并网发电系统，已有文献对光伏发电的谐波电流抑制进行研究[6,7,14-16]。文献[14,7]分别提出减小单相和三相光伏发电谐波电流的控制方法，但未分析电压不平衡下光伏发电谐波电流的产生机理及其抑制措施。文献[6]研究了电压畸变不平衡下光伏发电并网电流指令计算和比例多重复数积分电流控制策略，但仅以有功恒定和单位功率因数运行为目标计算指令电流。实际上当电压不平衡下光伏发电功率波动完全消除时，将使光伏发电输出电流谐波严重越限[11]。
为此，文献[15,16]利用a、b电流调节系数，提出电压不平衡下光伏发电的电流谐波和功率波动连续可调的控制策略，但仅对光伏发电的电流总谐波畸变率进行限制，因光伏发电并网标准中还对其输出电流的各次谐波含有率进行限制[17]，若仅考虑总谐波畸变率进行电流控制，将可能导致某次谐波出现越限，仍不能满足电网电能质量要求。
本文首先分析电网电压不平衡下光伏发电的功率控制和电流谐波产生机理，推导光伏发电的奇次谐波电流有效值的解析式，对电压不平衡下光伏发电的电流总谐波畸变率和各次谐波随电流调节系数变化规律进行分析，考虑各次谐波电流和功率波动限制，建立电压不平衡下光伏发电既满足总谐波畸变率、同时又能满足单次谐波限制的电流调节系数算法及控制策略。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台中验证本文方法的可行性。
结论
本文提出了抑制电网电压不平衡下光伏发电输出电流谐波的控制策略。研究表明，通过对电流调节系数的连续调整，能够实现光伏发电功率波动和注入电网谐波的灵活控制，为此本文给出了电流调节系数的两种计算方法。
通过对光伏发电系统仿真测试表明，推导的光伏发电功率波动和各次电流谐波解析式与仿真结果基本相同；提出的两种控制方式能够有效保障电网电压不平衡下光伏发电注入电网的功率波动和电流谐波，严格符合相关的光伏发电并网运行规定。