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關(guān)于小型水力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)研究
【論文關(guān)鍵詞】：水力發(fā)電; 并網(wǎng); 諧波
【論文摘要】：隨著我國(guó)的發(fā)展，能源危機(jī)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，可再生能源受到人們的重視，其中水力發(fā)電是人們利用最為廣泛的可再生能源。文章針對(duì)水力發(fā)電系統(tǒng)逆變器的諧波污染，提出了治理措施。
前言
近年來(lái)，可再生能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并網(wǎng)逆變器及其控制技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。逆變器并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行的主要控制問(wèn)題是逆變器輸出正弦波電流(即并網(wǎng)電流)控制技術(shù)，要求并網(wǎng)電流能實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓頻率、相位和并網(wǎng)容量給定的變化，且電流的總畸變失真要低，以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波影響。其控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)正弦電流輸出和相位控制，使逆變器工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式。
前的并網(wǎng)逆變器采用的功率開(kāi)關(guān)器件多是IGBT，就可以實(shí)現(xiàn)很高的開(kāi)關(guān)頻率，一般開(kāi)關(guān)頻率為2kHz~15kHz。然而功率開(kāi)關(guān)器件的高開(kāi)通關(guān)斷頻率卻會(huì)產(chǎn)生高次諧波，注入到電網(wǎng)中，產(chǎn)生諧波污染，這將對(duì)電網(wǎng)上的其他電磁敏感的設(shè)備產(chǎn)生干擾。所以我們就需要在電網(wǎng)和變流器之間接上諧波濾波器。
目前最常用的方法是在并網(wǎng)逆變器和交流電網(wǎng)之間串聯(lián)輸入電感來(lái)降低高次諧波的含量。但是當(dāng)逆變器開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)，要想得到滿意的濾波效果，就需要很大的電感值，從而花費(fèi)過(guò)高，電感體積太大，并且大電感還將使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差。文章采用LCL濾波器來(lái)解決L濾波器所存在的問(wèn)題。
一、水力發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介
水力發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、AC/DC轉(zhuǎn)換、PWM逆變器、LCL濾波器組成。發(fā)電機(jī)使用異步電機(jī)，異步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電是利用電網(wǎng)提供以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng), 在轉(zhuǎn)差率為負(fù)值的工況下,其磁力矩與轉(zhuǎn)速方向相反,力矩方向與轉(zhuǎn)速方向相同,磁力矩作負(fù)功,機(jī)械力矩作正功(轉(zhuǎn)化為電能),向電網(wǎng)輸出電能。常用作發(fā)電的一般為三相鼠籠式異步電機(jī),三相繞線式異步電機(jī)和單相電容式異步電機(jī)也可作為發(fā)電使用, 但技術(shù)性指標(biāo)差。電能經(jīng)PWM逆變器后變?yōu)檎艺{(diào)制波，這時(shí)的電能含有大量的高次諧波，為了減少諧波污染，加入LCL濾波器。
二、系統(tǒng)諧波危害
并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量主要取決于輸出電流的質(zhì)量，為了能夠給電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能，并網(wǎng)逆變器的電流控制發(fā)揮了重要的作用，因此，對(duì)并網(wǎng)發(fā)電用三相逆變器研究就顯的尤為重要。
由于三相PWM逆變器具有功率因數(shù)高，效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電中得到廣泛應(yīng)用。但是三相PWM逆變器在其開(kāi)關(guān)頻率及開(kāi)關(guān)頻率的整數(shù)倍附近，產(chǎn)生的高次諧波注入到電網(wǎng)中，會(huì)產(chǎn)生諧波污染，這將對(duì)電網(wǎng)上的其他電磁敏感的設(shè)備產(chǎn)生干擾。
諧波對(duì)電力系統(tǒng)和其它用的設(shè)備可能帶來(lái)非常嚴(yán)重的影響，主要危害可歸納為：
在電力危害方面：
（1）使公用電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的 使用頻率增加電網(wǎng)損耗。零線會(huì)由于流過(guò)大量的3次及其倍數(shù)次諧波造成零線過(guò)熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。
（2）諧波會(huì)產(chǎn)生額外的熱效應(yīng)從而引起用電設(shè)備發(fā)熱，使絕緣老化，降低設(shè) 備的使用壽命 。
（3）諧波容易使電網(wǎng)與補(bǔ)償電容器之間產(chǎn)生串聯(lián)并聯(lián)諧振，使諧振電流放大 幾倍甚至幾十倍，造成過(guò)流，造成電容器以及與之相連的電抗器、電阻器的損壞。
（4）降低產(chǎn)生、傳輸和利用電能的效率。
在信號(hào)干擾方面：
（1）諧波會(huì)引起一些保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作，如繼電保護(hù)的熔斷器等。同時(shí)也會(huì)導(dǎo) 致電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。
（2）諧波通過(guò)電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式對(duì)鄰近的設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致它們無(wú)法正常工作。
所以，減輕直至消除這些危害，對(duì)于供電和用電設(shè)備的節(jié)能降耗，乃至于對(duì)整個(gè)能源利用率的提高，都具有極其重要的意義。由于LCL在抑制諧波方面具有的優(yōu)點(diǎn)，因此研究LCL濾波器具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
三、并網(wǎng)逆變器矢量控制
控制電路的目的就是控制并網(wǎng)逆變器六個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷，產(chǎn)生與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的中點(diǎn)重合，而寬度是按正弦規(guī)律變化。這樣，由n個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦半周等效。同樣，正弦波負(fù)半周也可用相同方法與一系列負(fù)脈沖波來(lái)等效。
[1]
為了達(dá)到控制目的，我們選用矢量控制的方法。矢量控制最初用于控制異步電機(jī)，把交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)控制，后來(lái)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，逐漸形成了一套比較完整的矢量控制理論體系。最近二十多年來(lái)由于、及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，矢量控制技術(shù)在高性能交流驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。矢量控制大大簡(jiǎn)化了控制的難度，并會(huì)獲得較好的控制效果，因此我們將采用矢量控制的方法對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。
我們采用兩個(gè)電流內(nèi)環(huán)、一個(gè)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到實(shí)際需要的精度和動(dòng)靜態(tài)性能。這種方法是取直流側(cè)電壓與給定電壓比較，產(chǎn)生作為輸入的直軸電流，取逆變器側(cè)電感電流作為反饋，產(chǎn)生控制逆變器的脈沖信號(hào)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的直流電壓不穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)逆變器側(cè)電感電流的反饋，可以調(diào)節(jié)逆變器6個(gè)開(kāi)關(guān)管通斷時(shí)間，使其輸出與電網(wǎng)電壓幅值、相位相吻合。
四、LCL參數(shù)設(shè)計(jì)
逆變器側(cè)是三個(gè)電阻為R、電感為L(zhǎng)的電抗器，網(wǎng)側(cè)是三個(gè)電阻為Rf、電感為L(zhǎng)f的電抗器，網(wǎng)側(cè)電抗器和變流器側(cè)電抗器之間是三個(gè)星形聯(lián)結(jié)的電容器Cf。六個(gè)功率開(kāi)關(guān)由控制電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)控制其通斷，從而產(chǎn)生與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波。經(jīng)逆變器形成的三相交流電經(jīng)LCL濾波器濾除諧波后并入電網(wǎng)。
由于在LCL參數(shù)選擇比較復(fù)雜，國(guó)際上也沒(méi)有一種統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，因此文章綜合考慮電網(wǎng)側(cè)電流最大允許脈動(dòng)、逆變器開(kāi)關(guān)頻率和阻尼特性等要求，通過(guò)計(jì)算的方法得出一種簡(jiǎn)單有效的設(shè)計(jì)方案：通過(guò)選擇逆變器側(cè)所需要的電流紋波來(lái)設(shè)計(jì)內(nèi)部電感L，通過(guò)選擇在額定狀態(tài)下吸收的無(wú)功功率來(lái)決定電容值，通過(guò)選擇期望電流紋波減少量來(lái)設(shè)計(jì)Lf。由于逆變器開(kāi)關(guān)管通常工作在高頻方式，一般為15kHz，所以該濾波器屬于低通濾波器，目的是濾除高頻開(kāi)關(guān)紋波。
通過(guò)計(jì)算得出LCL參數(shù)后，我們采用MATLAB中的SIMULINK模塊進(jìn)行仿真，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后得出一個(gè)滿足要求的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
五、主動(dòng)阻尼控制器的設(shè)計(jì)
由于LCL濾波器是諧振電路，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響，如果不采取很好的控制策略，會(huì)使電流的諧波畸變率增大。為了抑制LCL濾波器的諧振，可以采取增加濾波器阻尼的方法，但是增加無(wú)源元件，如電阻等，會(huì)造成功率損耗，降低系統(tǒng)的工作效率。除此之外我們還可以采取增加主動(dòng)阻尼的方法，所謂主動(dòng)阻尼，是指主動(dòng)采取控制策略的方法，達(dá)到與被動(dòng)阻尼相同的效果。
用主動(dòng)阻尼的方法替代實(shí)際的諧振阻尼電阻作用，這樣即使主動(dòng)阻尼的阻值很大，也不會(huì)造成功率損耗，降低系統(tǒng)的效率。由于電壓電流雙閉環(huán)控制具有系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化不敏感，穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。采取這種控制策略與通常的雙閉環(huán)不同之處在于，增加了對(duì)電容器電流的前饋控制。
結(jié)語(yǔ)
IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格限定負(fù)載注入電網(wǎng)的電流總諧波畸變要小于5%，35次以上諧波的畸變率要小于0.3%。通過(guò)我們對(duì)逆變器矢量控制、LCL參數(shù)和主動(dòng)阻尼器的設(shè)計(jì)，將基本達(dá)到這一要求。
參考文獻(xiàn)
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