摘要：針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)目前所面臨的設備利用率較低、電力系統(tǒng)諧波污染嚴重等問題，探討了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與APF統(tǒng)一控制。分析兩者實施統(tǒng)一控制的系統(tǒng)結構與控制策略，使系統(tǒng)不僅具有光伏并網(wǎng)發(fā)電功能，同時還能夠對系統(tǒng)諧波進行補償。分析了基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法和具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中并網(wǎng)電流指令信號的合成方法。采用電壓電流雙閉環(huán)PI控制，實現(xiàn)對并網(wǎng)指令信號中有功基波信號無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤控制，并對特定次諧波進行補償。最后，通過MATLAB/Simulink對具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行仿真，驗證了系統(tǒng)結構、參數(shù)設計及控制策略的正確性與有效性。

1引言

用戶分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電已成為太陽能利用的主要方式之一，然而光伏逆變器只有在光伏電池板輸出能力達到一定值時，系統(tǒng)才并網(wǎng)工作，當日照強度很低或晚上時，整個系統(tǒng)必須切離電網(wǎng)，設備利用率大大降低。隨著我國工業(yè)化進程的加快，非線性用電設備大量使用，由這些負載產(chǎn)生的無功和諧波電流對公共電網(wǎng)的危害日益嚴重。通過對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和有源濾波器（ActivePowerFilter,APF）的拓撲結構及控制方式的綜合，將其兩者的統(tǒng)一控制現(xiàn)光伏發(fā)電和APF的一體化。將光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電功能與APF的諧波補償功能相結合，使其具備光伏并網(wǎng)發(fā)電與諧波補償?shù)碾p重功能。從而改善電網(wǎng)電能質量，節(jié)約了相設備投資成本，提高了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)裝置的利用率。白天逆變器既實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電，也實現(xiàn)APF功能，在光照強度低或者夜間時還可以繼續(xù)作為APF工作。這樣不僅提高了設備的利用率，也改善了電網(wǎng)的供電質量，避免了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的頻繁投切而造成控制困難的問題。

2系統(tǒng)電路結構

由于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與APF的基本結構與關鍵控制技術是相似的，因此目前已有學者研究二者的統(tǒng)一控制技術。將原光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行功能上的延伸，使其具有APF功能，可以有效地抑制諧波問題，實現(xiàn)一機化功能，并且提高了系統(tǒng)的利用率，且不需額外進行投資。

圖1具有APF功能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結構框圖

白天，系統(tǒng)可對太陽能進行最大功率跟蹤，將光伏有功并入電網(wǎng)。當遇到陰雨天氣或夜晚時沒有光照，因此有功功率的輸出為零。系統(tǒng)可直接用作有源濾波器，抑制電力系統(tǒng)中諧波污染，改善電網(wǎng)的供電質量。當光伏陣列工作，但輸出的太陽能有功功率較小時，可以利用并網(wǎng)系統(tǒng)的剩余容量控制逆變器工作在同時進行光伏并網(wǎng)與諧波補償?shù)臓顟B(tài)下。若光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不能提供足夠的容量實現(xiàn)來諧波補償時，可采用相應的控制策略進行協(xié)調，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作。

3系統(tǒng)控制

具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制結構框圖如圖2所示。對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來說是基于坐標變換理論的雙閉環(huán)控制包括電壓外環(huán)與電流內環(huán)。保證直流側母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓是否穩(wěn)定決定著變流器是否能夠正常工作，電壓外環(huán)控制調節(jié)輸出產(chǎn)生電流內環(huán)的給定幅值參考；通過電流內環(huán)完成逆變器輸出并網(wǎng)電流的跟蹤控制，保證電網(wǎng)電流接近正弦波，使其諧波含量與功率因數(shù)符合并網(wǎng)標準。并網(wǎng)指令電流是一個由光伏并網(wǎng)有功指令信號與諧波補償指令信號組成的疊加量，控制系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)光伏并網(wǎng)與有源濾波雙重功能。

圖2具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制圖

3.1諧波電流檢測

圖3 ip-iq法檢測電網(wǎng)諧波電流的檢測流程

3.2并網(wǎng)指令電流合成方法

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)工作時，太陽能有功功率輸出受天氣環(huán)境因素影響而發(fā)生變化，使其具有有源濾波功能后，可以實現(xiàn)對非線性負載的諧波補償功能。當系統(tǒng)需要同時進行光伏有功并網(wǎng)與諧波補償時，要對并網(wǎng)電流進行并網(wǎng)指令電流合成。如圖2所示，具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)檢測出諧波電流，將其與有功指令電流合成后得到并網(wǎng)指令電流信號，控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)同時實現(xiàn)有功并網(wǎng)與諧波補償?shù)碾p重功能。系統(tǒng)將諧波補償指令信號與有功指令信號進行坐標系及相位等信息的統(tǒng)一后，直接相加得到并網(wǎng)電流的指令信號，或直接在諧波檢測的模塊中將有功指令信號與補償信號進行合成，如圖3中虛線所示。有功電流是與電網(wǎng)電壓同步的正弦信號，將電壓調節(jié)器所得信號乘以三相正弦得有功指令信號為：

合成后的并網(wǎng)指令電流信號為：

具有APF的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)指令信號是一個由光伏有功電流與諧波補償電流組成的疊加信號，其關系可簡單表示為：在并網(wǎng)指令電流合成環(huán)節(jié)中加入一個限流器，利用容量限制策略對并網(wǎng)電流進行控制。在限流器中引入補償度系數(shù)k，根據(jù)太陽能有功功率或諧波補償量的變化調節(jié)補償度系數(shù)k，從而保證并網(wǎng)電流不超過其額定范圍。限流器的目的在于利用補償度系數(shù)對并網(wǎng)電流的大小進行調節(jié)，使其峰值小于開關組件允許通過的最大電流，有效值小于額定電流。通過限流器得到補償度系數(shù)的值，可得到系統(tǒng)利用容量限制策略對并網(wǎng)電流進行控制后的表達式：

3.3并網(wǎng)控制

電網(wǎng)電壓定向矢量控制采用雙閉環(huán)級聯(lián)式控制結構：電壓外環(huán)、電流內環(huán)。電壓環(huán)的主要作用是控制直流母線電壓；電流環(huán)則根據(jù)電壓環(huán)給出的電流指令對交流側輸入電流進行控制，并實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。具體為：電網(wǎng)電壓定向矢量控制算法先將電網(wǎng)電壓矢量通過坐標變換由三相靜止坐標系變換到兩相靜止垂直坐標系，再由兩相靜止垂直坐標系變換到兩相同步旋轉坐標系，將同步旋轉坐標系的d軸按電網(wǎng)電壓矢量E定向。并網(wǎng)側變換器交流側電流矢量i的d軸分量即為有功電流，q軸分量為無功電流。將此無功電流分量的參考值設為0即可實現(xiàn)網(wǎng)側單位功率因數(shù)運行。

網(wǎng)側變換器交流側電流的dq分量存在著相互耦合，難以實現(xiàn)網(wǎng)側電流矢量的dq軸分量單獨控制，采用前饋解耦控制策略。如圖4所示，網(wǎng)側電流dq分量具有對稱性，控制器可以使用相同的參數(shù)，因此控制器設計可以只考慮其中一個。PI調節(jié)器的輸出補償了交流側電感上的電壓降；控制器采用電流dq分量的解耦項抵消了實際系統(tǒng)中兩個分量的交叉耦合項，電網(wǎng)電壓的前饋分量抵消了實際系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓的影響。

圖4為光伏并網(wǎng)變換器電流環(huán)控制結構框圖

解耦后的控制結構框圖如圖5所示。此時的被控對象簡化為交流側電感，控制量為流過電感的電流。PI控制器輸出是加在電感上的電壓，的取值直接決定了電流偏差出現(xiàn)瞬間，將要加在電感上的電壓大小，而進入穩(wěn)態(tài)的時候PI控制器輸出部分由控制器的積分部分決定。

圖5為光伏并網(wǎng)變換器電流環(huán)控制簡化結構框圖

電流環(huán)的參考信號由經(jīng)過MPPT算法的電壓環(huán)PI控制器的輸出和前饋信號兩部分組成。起始階段，母線電壓較小，電壓PI控制器輸入偏差比較大，其輸出占電流環(huán)參考的絕大部分；當電壓PI控制器輸出達到限幅值之后，隨著母線電壓的升高，電流環(huán)參考因前饋信號的增大而繼續(xù)增加，達到電流環(huán)參考的限幅值；當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，PI控制器輸出幾乎為零，前饋信號分量作為電流環(huán)的參考，系統(tǒng)對擾動和電網(wǎng)電壓的波動具有了很好的抗干擾能力。

4、系統(tǒng)仿真與分析

當系統(tǒng)即需要進行光伏有功并網(wǎng)，又需要對非線性負載產(chǎn)生的諧波進行補償時，需要實現(xiàn)光伏并網(wǎng)與APF的雙重功能。

圖6光伏并網(wǎng)與諧波補償仿真波形

圖6中為系統(tǒng)同時進行光伏并網(wǎng)與諧波補償時的波形圖，此時并網(wǎng)電流指令信號的波形i*c介于正弦波與諧波補償信號之間，說明指令信號中既包含有功分量，也包含了諧波補償信號。電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流相位相反且波形已經(jīng)基本接近正弦波，說明并網(wǎng)逆變器在將光伏有功功率注入電網(wǎng)同時也對由非線性負載產(chǎn)生的諧波電流進行補償，驗證了具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)有功并網(wǎng)與諧波補償?shù)碾p重功能。

5結束語

傳統(tǒng)能源的短缺使得新能源開發(fā)迫在眉睫，太陽能以其綠色無污染的特點成為新的研究熱點。同時非線性負載的大量使用導致電力系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重的諧波污染，有源濾波器能夠有效抑制電力諧波，是解決諧波污染最具前景的一種手段。本文通過對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與有源濾波器的分析，研究具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)目前所面臨的設備利用率較低、電力系統(tǒng)諧波污染嚴重等問題，探討了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與APF統(tǒng)一控制一體化設計的可行性與意義，使系統(tǒng)不僅具有光伏并網(wǎng)發(fā)電功能，同時還能夠對系統(tǒng)諧波進行補償。對具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行了系統(tǒng)仿真研究，驗證了系統(tǒng)及控制策略的可行性與正確性。