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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
【論文關(guān)鍵詞】：水力發(fā)電;并網(wǎng);諧波
【論文摘要】：隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展，能源危機成為制約我國經(jīng)濟發(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，可再生能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)成為研究熱點。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)越來越受到關(guān)注。逆變器并網(wǎng)發(fā)電運行的主要控制問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)電流能實時跟蹤電網(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，以減小對電網(wǎng)的諧波影響。其控制目標(biāo)是實現(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關(guān)器件多是IGBT，就可以實現(xiàn)很高的開關(guān)頻率，一般開關(guān)頻率為2kHz~15kHz。然而功率開關(guān)器件的高開通關(guān)斷頻率卻會產(chǎn)生高次諧波，注入到電網(wǎng)中，產(chǎn)生諧波污染，這將對電網(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)輸入電感來降低高次諧波的含量。但是當(dāng)逆變器開關(guān)頻率很高時，要想得到滿意的濾波效果，就需要很大的電感值，從而花費過高成本，電感體積太大，并且大電感還將使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變差。文章采用LCL濾波器來解決L濾波器所存在的問題。
一、水力發(fā)電系統(tǒng)簡介
水力發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電機、AC/DC轉(zhuǎn)換、PWM逆變器、LCL濾波器組成。發(fā)電機使用異步電機，異步電機并網(wǎng)發(fā)電是利用電網(wǎng)提供以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場,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,機械力矩方向與轉(zhuǎn)速方向相同,磁力矩作負(fù)功,機械力矩作正功(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,三相繞線式異步電機和單相電容式異步電機也可作為發(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、電力系統(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，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逆變器在其開關(guān)頻率及開關(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，會產(chǎn)生諧波污染，這將對電網(wǎng)上的其他電磁敏感的設(shè)備產(chǎn)生干擾。
諧波對電力系統(tǒng)和其它用的設(shè)備可能帶來非常嚴(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。零線會由于流過大量的3次及其倍數(shù)次諧波造成零線過熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。
（2）諧波會產(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。
在信號干擾方面：
（1）諧波會引起一些保護設(shè)備誤動作，如繼電保護的熔斷器等。同時也會導(dǎo)致電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。
（2）諧波通過電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式對鄰近的電子設(shè)備和通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時會導(dǎo)致它們無法正常工作。
所以，減輕直至消除這些危害，對于供電和用電設(shè)備的節(jié)能降耗，乃至于對整個社會能源利用率的提高，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，因此研究LCL濾波器具有很重要的現(xiàn)實意義。
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)逆變器六個開關(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與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等份的中點重合，而寬度是按正弦規(guī)律變化。這樣，由n個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)脈沖波來等效。
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，把交流電動機等效為直流電動機控制，后來經(jīng)過多年的發(fā)展，逐漸形成了一套比較完整的矢量控制理論體系。最近二十多年來由于電力電子、計算機及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，矢量控制技術(shù)在高性能交流驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。矢量控制大大簡化了控制的難度，并會獲得較好的控制效果，因此我們將采用矢量控制的方法對并網(wǎng)逆變器進行控制。
我們采用兩個電流內(nèi)環(huán)、一個電壓外環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)，來達(dá)到實際需要的精度和動靜態(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。當(dāng)發(fā)電機的直流電壓不穩(wěn)定時，通過逆變器側(cè)電感電流的反饋，可以調(diào)節(jié)逆變器6個開關(guān)管通斷時間，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
逆變器側(cè)是三個電阻為R、電感為L的電抗器，網(wǎng)側(cè)是三個電阻為Rf、電感為Lf的電抗器，網(wǎng)側(cè)電抗器和變流器側(cè)電抗器之間是三個星形聯(lián)結(jié)的電容器Cf。六個功率開關(guān)由控制電路產(chǎn)生的脈沖信號控制其通斷，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，國際上也沒有一種統(tǒng)一的設(shè)計方法，因此文章綜合考慮電網(wǎng)側(cè)電流最大允許脈動、逆變器開關(guān)頻率和阻尼特性等要求，通過計算的方法得出一種簡單有效的設(shè)計方案：通過選擇逆變器側(cè)所需要的電流紋波來設(shè)計內(nèi)部電感L，通過選擇在額定狀態(tài)下吸收的無功功率來決定電容值，通過選擇期望電流紋波減少量來設(shè)計Lf。由于逆變器開關(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，目的是濾除高頻開關(guān)紋波。
通過計算得出LCL參數(shù)后，我們采用MATLAB中的SIMULINK模塊進行仿真，通過反復(fù)實驗后得出一個滿足要求的實驗結(jié)果。
五、主動阻尼控制器的設(shè)計
由于LCL濾波器是諧振電路，對系統(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，但是增加無源元件，如電阻等，會造成功率損耗，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阻尼的方法，所謂主動阻尼，是指主動采取控制策略的方法，達(dá)到與被動阻尼相同的效果。
用主動阻尼的方法替代實際的諧振阻尼電阻作用，這樣即使主動阻尼的阻值很大，也不會造成功率損耗，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)對參數(shù)變化不敏感，穩(wěn)定性高的優(yōu)點。采取這種控制策略與通常的雙閉環(huán)不同之處在于，增加了對電容器電流的前饋控制。
結(jié)語
IEEE1547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%。通過我們對逆變器矢量控制、LCL參數(shù)和主動阻尼器的設(shè)計，將基本達(dá)到這一要求。
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