摘要：針對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)目前所面臨的設(shè)備利用率較低、電力系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重等問(wèn)題，探討了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與APF統(tǒng)一控制。分析兩者實(shí)施統(tǒng)一控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)還能夠?qū)ο到y(tǒng)諧波進(jìn)行補(bǔ)償。分析了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)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(hào)的合成方法。采用電壓電流雙閉環(huán)PI控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)指令信號(hào)中有功基波信號(hào)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤控制，并對(duì)特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償。最后，通過(guò)MATLAB/Simulink對(duì)具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)及控制策略的正確性與有效性。

1引言

用戶(hù)分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電已成為太陽(yáng)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(dá)到一定值時(shí)，系統(tǒng)才并網(wǎng)工作，當(dāng)日照強(qiáng)度很低或晚上時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)必須切離電網(wǎng)，設(shè)備利用率大大降低。隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，非線性用電設(shè)備大量使用，由這些負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功和諧波電流對(duì)公共電網(wǎng)的危害日益嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和有源濾波器（ActivePowerFilter,APF）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(bǔ)償功能相結(jié)合，使其具備光伏并網(wǎng)發(fā)電與諧波補(bǔ)償?shù)碾p重功能。從而改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，節(jié)約了相設(shè)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(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電，也實(shí)現(xiàn)APF功能，在光照強(qiáng)度低或者夜間時(shí)還可以繼續(xù)作為APF工作。這樣不僅提高了設(shè)備的利用率，也改善了電網(wǎng)的供電質(zhì)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(wèn)題。

2系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

由于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與APF的基本結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵控制技術(shù)是相似的，因此目前已有學(xué)者研究二者的統(tǒng)一控制技術(shù)。將原光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行功能上的延伸，使其具有APF功能，可以有效地抑制諧波問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)一機(jī)化功能，并且提高了系統(tǒng)的利用率，且不需額外進(jìn)行投資。

圖1具有APF功能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

白天，系統(tǒng)可對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行最大功率跟蹤，將光伏有功并入電網(wǎng)。當(dāng)遇到陰雨天氣或夜晚時(shí)沒(méi)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(zhì)量。當(dāng)光伏陣列工作，但輸出的太陽(yáng)能有功功率較小時(shí)，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(shí)進(jìn)行光伏并網(wǎng)與諧波補(bǔ)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(shí)現(xiàn)來(lái)諧波補(bǔ)償時(shí)，可采用相應(yīng)的控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)，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(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是基于坐標(biāo)變換理論的雙閉環(huán)控制包括電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)。保證直流側(cè)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(diào)節(jié)輸出產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的給定幅值參考；通過(guò)電流內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。并網(wǎng)指令電流是一個(gè)由光伏并網(wǎng)有功指令信號(hào)與諧波補(bǔ)償指令信號(hào)組成的疊加量，控制系統(tǒng)能夠同時(shí)實(shí)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(cè)

圖3 ip-iq法檢測(cè)電網(wǎng)諧波電流的檢測(cè)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(shí)，太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)非線性負(fù)載的諧波補(bǔ)償功能。當(dāng)系統(tǒng)需要同時(shí)進(jìn)行光伏有功并網(wǎng)與諧波補(bǔ)償時(shí)，要對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)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(cè)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(hào)，控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功并網(wǎng)與諧波補(bǔ)償?shù)碾p重功能。系統(tǒng)將諧波補(bǔ)償指令信號(hào)與有功指令信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)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(hào)，或直接在諧波檢測(cè)的模塊中將有功指令信號(hào)與補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)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(hào)，將電壓調(diào)節(jié)器所得信號(hào)乘以三相正弦得有功指令信號(hào)為：

合成后的并網(wǎng)指令電流信號(hào)為：

具有APF的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)指令信號(hào)是一個(gè)由光伏有功電流與諧波補(bǔ)償電流組成的疊加信號(hào)，其關(guān)系可簡(jiǎn)單表示為：在并網(wǎng)指令電流合成環(huán)節(jié)中加入一個(gè)限流器，利用容量限制策略對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行控制。在限流器中引入補(bǔ)償度系數(shù)k，根據(jù)太陽(yáng)能有功功率或諧波補(bǔ)償量的變化調(diào)節(jié)補(bǔ)償度系數(shù)k，從而保證并網(wǎng)電流不超過(guò)其額定范圍。限流器的目的在于利用補(bǔ)償度系數(shù)對(duì)并網(wǎng)電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其峰值小于開(kāi)關(guān)組件允許通過(guò)的最大電流，有效值小于額定電流。通過(guò)限流器得到補(bǔ)償度系數(shù)的值，可得到系統(tǒng)利用容量限制策略對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行控制后的表達(dá)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(jí)聯(lián)式控制結(jié)構(gòu)：電壓外環(huán)、電流內(nèi)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(duì)交流側(cè)輸入電流進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)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(guò)坐標(biāo)變換由三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止垂直坐標(biāo)系，再由兩相靜止垂直坐標(biāo)系變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸按電網(wǎng)電壓矢量E定向。并網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電流矢量i的d軸分量即為有功電流，q軸分量為無(wú)功電流。將此無(wú)功電流分量的參考值設(shè)為0即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電流的dq分量存在著相互耦合，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流矢量的dq軸分量單獨(dú)控制，采用前饋解耦控制策略。如圖4所示，網(wǎng)側(cè)電流dq分量具有對(duì)稱(chēng)性，控制器可以使用相同的參數(shù)，因此控制器設(shè)計(jì)可以只考慮其中一個(gè)。PI調(diào)節(jié)器的輸出補(bǔ)償了交流側(cè)電感上的電壓降；控制器采用電流dq分量的解耦項(xiàng)抵消了實(shí)際系統(tǒng)中兩個(gè)分量的交叉耦合項(xiàng)，電網(wǎng)電壓的前饋分量抵消了實(shí)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(jié)構(gòu)框圖

解耦后的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。此時(shí)的被控對(duì)象簡(jiǎn)化為交流側(cè)電感，控制量為流過(guò)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖

電流環(huán)的參考信號(hào)由經(jīng)過(guò)MPPT算法的電壓環(huán)PI控制器的輸出和前饋信號(hào)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(dāng)電壓PI控制器輸出達(dá)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(hào)的增大而繼續(xù)增加，達(dá)到電流環(huán)參考的限幅值；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，PI控制器輸出幾乎為零，前饋信號(hào)分量作為電流環(huán)的參考，系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓的波動(dòng)具有了很好的抗干擾能力。

4、系統(tǒng)仿真與分析

當(dāng)系統(tǒng)即需要進(jìn)行光伏有功并網(wǎng)，又需要對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，需要實(shí)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(bǔ)償仿真波形

圖6中為系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行光伏并網(wǎng)與諧波補(bǔ)償時(shí)的波形圖，此時(shí)并網(wǎng)電流指令信號(hào)的波形i*c介于正弦波與諧波補(bǔ)償信號(hào)之間，說(shuō)明指令信號(hào)中既包含有功分量，也包含了諧波補(bǔ)償信號(hào)。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(shuō)明并網(wǎng)逆變器在將光伏有功功率注入電網(wǎng)同時(shí)也對(duì)由非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，驗(yàn)證了具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功并網(wǎng)與諧波補(bǔ)償?shù)碾p重功能。

5結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)能源的短缺使得新能源開(kāi)發(fā)迫在眉睫，太陽(yáng)能以其綠色無(wú)污染的特點(diǎn)成為新的研究熱點(diǎn)。同時(shí)非線性負(fù)載的大量使用導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)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(guò)對(duì)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(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)目前所面臨的設(shè)備利用率較低、電力系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重等問(wèn)題，探討了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與APF統(tǒng)一控制一體化設(shè)計(jì)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(shí)還能夠?qū)ο到y(tǒng)諧波進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)具有APF功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)及控制策略的可行性與正確性。