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關于小型水力發電系統的并網研究
【論文關鍵詞】：水力發電; 并網; 諧波
【論文摘要】：隨著我國的發展，能源危機成為制約我國經濟發展的重要因素，可再生能源受到人們的重視，其中水力發電是人們利用最為廣泛的可再生能源。文章針對水力發電系統逆變器的諧波污染，提出了治理措施。
前言
近年來，可再生能源并網發電技術成為研究熱點。作為可再生能源發電系統中的關鍵環節，并網逆變器及其控制技術越來越受到關注。逆變器并網發電運行的主要控制問題是逆變器輸出正弦波電流(即并網電流)控制技術，要求并網電流能實時跟蹤電網電壓頻率、相位和并網容量給定的變化，且電流的總畸變失真要低，以減小對電網的諧波影響。其控制目標是實現正弦電流輸出和相位控制，使逆變器工作在單位功率因數并網模式。
前的并網逆變器采用的功率開關器件多是IGBT，就可以實現很高的開關頻率，一般開關頻率為2kHz~15kHz。然而功率開關器件的高開通關斷頻率卻會產生高次諧波，注入到電網中，產生諧波污染，這將對電網上的其他電磁敏感的設備產生干擾。所以我們就需要在電網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逆變器和交流電網之間串聯輸入電感來降低高次諧波的含量。但是當逆變器開關頻率很高時，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，電感體積太大，并且大電感還將使得系統的動態響應變差。文章采用LCL濾波器來解決L濾波器所存在的問題。
一、水力發電系統簡介
水力發電系統由發電機、AC/DC轉換、PWM逆變器、LCL濾波器組成。發電機使用異步電機，異步電機并網發電是利用電網提供以同步轉速轉動的旋轉磁場, 在轉差率為負值的工況下,其磁力矩與轉速方向相反,力矩方向與轉速方向相同,磁力矩作負功,機械力矩作正功(轉化為電能),向電網輸出電能。常用作發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電使用, 但技術性指標差。電能經PWM逆變器后變為正弦調制波，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、系統諧波危害
并網系統的電能質量主要取決于輸出電流的質量，為了能夠給電網提供高質量的電能，并網逆變器的電流控制發揮了重要的作用，因此，對并網發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高，效率高等諸多優點，因此在可再生能源的并網發電中得到廣泛應用。但是三相PWM逆變器在其開關頻率及開關頻率的整數倍附近，產生的高次諧波注入到電網中，會產生諧波污染，這將對電網上的其他電磁敏感的設備產生干擾。
諧波對電力系統和其它用的設備可能帶來非常嚴重的影響，主要危害可歸納為：
在電力危害方面：
（1）使公用電網中的設備產生附加諧波損耗，降低發電、輸電及用電設備的 使用頻率增加電網損耗。零線會由于流過大量的3次及其倍數次諧波造成零線過熱，甚至引發火災。
（2）諧波會產生額外的熱效應從而引起用電設備發熱，使絕緣老化，降低設 備的使用壽命 。
（3）諧波容易使電網與補償電容器之間產生串聯并聯諧振，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備誤動作，如繼電保護的熔斷器等。同時也會導 致電氣測量儀表計量不準確。
（2）諧波通過電磁感應和傳導耦合等方式對鄰近的設備和系統產生干擾，嚴重時會導致它們無法正常工作。
所以，減輕直至消除這些危害，對于供電和用電設備的節能降耗，乃至于對整個能源利用率的提高，都具有極其重要的意義。由于LCL在抑制諧波方面具有的優點，因此研究LCL濾波器具有很重要的現實意義。
三、并網逆變器矢量控制
控制電路的目的就是控制并網逆變器六個開關管的通斷，產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，正弦波負半周也可用相同方法與一系列負脈沖波來等效。
[1]
為了達到控制目的，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，后來經過多年的發展，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、及微電子技術的飛速發展，矢量控制技術在高性能交流驅動領域的應用已經越來越廣泛。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逆變器進行控制。
我們采用兩個電流內環、一個電壓外環的雙閉環系統，來達到實際需要的精度和動靜態性能。這種方法是取直流側電壓與給定電壓比較，產生作為輸入的直軸電流，取逆變器側電感電流作為反饋，產生控制逆變器的脈沖信號。當發電機的直流電壓不穩定時，通過逆變器側電感電流的反饋，可以調節逆變器6個開關管通斷時間，使其輸出與電網電壓幅值、相位相吻合。
四、LCL參數設計
逆變器側是三個電阻為R、電感為L的電抗器，網側是三個電阻為Rf、電感為Lf的電抗器，網側電抗器和變流器側電抗器之間是三個星形聯結的電容器Cf。六個功率開關由控制電路產生的脈沖信號控制其通斷，從而產生與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波。經逆變器形成的三相交流電經LCL濾波器濾除諧波后并入電網。
由于在LCL參數選擇比較復雜，國際上也沒有一種統一的設計方法，因此文章綜合考慮電網側電流最大允許脈動、逆變器開關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計方案：通過選擇逆變器側所需要的電流紋波來設計內部電感L，通過選擇在額定狀態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計Lf。由于逆變器開關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紋波。
通過計算得出LCL參數后，我們采用MATLAB中的SIMULINK模塊進行仿真，通過反復實驗后得出一個滿足要求的實驗結果。
五、主動阻尼控制器的設計
由于LCL濾波器是諧振電路，對系統的穩定性有很大影響，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，降低系統的效率。由于電壓電流雙閉環控制具有系統對參數變化不敏感，穩定性高的優點。采取這種控制策略與通常的雙閉環不同之處在于，增加了對電容器電流的前饋控制。
結語
IEEE 1547標準嚴格限定負載注入電網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參數和主動阻尼器的設計，將基本達到這一要求。
參考文獻
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