1.引言

隨著全球能源緊缺和安全問題日益突出，利用可再生能源引起廣泛重視。目前新能源的主要研究在于太陽能和風(fēng)能利用上面。本文基于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)难芯?。根?jù)光伏并網(wǎng)逆變器主電路的特點(diǎn)，將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無功補(bǔ)償、有源濾波相結(jié)合，進(jìn)而提高電網(wǎng)供電能力和質(zhì)量，并減少線路損耗。

在有源濾波器工作原理基礎(chǔ)上，根據(jù)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)，提出將無功補(bǔ)償和諧波與并網(wǎng)發(fā)電統(tǒng)一控制思想，并對(duì)其控制思想詳細(xì)的分析。光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)提供有功功率，也可進(jìn)行無功補(bǔ)償，用于抑制諧波的有源濾波器(APF)。

2.有源濾波器

2.1有源電力濾波器的基本原理

如圖1所示，并聯(lián)型有源濾波器構(gòu)成的原理圖。圖中負(fù)載為諧波源，AC為交流電源。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即補(bǔ)償電流發(fā)生模塊和指令電流運(yùn)算模塊[1]。其中指令電流運(yùn)算模塊的核心是檢測補(bǔ)償對(duì)象電流中無功功率和諧波等電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生模塊的作用是以指令電流運(yùn)算模塊得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際補(bǔ)償電流。主電路均采用PWM變流器。

                     圖1有源濾波器的結(jié)構(gòu)框圖

圖1所示，有源電力濾波器基本工作原理是:負(fù)載電流iL和檢測電源電流iS，經(jīng)指令電流運(yùn)算模塊得出補(bǔ)償電流指令信號(hào)i*C，該信號(hào)經(jīng)過補(bǔ)償電流放大，得出補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流與負(fù)載中需補(bǔ)償?shù)闹C波和無功等電流抵消，最終將得到期望的電源電流。

如果要求有源濾波器在補(bǔ)償諧波同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，則在補(bǔ)償電流的指令信號(hào)i*C中增加與負(fù)載的電流iL的基波無功分量反極性的成分。這樣補(bǔ)償電流與負(fù)載電流iL中諧波及無功成分相抵消，電源電流iS為負(fù)載電流iL的基波有功分量[2-4]。

圖2并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)控制流程圖圖2是并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)流程圖，GI(S)是指令電流運(yùn)算傳遞函數(shù)。當(dāng)有源電力濾波器補(bǔ)償只針對(duì)諧波時(shí)，將輸入電流的基波分量完全除去，而輸入電流中諧波分量放大倍數(shù)為-1。GA(S)是補(bǔ)償電流發(fā)生器傳遞函數(shù)，可作為一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的一階慣性環(huán)節(jié)。

在這控制方式中，指令電流的信號(hào)主要來源負(fù)載電流，在其作用下可對(duì)負(fù)載中諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。電源電流和校正環(huán)節(jié)G(S)作用主要是抑制電網(wǎng)阻抗和HPF之間的諧振。因電源電流閉環(huán)并且不承擔(dān)補(bǔ)償諧波電流的主要任務(wù)，所以G(S)放大倍數(shù)不大，可以使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。我們可以得出系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下：

（1-1）

2.2有源電力濾波器的補(bǔ)償原理

2.2.1諧波分析

供電系統(tǒng)中通常期望交流電壓和電流呈正弦波形。設(shè)正弦波電壓為:

（2-1）

當(dāng)正弦波電壓加在線性無源電阻、電感和電容上，其電壓和電流分別為比例積分和微分關(guān)系，仍為同頻率正弦波。當(dāng)正弦波電壓加在非線性電路時(shí)，電流變?yōu)榉钦也?，非正弦電流加在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使負(fù)載端電壓波形變?yōu)榉钦也ā．?dāng)然非正弦電壓施加線性電路上，電流也呈非正弦波。對(duì)于周期為T=2π/ω的非正弦電流i(ωt)，一般滿足狄里赫利條件可分解為如下形式的傅立葉級(jí)數(shù)：

（2-2）

在式(2-2)傅立葉級(jí)數(shù)中，頻率與工頻相同的分量被稱為基波。諧波就是頻率大于基波頻率整數(shù)倍的分量，諧波次數(shù)是諧波頻率與基波頻率之比。電流諧波總畸變率反映了電力系統(tǒng)諧波的大小。

（2-3）

IH、I1分別為諧波電流有效值和基波電流有效值。國家標(biāo)準(zhǔn)要求THDi≤5%。

2.2.2無功功率分析

正弦電路中，電路的有功功率為其平均功率，即：

（2-4）

其功率因數(shù)λ定義為有功功率P與視在功率S的比值：

（2-5）

此時(shí)有功功率P、無功功率Q、視在功率S的關(guān)系:

（2-6）

在非正弦情況下，引入畸變功率D，使得:

（2-7）

當(dāng)電壓為正弦波諧波時(shí):

（2-8）

這種情況下，Qf為基波電流產(chǎn)生的無功功率，D為諧波電流產(chǎn)生的無功功率。對(duì)于含諧波非正弦電路，功率因數(shù)為:

（2-9）

其中，γ為基波因數(shù)，cosφ1為位移因數(shù)[2]。

2.2.3有源電力濾波器的補(bǔ)償

有源濾波器的實(shí)質(zhì)為一個(gè)波形發(fā)生器，可產(chǎn)生任意波形。通過一定算法檢測負(fù)荷側(cè)所需的諧波電流。就發(fā)出相應(yīng)諧波電流，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。?jīng)補(bǔ)償系統(tǒng)電流iS，將接近正弦波。本文理論基礎(chǔ)是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖疊加在具有慣性環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積；效果相同指環(huán)節(jié)輸出響應(yīng)波形基本相同。通過計(jì)算將得到的補(bǔ)償諧波分量對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行PWM調(diào)制來控制開關(guān)的通斷，從而在逆變器電路的輸出端得到一組不等寬而等幅的矩形脈沖波形，經(jīng)出口濾波后即得實(shí)際補(bǔ)償電流。這就是補(bǔ)償?shù)幕驹韀5-7]。

有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖如圖3所示，圖中us為交流電源，負(fù)載為諧波源，其產(chǎn)生諧波和消耗無功功率。全控型電力電子元件組成有源電力濾波器。

圖3中，電源電壓為：

（2-10）

負(fù)載電流為：

（2-11）

圖3有源濾波器原理圖

iLp(ωt)為電流基波、iLh(ωt)為電流高次諧波、iLq(ωt)為電流無功分量。有源濾波器的輸出電流滿足：

（2-12）

負(fù)載電流與此電流相位差180度，因此補(bǔ)償后負(fù)載電流為：

（2-13）

這樣電網(wǎng)只提供負(fù)載的基波有功電流，達(dá)到補(bǔ)償無功功率和消除諧波目的。

3光伏系統(tǒng)的諧波和無功補(bǔ)償

3.1無功和諧波電流的檢測

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一是諧波電流和無功的檢測。最早的諧波電流的檢測方法是采用模擬電路實(shí)現(xiàn)的。這種方法對(duì)電路元件參數(shù)和電網(wǎng)頻率波動(dòng)十分敏感，而周期電流相位無功電流的檢測方法由其較長時(shí)間的延遲，不能檢測電流中的諧波，而不適應(yīng)快速反應(yīng)的光伏系統(tǒng)?；谥C波理論的檢測方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法和自適應(yīng)檢測方法，這些方法較少被應(yīng)用于實(shí)際工程中。

三相電路來說,得到公認(rèn)的無功和諧波電流檢測方法,已經(jīng)在三相APF中獲得了成功的應(yīng)用。但對(duì)于單相電路,有許多諧波檢測方法,但存在一些問題。鑒于此現(xiàn)狀,找到一種電路結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)單相電路的諧波檢測方法。為此我們提出一種新的單相電路諧波和無功電流實(shí)時(shí)檢測方法[8]。

3.1.1方法的基本理論

設(shè)電源電壓是一個(gè)純正弦波形,它表示為：

（3-1）

其中Usm是電源電壓的振幅，電源頻率是f（f=50Hz），通過傅立葉級(jí)數(shù)，非正弦畸變電流iD被表示為如下：

（3-2）

式中，i1是基波電流分量，ih是高次諧波分量組成的諧波電流分量，φ1為Us和i1之間的相位差，φn是Us和各諧波電流之間的相位差。如使APF只補(bǔ)償，進(jìn)一步可把i1分解成：

（3-3）

i1p是與Us同相位的基波有功電流分量,i1q為與Us正交的基波無功電流分量。所以式(3-2)也可表示為：

（3-4）

如使APF只補(bǔ)償基波無功，檢測出i1q。如使APF同時(shí)補(bǔ)償i1q和ih，檢測出i1q和ih之和。

3.1.2方法的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于瞬時(shí)無功功率理論三相諧波電流檢測方法[9]，關(guān)鍵是通過sinωt和cosωt，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，對(duì)畸變電流分解為直流、交流分量，再用低通濾波器分離開來。我們?cè)趩蜗嚯娐分袑?duì)畸變電流類似的運(yùn)算，給式(3-4)兩端分別乘2sinωt,利用三角函數(shù)有關(guān)特性得：

（3-5）

式中最后一項(xiàng)有最低頻率為ω,式(3-5)由交、直流分量兩部分組成。通過一低通濾波器(LPF)把它分離出來,再與sinωt相乘得到i1p。

同理式(3-4)兩端分別乘2cosωt,利用三角函數(shù)特性得：

（3-6）

式(3-6)的頻率與式(3-5)一樣,由交、直流分量兩部分組成。直流分量為I1qm。通過一個(gè)LPF把它分離出來,與cosωt相乘,得到i1q。i1p和i1q得到后,代入式(4-17)就能得i1。利用式(3-4)得到ih，利用式(3-6)即得i1p+ih等電流分量。

根據(jù)以上運(yùn)算過程,得到一種單相電路無功和諧波電流的檢測方法。其電路構(gòu)成如圖4所示。其中PLL為鎖相環(huán)電路[10-14],如Us沒有畸變正弦波,也可省去PLL。此時(shí)通過一個(gè)比例放大器得sinωt,然后由一個(gè)90°相移電路得cosωt。電路輸入信號(hào)可以是檢測的任何畸變電流。對(duì)APF采用的控制方式，其可以是負(fù)載電流與電源電流或負(fù)載電流與電源電流的組合。圖4電路的輸出電流為i*c,APF為該電路時(shí)，i*c用作諧波電流補(bǔ)償?shù)膮⒖夹盘?hào)。

圖4諧波和無功電流檢測電路

3.1.3特性分析

圖4表明單相電路的無功和諧波電流檢測方法，其電路結(jié)構(gòu)很簡單。它只需要4個(gè)乘法器、兩個(gè)LPF和兩個(gè)加(減)法器。由于所用元件類型與它完全一樣，提出諧波和無功電流檢測方法也是一種實(shí)時(shí)檢測方法。

圖4可以檢測出iD中的任何一個(gè)分量。從電路的輸出端2檢測出i1,輸出端1得到的是ih。斷開i1q支路,在輸出端2能檢測i1p,此時(shí)輸出端1得到的是ih與i1q之和。如斷開i1p支路,在輸出端2可檢測出i1q。根據(jù)這一點(diǎn),APF采用本文單相電路無功和諧波電流檢測方法,可單獨(dú)補(bǔ)償諧波或基波無功,同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功兩部分。

固定頻率濾波器的相移和元件參數(shù)變化引起頻率漂移問題。本文提出的電路中，由于其分離出一個(gè)直流分量,只要選擇遠(yuǎn)離電源頻率LPF截止頻率，電路性能基本不受LPF的相移影響,也不受LPF參數(shù)變化所引起頻率漂移的影響。

如電源電壓有畸變,此時(shí)在圖4電路中，通過PLL和正余弦信號(hào)發(fā)生電路得正余弦信號(hào)應(yīng)，而i1q是與Us的基波分量正交。從式(3-5)到(3-6)的計(jì)算過程不變，Us畸變不會(huì)給檢測電路影響。如電源頻率發(fā)生漂移，由于正余弦信號(hào)和iD中的i1和各次諧波的頻率也會(huì)同步發(fā)生變化。

如把圖4電路中的兩個(gè)LPF換成在一個(gè)周期中進(jìn)行定積分運(yùn)算的兩個(gè)積分器,就能得到另一種無功和諧波電流檢測電路。

3.2系統(tǒng)諧波和無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?/strong>