关于小型水力发电系统的并网研究

【论文关键词】：水力发电; 并网; 谐波

【论文摘要】：随着我国的发展，能源危机成为制约我国经济发展的重要因素，可再生能源受到人们的重视，其中水力发电是人们利用最为广泛的可再生能源。文章针对水力发电系统逆变器的谐波污染，提出了治理措施。

前言

近年来，可再生能源并网发电技术成为研究热点。作为可再生能源发电系统中的关键环节，并网逆变器及其控制技术越来越受到关注。逆变器并网发电运行的主要控制问题是逆变器输出正弦波电流(即并网电流)控制技术，要求并网电流能实时跟踪电网电压频率、相位和并网容量给定的变化，且电流的总畸变失真要低，以减小对电网的谐波影响。其控制目标是实现正弦电流输出和相位控制，使逆变器工作在单位功率因数并网模式。

前的并网逆变器采用的功率开关器件多是IGBT，就可以实现很高的开关频率，一般开关频率为2kHz~15kHz。然而功率开关器件的高开通关断频率却会产生高次谐波，注入到电网中，产生谐波污染，这将对电网上的其他电磁敏感的设备产生干扰。所以我们就需要在电网和变流器之间接上谐波滤波器。

目前最常用的方法是在并网逆变器和交流电网之间串联输入电感来降低高次谐波的含量。但是当逆变器开关频率很高时，要想得到满意的滤波效果，就需要很大的电感值，从而花费过高，电感体积太大，并且大电感还将使得系统的动态响应变差。文章采用LCL滤波器来解决L滤波器所存在的问题。

一、水力发电系统简介

水力发电系统由发电机、AC/DC转换、PWM逆变器、LCL滤波器组成。发电机使用异步电机，异步电机并网发电是利用电网提供以同步转速转动的旋转磁场, 在转差率为负值的工况下,其磁力矩与转速方向相反,力矩方向与转速方向相同,磁力矩作负功,机械力矩作正功(转化为电能),向电网输出电能。常用作发电的一般为三相鼠笼式异步电机,三相绕线式异步电机和单相电容式异步电机也可作为发电使用, 但技术性指标差。电能经PWM逆变器后变为正弦调制波，这时的电能含有大量的高次谐波，为了减少谐波污染，加入LCL滤波器。

二、系统谐波危害

并网系统的电能质量主要取决于输出电流的质量，为了能够给电网提供高质量的电能，并网逆变器的电流控制发挥了重要的作用，因此，对并网发电用三相逆变器研究就显的尤为重要。

由于三相PWM逆变器具有功率因数高，效率高等诸多优点，因此在可再生能源的并网发电中得到广泛应用。但是三相PWM逆变器在其开关频率及开关频率的整数倍附近，产生的高次谐波注入到电网中，会产生谐波污染，这将对电网上的其他电磁敏感的设备产生干扰。

谐波对电力系统和其它用的设备可能带来非常严重的影响，主要危害可归纳为：

在电力危害方面：

（1）使公用电网中的设备产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的 使用频率增加电网损耗。零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波造成零线过热，甚至引发火灾。

（2）谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设 备的使用寿命 。

（3）谐波容易使电网与补偿电容器之间产生串联并联谐振，使谐振电流放大 几倍甚至几十倍，造成过流，造成电容器以及与之相连的电抗器、电阻器的损坏。

（4）降低产生、传输和利用电能的效率。

在信号干扰方面：

（1）谐波会引起一些保护设备误动作，如继电保护的熔断器等。同时也会导 致电气测量仪表计量不准确。

（2）谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的设备和系统产生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。

所以，减轻直至消除这些危害，对于供电和用电设备的节能降耗，乃至于对整个能源利用率的提高，都具有极其重要的意义。由于LCL在抑制谐波方面具有的优点，因此研究LCL滤波器具有很重要的现实意义。

三、并网逆变器矢量控制

控制电路的目的就是控制并网逆变器六个开关管的通断，产生与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，而宽度是按正弦规律变化。这样，由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效。同样，正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等效。

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为了达到控制目的，我们选用矢量控制的方法。矢量控制最初用于控制异步电机，把交流电动机等效为直流电动机控制，后来经过多年的发展，逐渐形成了一套比较完整的矢量控制理论体系。最近二十多年来由于、及微电子技术的飞速发展，矢量控制技术在高性能交流驱动领域的应用已经越来越广泛。矢量控制大大简化了控制的难度，并会获得较好的控制效果，因此我们将采用矢量控制的方法对并网逆变器进行控制。

我们采用两个电流内环、一个电压外环的双闭环系统，来达到实际需要的精度和动静态性能。这种方法是取直流侧电压与给定电压比较，产生作为输入的直轴电流，取逆变器侧电感电流作为反馈，产生控制逆变器的脉冲信号。当发电机的直流电压不稳定时，通过逆变器侧电感电流的反馈，可以调节逆变器6个开关管通断时间，使其输出与电网电压幅值、相位相吻合。

四、LCL参数设计

逆变器侧是三个电阻为R、电感为L的电抗器，网侧是三个电阻为Rf、电感为Lf的电抗器，网侧电抗器和变流器侧电抗器之间是三个星形联结的电容器Cf。六个功率开关由控制电路产生的脉冲信号控制其通断，从而产生与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波。经逆变器形成的三相交流电经LCL滤波器滤除谐波后并入电网。

由于在LCL参数选择比较复杂，国际上也没有一种统一的设计方法，因此文章综合考虑电网侧电流最大允许脉动、逆变器开关频率和阻尼特性等要求，通过计算的方法得出一种简单有效的设计方案：通过选择逆变器侧所需要的电流纹波来设计内部电感L，通过选择在额定状态下吸收的无功功率来决定电容值，通过选择期望电流纹波减少量来设计Lf。由于逆变器开关管通常工作在高频方式，一般为15kHz，所以该滤波器属于低通滤波器，目的是滤除高频开关纹波。

通过计算得出LCL参数后，我们采用MATLAB中的SIMULINK模块进行仿真，通过反复实验后得出一个满足要求的实验结果。

五、主动阻尼控制器的设计

由于LCL滤波器是谐振电路，对系统的稳定性有很大影响，如果不采取很好的控制策略，会使电流的谐波畸变率增大。为了抑制LCL滤波器的谐振，可以采取增加滤波器阻尼的方法，但是增加无源元件，如电阻等，会造成功率损耗，降低系统的工作效率。除此之外我们还可以采取增加主动阻尼的方法，所谓主动阻尼，是指主动采取控制策略的方法，达到与被动阻尼相同的效果。

用主动阻尼的方法替代实际的谐振阻尼电阻作用，这样即使主动阻尼的阻值很大，也不会造成功率损耗，降低系统的效率。由于电压电流双闭环控制具有系统对参数变化不敏感，稳定性高的优点。采取这种控制策略与通常的双闭环不同之处在于，增加了对电容器电流的前馈控制。

结语

IEEE 1547标准严格限定负载注入电网的电流总谐波畸变要小于5%，35次以上谐波的畸变率要小于0.3%。通过我们对逆变器矢量控制、LCL参数和主动阻尼器的设计，将基本达到这一要求。

参考文献 [2] 罗悦华, 伍小杰, 王晶鑫. 三相PWM整流器及其控制策略的现状及展望[J]. 电气传动, 2006,36

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[3] 李时杰, 李耀华. PWM 整流器无电流传感器前馈控制策略的研究[J]. 电气传动, 2006,36

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