一种基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿方法及装置与流程

本发明涉及光伏并网发电系统领域，具体涉及一种基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿方法。

背景技术

光伏并网发电系统作为新能源典型应用，可见于我国各大城市甚至于偏远地区。光伏并网发电装置一般工作在白天阳光照射充足的时候，在夜晚一般会在电网隔离断开。这样频繁多次投切光伏并网装置不利于设备的工作，同时也会带来较大的开关损耗，也不利于电网稳定运行，在工业实际运用中，如果在一个系统同时采用两种装置，经济成本相对较高，不利用大规模推广工业化。实际上，这样的光伏并网系统逆变器的容量并没有得到完全的利用，很大一部分时间都处于闲置。因此，利用光伏发电系统在光照并不充分时剩余的光伏逆变器容量，进行对电网的电能质量进行治理，前景十分光明。

现有技术对于基于光伏发电并网系统的剩余容量的研究，主要聚焦于利用光伏系统的逆变器进行谐波补偿或者是无功补偿，以及对应跟踪电流机制和控制策略的研究。目前来说，没有现有技术研究当目前剩余容量无法满足补偿所有次谐波时，实时根据动态变化的剩余容量针对性地调整补偿方案，只补偿对于网侧造成污染的谐波分量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿方法。

本发明采用以下技术方案：

一种基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿方法，包括：

s1.光伏系统中的最大功率跟踪mppt控制器根据外接光照环境调整光伏逆变器的输出电流以及输出电压，确保所述光伏并网逆变器工作在最大功率跟踪点，并检测此时所述光伏并网逆变器交流侧的输出电流和输出电压；

s2.根据不同光照强度下所述光伏并网逆变器的输出功率，确定所述光伏并网逆变器的剩余容量，同时检测不同次谐波分量的有功分量和非有功分量，判定不同次谐波有功功率流向，确定对不同次谐波分量是只进行非有功分量补偿还是进行全补偿；

s3.根据所述光伏并网逆变器的剩余容量自适应地输出非线性负载贡献或者背景谐波电压贡献的不同次谐波分量的待补偿分量开关通断信号；

s4.重复双闭环控制器根据所述开关通断信号输出待补偿谐波分量的指令信号，并叠加上并网电流指令信号和直流侧电压误差信号，通过spwm脉宽调制输出补偿电流以及并网电流。

进一步，采用基于变步长电导增量法结合积分调节器的mppt控制算法来获取所述最大功率跟踪点。

进一步，所述变步长电导增量法是根据功率对电压的导数大小调整寻优步长，获取最大功率跟踪点；所述积分调节器的mppt控制算法是指找寻到最优的占空比进一步确保获取到最大功率跟踪点。

进一步，当所述光伏并网逆变器的电流剩余容量大于所有次谐波电流分量的有效值的平均值时，所述光伏并网逆变器对所有次谐波分量进行全补偿；

当所述光伏并网逆变器的电流剩余容量小于所有次谐波电流分量的有效值的平均值时，根据不同次谐波分量是否对于网侧馈线电网造成影响来针对性的进行谐波分量的补偿。

进一步，所述根据不同次谐波分量是否对于网侧馈线电网造成影响来针对性的进行谐波分量的补偿包括：

当不同次谐波有功功率pkh＞0时，对k次谐波分量优先补偿k次谐波的非有功分量；

当不同次谐波有功功率pkh＜0时，对k次谐波分量进行全部补偿。

进一步，所述双闭环控制器是由pi控制作为内环、重复控制作为外环构成的。

一种基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿装置，所述装置包括：光伏逆变器mppt控制单元、双闭环电流控制单元、直流侧电压控制单元、正弦脉宽调制spwm单元、自适应谐波精细化补偿判定单元。

本发明的优点和有益效果在于：

本发明一种基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿方法及装置，能够在外界光照发生变化时，准确计算不同时刻光伏并网逆变器的剩余容量，自适应地根据网侧馈线电流的谐波分量对于电网的影响制定谐波补偿策略。本发明根据外界光照变化动态跟踪逆变器剩余容量，能够有效降低光伏逆变器的补偿成本，并实现了对光伏并网逆变器有限剩余容量充分利用的同时最大程度的降低网侧谐波畸变率。

附图说明

图1为本发明的基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿方法的流程示意图；

图2为本发明的带积分调节器的电导增量法结构示意图；

图3为本发明的不同次谐波补偿模式示意图；

图4为本发明的重复pi双闭环控制器结构示意图；

图5为本发明的基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿装置的结构示意图；

图6为本发明的自适应精细化补偿后网侧馈线电流以及逆变器输出电流波形图；

图7为本发明的光伏逆变器输出有功功率和无功功率波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是根据本发明实施例的基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿方法的流程示意图。参照图1，所述方法包括：

s1.光伏系统中的最大功率跟踪mppt控制器根据外接光照环境调整光伏逆变器的输出电流以及输出电压，确保所述光伏并网逆变器工作在最大功率跟踪点，并检测此时所述光伏并网逆变器交流侧的输出电流和输出电压；

s2.根据不同光照强度下所述光伏并网逆变器的输出功率，确定所述光伏并网逆变器的剩余容量，同时检测不同次谐波分量的有功分量和非有功分量，判定不同次谐波有功功率流向，确定对不同次谐波分量是只进行非有功分量补偿还是进行全补偿；

s3.根据所述光伏并网逆变器的剩余容量自适应地输出非线性负载贡献或者背景谐波电压贡献的不同次谐波分量的待补偿分量开关通断信号；

s4.重复双闭环控制器根据所述开关通断信号输出待补偿谐波分量的指令信号，并叠加上并网电流指令信号和直流侧电压误差信号，通过spwm脉宽调制输出补偿电流以及并网电流。

上述步骤s1进一步包括：

采用基于变步长电导增量法结合积分调节器的mppt控制算法来获取所述最大功率跟踪点。变步长电导增量法是根据功率对电压的导数大小调整寻优步长，获取最大功率跟踪点；并且通过积分调节器的mppt控制算法找寻到最优的占空比进一步确保获取到最大功率跟踪点。具体的基于变步长电导增量法结合积分调节器的mppt控制算法如图2所示。

在功率在峰值时，其对电压的导数为0，即有dp/du＝0；在此之前，即曲线处于上升阶段时，dp/du＞0，电压u小于最大功率点电压；dp/du＜0，电压u不小于最大功率电压。

假设uk、ik、pk分别为光伏并网系统在t＝k时的输出电压、输出电流以及输出功率，d(k)为t＝k时占空比，n为变步长系数。变步长的算法如下：

d(k)＝d(k-1)±n|dp/du|

根据dp/du≈ap/δu，则有：

d(k)＝d(k-1)±n|p(k)-p(k-1)/u(k)-u(k-1)|

合理设置系数n，有利于加快达到最大功率点：当dp/du值相对较大时，通过增加n系数，扩大步长；当dp/du值相对较小时，通过减小n系数，进而提高跟踪的效率。

上述步骤s2进一步包括：

假定光伏并网逆变器的额定输出功率为s，其中光伏并网逆变器利用的并网发电有功容量为户，因此光伏并网逆变器的剩余容量主要用来补偿谐波电流，同时也可以把逆变器用来补偿谐波这部分功率看作谐波的无功功率。

根据不同光照强度下所述光伏并网逆变器的输出功率，确定所述光伏并网逆变器的剩余容量为：

其中，uac表示逆变器交流侧输出电压。

具体的自适应谐波补偿控制策略如下：sh剩余容量充足，考虑交流侧输出电压uac一般与电网直接相连，因此其值基本保持不变，因此，sh剩余补偿容量，此时也可以用逆变器的剩余电流容量ir进行表示。

1)假设即电流剩余容量大于所有次谐波分量的有效值的平均值时，光伏并网逆变器对所有次谐波分量进行全补偿。

2)假设即电流剩余容量小于所有次谐波分量的有效值得平均值，此时光伏并网逆变器不可以实现全补偿，需要判定不同次谐波分量是否对于网侧馈线电网造成影响，从而针对性的补偿谐波分量。

设定不同次谐波分量有功分量用ikp表示，不同次谐波分量非有功分量用ikq表示，因此不同次谐波有功功率用pkh表示。若pkh＞0时，对于k次谐波分量优先补偿k次谐波非有功分量ikq；若pkh＜0时，对于k次谐波分量进行全部补偿。

根据步骤s2，如果电网侧只存在5次谐波和7次谐波，检测网侧馈线电流的5次谐波和7次谐波有功分量和非有功分量，判定5次谐波有功功率小于0，7次谐波有功功率大于0。在t＝0.15s～0.2s，光伏并网系统处于标准光照强度下，系统根据光伏电池输出的最大输出电流，判定需要补偿非线性负载产生的5次谐波电流以及7次非有功电流及7次以上电流。当t＝0.2s～0.3s时，系统的光照强度下降，此时光伏电池输出电流下降，光伏并网逆变器存在剩余容量，系统需要补偿非线性负载产生的所有次谐波分量。当t＝0.3s～0.4s时，系统的光照强度继续下降，光伏逆变器的剩余容量继续增加，系统需要同时补偿来自背景谐波电压和非线性负载的谐波分量。

上述步骤s3进一步包括：

系统根据光伏并网逆变器的剩余容量自适应地输出非线性负载贡献或者背景谐波电压贡献的不同次待补偿分量开关通断信号，开关通断信号用k51，k52，k71，k72，…，kn1，kn2表示，其分别对应于5次有功分量和非有功分量，7次谐波有功分量和非有功分量，…，n次谐波有功分量和非有功分量的不同次谐波分量，其中kn1＝0或1。

t＝0.15s～0.2s之间，对于非线性负载贡献谐波分量开关的k51＝1，k52＝1，k71＝0，k72＝1，…，kn1＝1，kn2＝1；t＝0.15s～0.2s之间，对于非线性负载贡献谐波分量开关的k51＝1，k52＝1，k71＝1，k72＝1，…，kn1＝1，kn2＝1；t＝0.15s～0.2s之间，对于非线性负载贡献谐波分量和背景谐波电压开关两者开关k51＝1，k52＝1，k71＝1，k72＝1，...，kn1＝1，kn2＝1。

上述步骤s4进一步包括：

在设计不同次谐波补偿策略时，负载电流和并网电流指令信号经过检测环节产生dq坐标系下待补偿分量在d轴上，叠加直流侧电压偏差信号经过pi调节后产生指令电流信号，经过重复pi复合控制器并叠加电压外环分量通过功率系统驱动光伏逆变器输出不同次补偿电流和并网电流信号如图3所示。

由pi控制和重复控制构成的双闭环控制器。pi控制作为内环，重复控制构成外环。结构如图4所示。其中内环pi控制可以提升补偿不同次谐波电流指令的响应速度，确保控制控制算法动态响应速度。若控制系统存在静态误差，重复控制外环则可以逐周期的降低误差，直至消除误差为止；而且重复控制在内环进行校正时，可以减小系统的调节过程。

控制对象为pwm逆变器，逆变器gvsi(s)等效于带增益k的延时为t的环节pi环节电路等效图对其依次进行离散化可得到gpi(z)、gvsi(z)、glcl(z)。根据图4控制框图，分析求得闭环误差传递函数为：

图5是根据本发明实施例的基于光伏并网系统的自适应精细化谐波补偿装置的结构示意图。如图5所示，光伏并网系统从输出侧可分为两级电路：第一级为直流-直流变换电路，根据光伏pv电池采取mppt控制，稳定光伏电池在变化的环境下的最大功率出力。同时，光伏电池直流侧的电压同时也要注意保证较大范围内保持稳定。第二级为直流-交流变换电路，主要是由逆变桥电路构成，根据k次谐波有功功率的流向判定k次谐波分量对于网侧谐波污染，从而判定选择对应的有功分量和非有功分量控制开关，经过重复pi复合控制器的调节作用产生并网电流以及谐波补偿跟踪信号，同时通过pwm脉宽调制环节，达到直流电能回馈至交流电能至电网侧，实现并网以及谐波治理两重功效。

在t＝0.15s～0.5s时，网侧馈线电流波形图如图6所示。在t＝0.15s～0.2s，光逆变器补偿容量为15624w，补偿后的网侧馈线电流谐波畸变率降至8.41％；当t＝0.2s～0.3s时，逆变器补偿容量为15800w，补偿后的网侧馈线电流谐波畸变率降至7.32％；当t＝0.3s～0.4s时，逆变器补偿容量为15750w，补偿后的电流谐波畸变率降至2.19％。

在t＝0.15s～0.5s之间，尽管光照强度发生变化，但是光伏并网系统能够自适应地切换谐波补偿方法，确保整体逆变器输出功率保持不变，最大程度利用因光伏组件输出功率变化造成的剩余容量，使得输出功率基本保持在最大输出功率附近。逆变器的输出有功功率波形以及无功功率波形，如图7所示。不同时刻的光伏并网逆变器的利用率如表1所示。

表1自适应谐波补偿方案不同时刻逆变器补偿容量

相比于传统光伏并网系统单一的光伏并网发电功能，其光伏逆变器由于受到光伏组件输出参数，以及外界环境的温度、光照等因素影响，输出容量往往并非处于额定功率工作状态。对比本发明的具有自适应精细化谐波补偿功能的光伏并网系统，光伏并网逆变器输出容量利用率有着明显的提升，如表格2所示。

表2不同光伏并网系统的逆变器利用率

为了详细证实本发明的技术效果，以上主要以对5次和7次谐波分量进行了详细说明，但是本发明的实施方式不限于此。

本发明相比传统补偿方法，其优点如下：能够在外界光照发生变化，准确计算不同时刻光伏并网逆变器的剩余容量，自适应地根据网侧馈线电流的谐波分量对于电网的影响制定谐波补偿策略。本发明根据外界光照变化动态跟踪逆变器剩余容量，能够有效降低光伏逆变器的补偿成本，并实现了对光伏并网逆变器有限剩余容量充分利用的同时最大程度的降低网侧谐波畸变率。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。