有源电力滤波与光伏发电的统一控制研究

王天阔，汪泽明（华电电力科学研究院，浙江杭州，310030）

有源电力滤波与光伏发电的统一控制研究

王天阔，汪泽明
（华电电力科学研究院，浙江杭州，310030）

本文提出一种光伏并网发电与有源电力滤波器的统一控制策略，新的系统结构和控制策略在实现光伏并网发电的同时，也能对系统进行无功及谐波补偿，实现一机多能，通过整合资源，降低成本，推动APF和光伏发电技术的共同发展。文中对APF和光伏并网的统一控制原理、新系统结构的演变、系统工作原理和控制策略等进行了详细的分析研究，利用MATLAB/Simulink对提出的APF和光伏发电统一控制系统进行了仿真验证，仿真结果验证了提出的系统结构及控制策略的可行性和正确性。

有源电力滤波器；光伏并网，统一控制；谐波补偿

0　引言

三相光伏并网发电和有源电力滤波都有广阔的前景，同时也面临着或多或少的限制。例如应用成本较高、经济效益低、政策支持不完善等等。APF和光伏并网逆变器均是电压源型逆变器，主体构造基本一致。因此在光伏发电控制系统中，本文将其进行统一控制。系统在晴朗的日间实施光伏并网发电，还可以补偿或抑制电网中的谐波与无功电流；天气不好或夜晚光伏阵列无输出，光伏并网系统可作为APF使用。通过整合资源，高效利用设备，促进光伏发电技术和APF的应用发展。这不仅会推动技术上的共同发展，而且能促进新能源建设、环保和绿色电力的发展。

1　系统结构和工作原理

图1　并联型APF原理图

如图1所示，APF系统由指令电流运算和电流跟踪控制部分组成。图2所示为典型单级光伏并网装置原理图，APF和光伏并网装置在构造、功能和控制方式上是一致的，所以可以对两者实施同时控制。若能够实现统一对其控制，那么一个系统中就可以包含多种功能，对于技术的推广有重大意义。

统一控制系统工作原理简述如下：电流检测部分可以通过相应的算法，检测出非线性负载的谐波和无功电流，生成上述两种补偿指令电流；通过跟踪光伏阵列的最大功率点，最大功率跟踪控制部分生成并网指令电流，归并无功补偿以及并网指令电流，然后使用合适的控制方式，把指令电流通过变流器并网，在实现电流质量的优化的同时也将光伏并网发电。

图2　单级光伏并网系统原理图

新的系统结构如图3所示。统一控制系统在电网发生故障导致停运时，可以把直流侧能量立即供给负载，进而可以保证负载不断电。

图3　统一控制系统原理图

2　变流器的控制策略

电网运行时统一控制系统以并网模式工作，该工作模式下系统同步完成光伏并网发电、无功补偿以及谐波治理，此时变流器以V输入，I输出，使变流器输出电流跟踪给出的的指令电流，该电压源型变流器的控制方式方式为电流控制方式。目前这种控制方式主要有：三角波比较控制、滞环比较控制和无差拍控制等方式。

在非线性闭环电流控制方式中，滞环比较方式使用最广，它通过滞环比较器产生以特定电流为核心的滞环，其变流器的开关动作由反馈电流与给定电流的滞环比较误差来操控。其流程如图4所示。

图4　滞环控制流程图

为验证本文中滞环比较方式的准确性，文章对其进行了仿真研究。图5为非线性负载 相电流电压波形图。

图5　相负载电压电流波形图

仿真时规定在 秒以前，只开展无功及谐波治理， s后加入光伏并网发电。即在 s以前指令电流中仅含有谐波和无功量， s以后的指令电流中，既有无功和谐波分量，又有有功分量。A相指令电流波形如图6所示。图7为A相注入电网电流波形。观察图6和图7可知，变流器的输出电流能有效地跟踪给定的指令电流，可见滞环方式能取得较好的控制效果。

图6　相指令电流波形

图7　相注入电网电流波形

3　仿真结果分析

依据本文所提的光伏并网和APF统一控制策略，通过Simulink对其进行了仿真试验。A相负载电流与电网电流波形如图8所示，通过结果可得，虽然负载电流波形严重畸变，但电网电流波形正弦性较好，说明该系统能较好地实现谐波和无功补偿。

图8 相负载电流与电网电流波形图

图9是A相电源侧电流电流电压波形图， 以前电流电压同相位，说明电源发出有功功率， 以后，电流电压相位相反，说明电源吸收有功功率，也说明此时系统进行光伏并网发电，发出的能量一部分提供给负载，一部分回馈给电网。同时，电流电压的相位关系也说明了指令合成算法的正确性和谐波电流补偿效果的有效性。

图9　相电源侧电流电压波形图

4　结论

文章对APF和光伏并网发电的统一控制构造和控制策略进行了讨论，通过Simulink进行了仿真分析，matlab运行结果表明，基于瞬时无功理论的指令电流合成算法能准确地产生谐波、无功电流和并网电流的合成指令。分析了一种常用的跟踪型PWM控制方法并对该方法进行仿真，结果表明滞环比较控制具有良好的效果，能够满足电流控制的要求。APF和光伏并网发电装置可以进行统一控制，即可达到电流质量治理的目的又能将光伏并网发电，在晚上或天气不好时，光伏阵列无输出，在有源电力滤波模式下才工作，在光照时，光伏阵列有输出，系统可将光伏并网发电，同时也进行有源电力滤波，有力提高设备的效率和性价比。

［1］ 陈文杰.光伏并网的有源电力滤波器的研究［D］.三峡大学，2013.

［2］ 王雪，张建成.可调度型单相光伏并网逆变器控制策略研究［J］.电力系统保护与控制， 2012， 40（16）：95-100.

［3］ 杨伟昕.光伏发电最大功率点跟踪及并网运行［D］. 南京航空航天大学， 2010.

［4］ 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.

［5］ 崔伟.基于有源电力滤波器的光伏发电控制系统研究［J］. 电器工业， 2011（9）：65-70.

［6］ 张铁良.有源电力滤波器与光伏发电的统一控制研究［D］. 合肥工业大学， 2007.

［7］ 叶小军，曾江，王克英，等.并联有源电力滤波器双滞环电流控制策略［J］.电力系统保护与控制， 2009， 37（9）：60-64.

［8］ 魏少华， 王慧贞. 三态调制与两态调制逆变器稳定性浅析及比较［C］// 华东地区电源技术研讨会. 2002.

A Control Strategy of APF and PV Generatio

Wang Tiankuo， Wang Zeming
（CHDER，Hangzhou Zhejiang，310030）

This paper proposed a control strategy of APF and PV generation，the new system structure and control strategy can achieve the function of photovoltaic power generation，and compensate the reactive power and harmonics at the same time，achieving multiple functions in a device，through integrating resources，reducing costs，ultimately promoting the common development of APF and photovoltaic technology.In this paper，the combined control theory of APF and PV grid connected generation，evolution of the new system configuration，work principle and control strategy of the system are researched in detail，the combined system proposed is analyzed and verified by simulation with MATLAB/Simulink，the results of the simulation prove the validity and feasibility of the system and control strategy above.

Active power filter；photovoltaic grid connected；combined control；harmonic compensation

TM615

A

王天阔（1992-），男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师，主要从事发电系统电气专业二次调试、检修、预试相关工作。