具有自适应无功和谐波补偿功能的并网逆变器设计

马凯莉，黄桂根，马灵甫，张晓玲，王正仕

（浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

具有自适应无功和谐波补偿功能的并网逆变器设计

马凯莉，黄桂根，马灵甫，张晓玲，王正仕

（浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

针对电网的污染问题设计了太阳能光伏并网逆变器，实现向电网传递有功功率的同时对电网电流中的无功和谐波分量进行补偿，改善电网质量，使电网电流正弦化。基于自适应陷波滤波器ANF原理，介绍了一种适用于单相电路负载的无功和谐波电流提取的新方法。该方法能较为准确快速地检测出所需信号的幅值、相位和频率等信息，并且在负载变化时保持较快的响应速度。最后，在Matlab/Simulink环境下对该理论进行仿真，验证了该方法的可行性。

并网逆变器；无功；谐波；自适应陷波滤波器ANF

引言

目前全世界范围内90%以上的电力负荷供电均采用集中发电、远距离传输和大电网互联的方式，但是随着非再生能源的枯竭，环境问题以及电能需求增加等问题日益突出，分布式电源DG［1］以其清洁、灵活、投资低的优势越来越受到人们的重视［2］。与此同时电力电子装置，尤其是整流装置（如电牵引负荷［3］）会产生大量的谐波电流，势必对电网质量造成污染，导致电力系统元器件附加功率损耗及故障。作为光电转换设备接口的光伏PV并网逆变器，由于太阳能一次能源的波动性很大，使得逆变器达不到额定功率。本文设计内容的重点正是将逆变器的这部分“空闲”能量加以利用，对电网中无功和谐波成分进行一定程度的补偿。

对电网中的无功、谐波进行补偿的关键技术是如何快速检测和精确提取非线性负载电流中的无功和谐波分量，以获得系统控制电路所需要的参考指令信号。目前国内外的研究方法有很多，例如基于时域的瞬时无功功率理论［4-5］、同步d-q变换［6］、陷波滤波器［7］和近似的带通谐振滤波器［8］；基于频域的快速傅里叶变换FFT［9］和离散傅里叶变换DFT［10］等。由于瞬时无功理论建立在三相逆变器的基础上，对于单相电路的检测需要通过延时环节构造三相电流，因此不能很好地实现实时检测；FFT算法则存在频谱泄露的现象，虽然通过加窗算法能大大消除，但却使得分析复杂化［11］。

本文介绍了一种新型的基于自适应陷波滤波器ANF（adaptive notch filter）的无功电流和谐波电流的提取方法［12］，优点是：（1）不需要锁相环PLL；（2）不需要简化假设即可提取出各次谐波及其相关信息，如频率、幅值、相角；（3）响应速度较快。基于ANF原理，本文在并网系统中加入逆变器增强型电能质量控制策略，即：逆变器在向电网传输有功的基础上补偿无功和谐波成分，提高网侧功率因数，使电网电流的波形正弦化。

1 自适应陷波滤波法介绍

定义自适应陷波器ANF输入信号为

传统ANF的表达式为

式中：θ为输入信号频率的估计值；ζ和γ分别为可调整的稳态精度和动态收敛速度；x为中间变量；iload为输入信号，当iload不含高次谐波时，iload=A1（sin ω1t）+φ1），式（2）有唯一的解，即

当输入信号有谐波时，传统ANF不能准确提取基波的频率、幅值等信息。而改进后的ANF动态微分方程［13］为

式中：x˙i、-iθxi分别为第ith次谐波及其90°相移量；ω1为输入信号的基波频率。则第ith次谐波的幅值为

对于改进后的ANF，其特定的收敛根轨迹为

图1 ANF的主从结构Fig.1 ANF master-slave structure

对电流中的基波频率、幅值和相角的提取可由ANF主从结构来实现，如图1所示。（1）不失一般性，和-iθxi由图1可以得到，在此基础上，由多个从ANF结构估计出∑Aisin（ωit+φi）；（2）在从ANF基础上，由主ANF结构通过调整ζ和γ精确快速地估计出iload的基波频率ω1、基波U1、基波90°相移量S90-U1。此外，由式（4）可得到基波幅值A1，继而可以得到cos φi和sin φi。

2 无功和谐波电流信号的提取

文中ANF的输入信号是单相电路瞬时电压和负载电流，设定瞬时电压为us（t）=Ussin φv，则电网瞬时电流为

单相电压、电流向量如图2所示。

图2 单相电压、电流向量Fig.2 Phasor of single-phase voltage and currents

式中，I1、sin φv和cos φv以及sin φi、cos φi均可由图1中的ANF主从结构获得，而未知量sin（φi1-φv）、cos（φi1-φv）分别为

在图1基础上，基于Simulink的瞬时基波有功电流和无功电流提取的仿真模型如图3所示。

图3 基于Simulink的有功和无功分量的提取模型Fig.3 Simulink model based on extraction of active and reactive compenents

3 仿真与结果分析

图4 单相光伏并网逆变器信号检测与控制Fig.4 Detection and control of single-phase PV inventer signals

本文在Matlab环境下基于ANF设计并搭建了具有无功和谐波补偿功能的单相光伏并网逆变器。该系统由太阳能光伏电池、BOOST升压电路、H桥逆变器和控制回路组成，总体控制策略如图4所示。母线电压由PV输出经BOOST抬升得到，系统将检测到的VDC与电压环参考量进行比较，所得的误差信号与正弦表相乘，同时将检测到的负载电流经ANF处理，根据补偿目的将处理过的信号一起作为电流环的参考信号，逆变器实际输出的电流与参考值进行比较所得的误差信号通过PI处理驱动H桥臂的IGBT，在实际应用中为了提高电路工作的可靠性，IGBT的驱动电路中要采用退饱和检测及其过流保护技术。

当电网侧不接负载时，逆变器只工作在向电网传递有功功率的模式下，设定PV模型工作在25℃、光照强度1 000 W/M2，Ugrid=220sin（wt），f＝50 Hz，Vref＝390 V，fs＝20 kHz，考虑到电流纹波的允许范围和电感电流跟随参考值的能力［15］，滤波电感L＝6.7 mH。逆变器向电网传递有功功率的电压、电流波形如图5所示，从仿真结果可以看到电网电流is和电网电压Ugrid同频同相。

图5 逆变器向电网传递有功功率时电压电流波形Fig.5 Waveforms of V and iswhen inventer delivering active power to grid

t＝0.2 s时电网侧接入整流性负载，电网电流is和电网电压Ugrid波形如图6所示。基于ANF对is中的有功、无功和谐波含量进行提取，结果图7所示；t＝0.3 s时，将提取到的谐波电流作为参考量进行补偿，补偿后的电网电流呈正弦化，可以看出此时is和Ugrid仍存在相位差，如图8所示；t＝0.4 s时加入无功补偿，补偿后的is和Ugrid同频同相，结果如图9所示。

t＝0.5 s时将图4中虚线框内的感性器件Z切换成2个相同的Z并联，则动态负载下is和Ugrid的波形如图10所示，大约2个工频周期后系统达到稳定状态，故基于ANF法系统有较高的动态响应速度。

图6 电网侧接入负载后Ugrid和is波形Fig.6 Waveforms of Ugridand iswhen load connected to the grid

图7 基于ANF提取到的、和波形Fig.7 Waveforms of，andbased on ANF

图8 逆变器工作在谐波补偿模式时Ugrid和is波形Fig.8 Waveforms of Ugridand iswhen inverter compensating harmonics

图9 逆变器加入无功补偿后Ugrid和is波形Fig.9 Waveforms of Ugridand iswhen inverter compensating reactive power

图10 ANF法在动态负载下对电网电流的补偿效果Fig.10 Compensation effect on grid current under dynamic load in ANF method

图11给出了负载切换前后系统提取到的基波幅值和频率信息，从中可以看出系统可以较快地得到中间变量的相关信息，同时不难发现估计值ω1与实际值非常接近。

图11 基于ANF提取到基波电流I1和频率ω1Fig.11 Waveforms of I1and ω1based on ANF

4 结语

本文对自适应陷波滤波器原理进行了介绍，并采用该方法对电网侧整流性负载中的谐波和无功成份进行同步检测和提取，通过单相光伏并网逆变器进行补偿，使电网电流和电网电压同频同相。最后通过Matlab平台搭建了实验模型进行仿真，最终验证该方法具有良好的自适应性，同时也获得较快的动态响应速度和令人满意的检测精度。

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Design of Grid-connected Inverters with Functions of Adaptive Reactive and Harmonic Compensation

MA Kaili，HUANG Guigen，MA Lingfu，ZHANG Xiaoling，WANG Zhengshi
（College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Aiming at the problem of grid pollution，PV grid-connected inverter is designed to both transfer active power and compensate the reactive and harmonic current，improve the power quality and make the grid current sinusoidal.Based on the adaptive notch filter（ANF）theory，a new approach to extracting the load′s reactive and harmonic current is proposed，which is adapted to single-phase load current.The foregoing method can accurately and quickly detect the necessary signal for the amplitude，phase position and frequency，What′s more，it can response fast when the load is changed.Finally，the result of Matlab/Simulink simulation shows that the above-mentioned theory is effective.

grid-connected inverter；reactive power；harmonic；adaptive notch filter（ANF）

马凯莉

马凯莉（1987-），女，硕士研究生，研究方向：开关电源和光伏并网逆变器相关，E-mail：Makl_ee@126.com；

黄桂根（1991-），男，硕士研究生，研究方向：为电机控制和逆变器相关，E-mail：ytcx100@sina.com；

马灵甫（1992-）男，硕士研究生，研究方向：可通讯电源设计，E-mail：65705 7262@qq.com；

张晓玲（1991-）女，硕士研究生，研究方向：光伏并网逆变器，E-mail：10658 05748@qq.com；

王正仕（1965-）通信作者，男，博士，副教授，研究方向：包括高性能开关电源、逆变器功率电源、伺服电机智能控制、电力电子在节能与新能源中的应用，E-mail：wzs@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.1

：TM 464

：A

2014-11-07

国家高技术研究发展计划资助项目（863计划）（2012AA053601）

Project Supported by National High-tech R＆D Program of China（863Program）（2012AA053601）