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償?shù)难芯?。根?jù)光伏并網(wǎng)逆變器主電路的特點，將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無功補償、有源濾波相結(jié)合，進而提高電網(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，提出將無功補償和諧波與并網(wǎng)發(fā)電統(tǒng)一控制思想，并對其控制思想詳細的分析。光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)提供有功功率，也可進行無功補償，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，即補償電流發(fā)生模塊和指令電流運算模塊[1]。其中指令電流運算模塊的核心是檢測補償對象電流中無功功率和諧波等電流分量。補償電流發(fā)生模塊的作用是以指令電流運算模塊得出補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際補償電流。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:負載電流iL和檢測電源電流iS，經(jīng)指令電流運算模塊得出補償電流指令信號i*C，該信號經(jīng)過補償電流放大，得出補償電流。補償電流與負載中需補償?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償諧波同時補償負載的無功功率，則在補償電流的指令信號i*C中增加與負載的電流iL的基波無功分量反極性的成分。這樣補償電流與負載電流iL中諧波及無功成分相抵消，電源電流iS為負載電流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)是指令電流運算傳遞函數(shù)。當(dāng)有源電力濾波器補償只針對諧波時，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)是補償電流發(fā)生器傳遞函數(shù)，可作為一個時間常數(shù)很小的一階慣性環(huán)節(jié)。

在這控制方式中，指令電流的信號主要來源負載電流，在其作用下可對負載中諧波電流進行補償。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，電流變?yōu)榉钦也ǎ钦译娏骷釉陔娋W(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使負載端電壓波形變?yōu)榉钦也?。?dāng)然非正弦電壓施加線性電路上，電流也呈非正弦波。對于周期為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數(shù)：

（2-2）

在式(2-2)傅立葉級數(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:

（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償

有源濾波器的實質(zhì)為一個波形發(fā)生器，可產(chǎn)生任意波形。通過一定算法檢測負荷側(cè)所需的諧波電流。就發(fā)出相應(yīng)諧波電流，達到補償?shù)哪康?。?jīng)補償系統(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。通過計算將得到的補償諧波分量對補償電流進行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)出口濾波后即得實際補償電流。這就是補償?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）

負載電流與此電流相位差180度，因此補償后負載電流為：

（2-13）

這樣電網(wǎng)只提供負載的基波有功電流，達到補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現(xiàn)的。這種方法對電路元件參數(shù)和電網(wǎng)頻率波動十分敏感，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)用于實際工程中。

三相電路來說,得到公認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時檢測方法[8]。

3.1.1方法的基本理論

設(shè)電源電壓是一個純正弦波形,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只補償，進一步可把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只補償基波無功，檢測出i1q。如使APF同時補償i1q和ih，檢測出i1q和ih之和。

3.1.2方法的實現(xiàn)

對于瞬時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。我們在單相電路中對畸變電流類似的運算，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。此時通過一個比例放大器得sinωt,然后由一個90°相移電路得cosωt。電路輸入信號可以是檢測的任何畸變電流。對APF采用的控制方式，其可以是負載電流與電源電流或負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，i*c用作諧波電流補償?shù)膮⒖夹盘枴?/p>

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個乘法器、兩個LPF和兩個加(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時檢測方法。

圖4可以檢測出iD中的任何一個分量。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,APF采用本文單相電路無功和諧波電流檢測方法,可單獨補償諧波或基波無功,同時補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，由于其分離出一個直流分量,只要選擇遠離電源頻率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,此時在圖4電路中，通過PLL和正余弦信號發(fā)生電路得正余弦信號應(yīng)，而i1q是與Us的基波分量正交。從式(3-5)到(3-6)的計算過程不變，Us畸變不會給檢測電路影響。如電源頻率發(fā)生漂移，由于正余弦信號和iD中的i1和各次諧波的頻率也會同步發(fā)生變化。

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

3.2系統(tǒng)諧波和無功補償?shù)目刂撇呗?/strong>