光伏并网与有源滤波统一控制系统的研究

张　杰，郭晓霞，赵　威

(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉　430068)

Unified Control of Grid-connected Photovoltaic and Active Power FilterZHANG Jie,GUO Xiaoxia,ZHAO Wei

(School of Electrical & Electronic Engineering, Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China)



光伏并网与有源滤波统一控制系统的研究

张杰，郭晓霞，赵威

(湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068)

Unified Control of Grid-connected Photovoltaic and Active Power FilterZHANG Jie,GUO Xiaoxia,ZHAO Wei

(School of Electrical & Electronic Engineering, Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China)

0引言

为提高光伏并网逆变器利用率和电网电能质量，将光伏并网逆变器与有源电力滤波器相结合的统一控制策略，成为近年来学者研究的热点[1-2]。文献[3]实现了将光伏并网与无功补偿进行统一控制，但是并没有谐波抑制的功能。文献[4-5]在同一个装置上实现了光伏并网与有源滤波的统一控制，而且具有附加功能，但是在指令电流的计算中均没有考虑到系统的容量问题，这种并网电流有可能会超出系统的容量。文献[6]在考虑系统剩余容量的基础上实现了光伏并网与有源滤波的统一控制。但是在谐波和无功的补偿中，并没有考虑谐波和无功的补偿顺序和补偿大小的问题，即不能实现谐波和无功电流的最优化补偿。

故本文提出一种新的将光伏并网与有源滤波统一控制的策略。在考虑系统容量的基础上，保证系统以最大功率并网发电的同时，对谐波和无功指令电流按照优先消除偏离电能质量国家标准(总谐波含量不大于5%，奇次谐波含量不大于4%，功率因数不小于0.9)较大一方，且当总谐波含量和奇次谐波含量同时不满足国标时，优先消除危害性较大的奇次谐波，实现光伏并网与有源滤波的统一控制，提高电网电能质量。

1系统结构

相较于单级式逆变系统，基于Boost升压的两级式逆变系统具有前后级耦合小、各级变换器控制目标和功能相对独立、控制精度高、可实现灵活扩展的优点[7]。为此，本文以两级式三相对称光伏系统为研究对象。系统结构框图如图1所示。系统电气回路由光伏阵列、DC/DC升压电路、DC/AC变换器，LCL滤波器、非线性负载、三相电网及电容C1、C2构成，控制回路由信号检测单元、最大功率跟踪(MPPT)控制单元及主控制单元构成。

图1　系统结构框图

光伏阵列负责将接收到的太阳光能转化为电能，经MPPT控制部分，调节Boost变换器的开关占空比调节其输出电流，进而调节光伏电池的输出电压，以保证光伏电池最大功率输出。信号采集部分则负责检测出直流侧输入电压、并网电流、非线性负载电流并分离出其中的有功、无功和谐波电流分量，送入并网控制部分，采用一定的控制法案，计算出有功、无功和谐波的指令电流，并据此控制逆变器开关管的通断，实现光伏并网和有源滤波的统一控制。

2系统控制策略

如前文所述，本系统采用两级式光伏并网逆变系统，前级实现MPPT功能，后级实现光伏并网和有源滤波的统一控制。对于MPPT,学者做了大量的研究，技术较为成熟，不作为本文所研究的重点，本文不再赘述[8]。

2.1系统总体控制策略

滤波器作为逆变器和电网之间的连接器件，在防止开关谐波污染电网方面发挥着重要作用。相较于L、LC型滤波器，LCL滤波器具有三阶的低通滤波特性，对高频谐波信号具有更好的滤波效果。因此，使用较小的滤波电感能够达到同样的谐波标准和较低的开关频率，而且可以减小系统的体积和降低损耗[9-10]。正是由于LCL滤波器是三阶滤波器，其阻尼系数较低，在某一频率范围内，系统会发生谐振，影响系统的稳定性。为提高系统的稳定性，本文采用虚拟电阻法来增大系统阻尼[7]。本文采用电压外环、电流内环的双环控制策略，控制策略框图如图2所示。

图2　系统总体控制策略框图

2.2补偿量的计算

2.2.1变量定义

在介绍指令电流的生成前先介绍一下需要用到的变量定义：

① 系统总谐波含量THD：

(1)

式中:IH为系统总谐波有效值；I1为基波有效值。

② 特定次谐波含量THD1：

(2)

③ 功率因数λ：

(3)

式中:Ip、Iq分别为基波有功和无功分量。

④ 谐波含量偏差量，即实际的谐波电流值与满足国家标准(总谐波含量不高于5%、特定次谐波含量不高于4%)时的谐波值之间的偏差量。

由式(1)可得：

(4)

故总谐波含量偏差量ΔIh：

(5)

同理特定次谐波含量的偏差量ΔIh1：

(6)

⑤ 无功电流偏差量ΔIq，即实际的无功电流值与满足国家标准(λ≥0.9)时的无功电流的偏差量。

整理式(3)：

(7)

故:

(8)

2.2.2补偿量的计算

补偿量的具体计算分8种情况：

①THD≤5%、THD1≤4%、λ≥0.9，即系统的总谐波含量、特定次谐波含量、功率因数均达到国家标准。此时系统完全工作在光伏并网发电状况，既不补偿谐波也不补偿无功电流，所以，此时的指令谐波和无功电流如式(9)。

(9)

(10)

③THD≤5%、THD1>4%、λ≥0.9，即仅仅是特定次谐波含量不满足国家标准，此时的分析方法类似于②，考虑剩余容量与偏差量之间的大小关系合理补偿，补偿量如式(11)所示。

(11)

④THD>5%、THD1≤4%、λ≥0.9，即仅仅是总谐波含量不满足要求，分析同(2)、(3)，补偿量如式(12)所示。

(12)

⑤THD>5%、THD1>4%、λ≥0.9，即系统的功率因数满足国家标准，但是总的谐波含量和特定次谐波含量均不满足国家标准。一方面由于系统的低频奇次谐波在总谐波电流中占有较大比例，当补偿低次谐波标准后总谐波含量也可能达到国家标准；另一方面，这些特定次的低次谐波对系统的危害性更大。因此本系统在确定补偿量时，首先补偿特定次谐波，之后考虑总谐波是否满足国家标准，及其与系统剩余容量之间的关系。

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

a. ΔIh1>ΔIq,优先补偿特定次谐波，若有容量余额再补偿无功，如式(20)。

b. ΔIh1≤ΔIq,分析同上，补偿量确定如式(21)。

(20)

(21)

⑦THD>5%、THD1<4%、λ<0.9,即总谐波含量和无功含量不满足标准。此时的补偿基本思想同式(6)，当总谐波含量和无功偏差量之和小于系统剩余容量时，补偿量如式(22);反之，补偿量分别如式(23)、(24)所示。

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

2.3补偿量的合成

图3　指令电流合成

3仿真与实验研究

根据图1，在MATLAB中搭建了仿真模型，对前文所提控制策略进行了仿真验证。其中直流侧电容C2为4 700μF，LCL滤波器参数分别为2.41mH、10.9μF、0.48mH；BOOST主电路电感为1.9mH,变流器开关频率为10kHz；负载为典型的非线性负载不可控三相整流桥。

图4(a)、(b)、(c)分别为系统在不同光照强度下的电网A相电流波形。

图4(a)，0.5s后进行有源滤波，由图可知在光照很强时，光伏阵列可以转化出大量的电能，提供给负载，其中一部分用以补偿系统的谐波和无功，其余电能均以有功的形式供负载使用。由于负载所需电能大部分可由光伏阵列提供，电网所需要提供电能很少，电网电流波形急剧下降，如图4(a)所示。从图4(b)可知，从图中可以看出，0.05s后电流波形近乎一个标准的正弦波形，说明负载侧的谐波和无功得到了补偿；0.05s之后由于光伏阵列所能提供电能较之谐波和无功补偿需求量有剩余，多余电能以有功形式供给负载使用，因此电网所需提供的有功电能减少，电流幅值略有下降。图4(c)在0.04s时合上开关。由于无光照，则系统是典型的APF系统，系统的容量用于完全补偿系统谐波和无功分量；由于补偿的电流来源于电网，电网电流会略微增大。因此，从以上仿真结果分析可知，系统能够根据光照的强度变换，准确判断系统的剩余容量，并据此决定光伏并网和有源滤波功能，验证了所提控制策略的正确性。

图4　不同光照强度下电网A相电流波形

图5(a)～(d)分别为系统单独补偿无功、特定次谐波(5、7、11次)、特定次谐波补偿前后FFT柱状图、同时补偿谐波和无功时电网A相电流波形图。

图5　系统分别补偿各物理量时电网A相电压电流波形图

从图5(a)可知，当0.06s合上系统开关后，系统的谐波含量基本不发生变化，但是系统的电流波形较之前明显前移，系统的功率因数由0.84提高到0.923；从图5(b)、(c)可知，系统的特定次谐波含量明显降低；图5(d)可以看出，0.06s后电网电流波形类似于标准的正弦波，系统的谐波含量由17.6%降低为3.8%，功率因数由0.84提高至0.94。综上，图5说明系统能够单独补偿总谐波、特定次谐波和无功功率，验证了所提控制策略的有效性。

4结束语

本文提出一种新的基于LCL的两极式三相光伏并网与有源滤波的统一控制策略。指令电流的计算时，根据逆变器剩余容量的大小，优先补偿谐波和无功电流中偏离国家电能指标较大一方，且当总谐波含量和奇次谐波含量同时不满足国标时，优先消除危害性较大的奇次谐波，实现谐波和无功的最优化补偿提高电网电能质量，充分利用装置容量，提高电网电能质量。仿真验证了该策略的有效性和可行性。不足之处是，谐波检测时需要使用低通滤波器，其对谐波检测具有一定的延迟，本文在应用时没有考虑其对系统的影响。

参考文献

[1]金海,梁星星. 具有有源电力滤波器功能的光伏并网发电系统的研究[J]. 船电技术,2011,31(5):4-7.

[2]周林, 曾意, 郭珂, 等.具有电能质量调节功能的光伏并网系统研究进展[J].电力系统保护与控制, 2012, 40(9):137-145.

[3]汪海宁,苏建徽,张国荣,等.具有无功功率补偿和谐波抑制的光伏并网功率调节器控制研究[J].太阳能学报,2006,27(6):540-545.

[4]杜春水, 张承慧, 刘鑫正, 等. 带有源滤波功能的三相光伏并网发电系统控制策略[J]. 电工技术学报, 2009, 25(9): 163-169.

[5]张国荣,齐国虎,苏建徽，等.并联型有源电力滤波器输出电感选择的新方法[J].中国电机工程学报,2010,30(6):22-27.

[6]吴春华,王建明, 陈卫民, 等. 单相光伏并网与有源滤波的统一控制[J].电工技术学报, 2011, 26(10):103-109.

[7]张兴,曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社,2010.

[8]周林,武剑,栗秋华，等.光伏阵列最大功率跟踪控制方法综述[J].高电压技术,2008，34(6)：1145-1154.

[9]Liserre M, ell’ Aquila A D, Blabjerg F. Genetic algorithm-based design of the active damping for an LCL-filter three-phase active rectifier [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(1): 76-86.

[10]刘飞, 查晓明, 段善旭. 三相并网逆变器 LCL 滤波器的参数设计与研究[J]. 电工技术学报, 2010, 25(3):110-116.

[11]王群,姚为正,王兆安.低通滤波器对谐波检测电路的影响[J].西安交通大学学报,1999,33(4):5-9.

[12]Akagi H, Kanazawa Y Nabae A. Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits[C]//IEEE & JIEE. Proceedings IPEC. Tokyo: IEEE, 1983:1375-1386.

张杰(1972—)，男，博士，副教授，研究方向为光伏发电技术与电能质量控制，E-mail: 274870985@qq.com；

郭晓霞(1990—)，女，硕士研究生，研究方向为光伏并网发电技术, E-mail: 1034023126@qq.com；

赵威(1987—)，男，硕士研究生，研究方向为光伏并网发电技术与电能质量控制, E-mail: 506680117@qq.com。

(责任编辑：杨秋霞)

摘要：提出一种将光伏并网与有源滤波统一控制的新型控制策略。以分布式小容量并网逆变器为研究对象，基于瞬时无功功率理论进行谐波和无功电流检测，采用SPWM电流矢量控制技术，在MATLANB/SIMULINK中对所提控制策略进行了仿真验证。仿真结果表明，该控制策略能够在保证系统以最大功率并网的同时，充分利用逆变器容量，实现负载总谐波、特定次谐波和无功电流的最佳补偿，从而提高设备利用率，改善电网电能质量。

关键词：光伏并网；有源滤波；谐波检测；电能质量；LCL滤波器

Abstract：A new strategy for unified control of grid-connected photovoltaic and active power filter is presented. Taking a distributed small-capacity inverter as the research object, the harmonic and reactive power current are detected based on the theory of instantaneous reactive power. By using SPWM current vector control technology, the proposed control strategy is simulated and verified in the MATLANB/SIMULINK simulation environment. The simulation results show that the control strategy can guarantee the grid-connected system with maximum power, make full use of the inverter capacity, and realize such functions as the load harmonic, specific harmonic elimination and optimal reactive compensation, which improve the utilization of equipment and power quality.

Keywords：grid-connected photovoltaic; APF; harmonic detection; power quality; LCL filter

作者简介：

收稿日期：2014-07-04

基金项目：湖北省自然科学基金重点项目(2010CDA018)

文章编号：1007-2322(2015)01-0064-06

文献标志码：A

中图分类号：TM615