光伏并网逆变器对台区供电质量的谐波影响量分析与消除研究

张银行

（河南森源电气股份有限公司，河南郑州，450000）

0 引言

光伏并网逆变器的输出谐波包含有低次谐波、高次谐波。低次谐波出现的原因较为错综复杂，当逆变器输出高次谐波含量比较高时，其开关管的开断频率也就相对比较低，光伏电站的出力也就越大。当光伏并网逆变器阵列输出功率信号经过 DC/AC 变换后，其内通常也会掺杂着大量谐波成分，使得并网电流在升压变压器侧端并网时，并网逆变器在不同状态下的输出谐波电流容易在并网点（PCC）处相互叠加，从而导致并网失败。

现有技术对光伏并网发电的分析仍有很多不足之处，比如分析谐波次数不全面，对谐波分析不够准确等。这就有必要针对光伏并网逆变器的谐波影响量进行分析和消除进行研究，下文将详细描述。

1 整体方案设计

在本研究设计中，在光伏并网逆变器中接入谐波补偿装置，通过该装置过滤并网中的电流谐波含量，使得并网中输出较为纯净的电能参数，图1为光伏并网逆变器拓扑结构示意图。

在图1中，PV表示光伏并网逆变器阵列，其能够将太阳光照或者其他光照、辐射转换成电能，并且能够使用最大功率点进行跟踪、控制，以便使得光伏电池板的利用率达到最大，光伏并网逆变器输出信号通过逆变器进行信号转换，使得直流电压转变为交流电压。然后通过逆变器控制回路，通过将电网电压和直流侧的电压达到并网要求后，进而实现并网。

图1 光伏并网逆变器拓扑结构示意图

在谐波分析架构设计中，其主要包括计算机管理系统、总控中心、A/D转换单元、DSP计算单元、谐波检测装置。在本系统设计中，PV阵列的输出信号输入至谐波检测装置，通过谐波检测装置检测输出的谐波信号。在电网运行过程中，引起电压畸变的因素包括很多种，诸如3次至9次谐波、11次至15次谐波、17次至21次谐波、23次至33次谐波等，引起电压畸变的谐波影响量还有5次负序谐波（较大量）、7次正序谐波，其中并网中电流谐波含量比较多的也有负序5次谐波和正序7次谐波，在设计时，基于上述分析，设计出如图2所示的光伏并网逆变器谐波控制架构图。

图2 光伏并网逆变器谐波控制架构图

在本系统设计中，DSP计算单元采用TI公司的DSP2812，将其作为中央处理的核心控制芯片。并且采用Xilinx CPLD XC9572XL作为数字锁相和保护电路，其中XC9572XL的内核电压为3.3V，其组成模块包含4个54V18功能模块，能够提供1600个5ns延迟可用门。在本技术方案设计中，通过谐波检测装置检测PV阵列中的输出信号，然后通过A/D转换单元将模拟信号转换为数据信号，DSP计算单元接收A/D转换单元转换得出的数字信号，通过DSP控制单元计算、处理。DSP控制单元对采集到的谐波数据进行计算、分析，然后总控中心根据计算得出的结果进行控制，并将控制指令通过计算机控制系统进行信息交互，下文将详细介绍谐波检测、控制方法。

2 谐波控制方法

根据计算出的谐波含量情况来对不同波段的谐波进行控制。出于抑制并网逆变器中输出电流内所带有的谐波成分的目的，本研究采用了组合谐波抑制方式，即使电网电压前馈控制与多谐振控制进行结合起来，这种结合的方式能够使并网电流中的谐波含量最大程度地降低，进而提升光伏并网逆变器运行中的谐波干扰，控制结构如图3所示。下面对控制方法进行说明。

图3 电网电压前馈控制框图

其中，图3中多谐振控制的方框1的表达式可以记作为：

图3中多谐振控制的方框2的表达式可以记作为：

图3中多谐振控制的方框3的表达式可以记作为：

在本研究中，通过采用电网电压前馈控制，电网电压、电流、谐波等信息量能够被前馈到并网逆变器中的 PR 控制器中。通过调制并驱动电网并网中的不同信号，大大减少并网逆变器输出电网电压所含的谐波成分，可以避免电网电压中的背景谐波的干扰，使得并网电能质量大大提高，在采用该方式进行控制时，该系统容易出现数字延时现象，在并网中，数字控制延时和多谐振控制均有可能对并网系统的稳定性、动静态性造成影响，在对组合谐波抑制方法下，本技术方案的闭环系统传递函数在输出阻抗特性时，有必要分析并网系统开环幅频特性和相频特性。图4是一种开环 Bode 图，该图是通过数字控制延时一级多谐振控制时，通过并网逆变器系统输出的图示。

图4 数字延时和多谐振控制下并网系统开环伯德图

通过图4可以看到，电网电压完全前馈控制能够有效地抑制并网逆变器低次谐波附近的输出阻抗幅值。在多谐振控制中，主要集中在个别特定谐波频率附近，尤其是在该附近表现出高阻抗的特性，这种方式抑制低次谐波的干扰的效果比较明显。尤其单独、采用电网电压前馈控制或多谐振控制的情况下，采用组合谐波抑制方法在抑制电网背景谐波电压扰动以及逆变器的输出谐波方面表现为突出。在数字控制延时的情况下，本技术方案的多谐振控制能够对3、5、7、9 次谐波电流实现快速跟踪并抑制，使得光伏电站的并网电能质量得到很好的控制。

在本研究中，逆变器的选择也是有要求的，其选择依据是对输出电流谐波含量的限制情况，根据GB/T 19939-2005 标准，按照光伏并网系统电流畸变限制的要求来选择，

其中相关标准奇次谐波电流畸变限制值如下：奇次谐波3次至9次谐波时，畸变限值小于4.0%，11次至15次谐波、17次至21次谐波和23次至33次谐波时，畸变限值小于2.0%。

根据上述的标准值参考谐波含量情况，在选用的PR控制器中，其指定的频率点包含有比较大的增益，在实现个别频率的无静差跟踪方面，具有突出的显示效果，使得控制的稳态精度较高，利用传递函数，则可以采用下面公式来表示：

在本文设计中，Kp为比例增益，KR为峰值增益，ωc与带宽相关，在该控制器系统，控制的参数为：Kp=6，KR=41，ωc=21。

3 结束语

在光伏并网逆变器在发电时，其产生大量的不同波次的谐波将消耗大量的电能。本文针对该问题，设计出一种谐波检测方法和控制策略，通过谐波检测装置能够快速实现3、5、7、9 次谐波的检测，并且通过谐波控制装置对其快速跟踪和抑制，使光伏并网逆变器的电能质量得到很好的控制。本文最后通过在实验室Matlab/Simulink环境下建立系统拓扑构架进行试验，通过试验，电网中的电流谐波含量大大降低，从而消除了电网谐波对负载光伏并网逆变器的影响，因此，仿真结果验证了理论分析，本技术方案具有一定的实用价值和科研价值。