帶有源電力濾波功能的三相光伏并網發電系統控制策略

杜春水 張承慧 劉鑫正 陳阿蓮

（山東大學控制科學與工程學院 濟南 250061）

帶有源電力濾波功能的三相光伏并網發電系統控制策略

杜春水 張承慧 劉鑫正 陳阿蓮

（山東大學控制科學與工程學院 濟南 250061）

針對光伏并網發電逆變器由于晝夜、天氣陰晴變化導致其利用率低的問題，提出了一種基于負載類型辨識和考慮負載輕重的三相光伏并網發電和有源電力濾波統一控制策略，并給出了指令電流合成方法。該策略在保證最大光伏電能并網的同時，實現了對負載諧波與無功電流的最佳補償，尤其輕載時無需諧波電流檢測，極大地提高了系統的響應速度。該系統基于DC/DC/AC高頻鏈電路結構，克服了傳統光伏并網發電系統中工頻變壓器耗材嚴重的不足。用Matlab/Simulink對提出的控制策略進行建模仿真，實驗結果證明了該策略的有效性。

光伏并網發電 有源電力濾波 諧波檢測 負載類型辨識 限幅算法

1 引言

光伏發電是當前國內外最具發展前景的新能源發電形式之一，而并網發電已成為規模化光伏利用的主要發展趨勢[1-3]。由于晝夜交替和天氣陰晴變化，導致了光伏發電的間歇性和逆變器容量的利用率低等問題。而并聯型有源電力濾波器與并網逆變器的主電路結構是一致的，為充分利用逆變器容量，節約用戶的投資成本，因此具有有源電力濾波功能的光伏并網發電系統的控制策略越來越受到國內外專家學者的重視[4-8]。

在光伏并網發電與有源濾波統一控制策略的報道中，較少考慮負載的實際工況，且其逆變器大多采用單級 DC/AC結構[6-8]。而目前國際上要求較大功率光伏并網逆變器必須采用變壓器隔離。因此，一般還需要增加工頻變壓器隔離。這不但增加了設備體積和系統成本，而且限制了諧波補償的帶寬。由于光伏逆變器開關器件的額定電流余量有限，往往不能實現對并網處負載的諧波和無功電流全補償，因此需要對諧波和無功電流限幅。雖有文獻討論不同負載類型時，諧波限幅算法對諧波抑制的影響，但其負載類型辨識以及諧波檢測算法[5]，僅限于DC/AC結構的單相光伏逆變器，不能直接用于三相光伏并網發電系統。

針對上述問題，本文提出一種基于DC/DC/AC結構具有有源電力濾波功能的三相光伏并網發電系統控制策略。首先利用DC/DC變換器實現對太陽能電池陣列最大功率點跟蹤（Maximum-Power-Point Tracking，MPPT）；然后根據光伏發電功率與電網接入點的負荷情況分析，確定相應的指令電流合成策略。最后用Matlab/Simulink仿真驗證了新穎控制策略的有效性。

2 系統構成及工作原理

基于高頻鏈DC/DC/AC結構的三相光伏并網發電系統總體結構框圖，如圖1所示。

圖1 DC/DC/AC三相光伏并網發電系統結構圖Fig.1 Overall structure diagram of three-phase

DC/DC/AC grid-connected PV generation system

DC/DC部分主要完成光伏電池陣列最大功率跟蹤，并利用高頻鏈技術將低壓波動的直流電轉換成并網逆變器需要的穩定高壓直流電[9-10]。該變換器利用移相式全橋軟開關電路拓撲[9]，提高了系統的效率和功率密度。系統內環通過改變占空比實現跟蹤光伏電池陣列的最大功率點，電壓外環保證后級有源逆變器的直流側電壓恒定。

DC/AC部分采用并聯型有源濾波器三相橋式逆變電路拓撲[11]，輸出并網電流利用LCL型濾波器濾波，消除了工頻變壓器的帶寬限制，提高了系統的動態性能，改善了系統對高次諧波的補償效果。該部分主要完成并網鎖相和逆變輸出電流的閉環跟蹤控制。在逆變器容量允許的范圍內，采用電流滯環控制技術[12]跟蹤合成的電流指令，在保證光伏能量注入電網的同時，補償并網接點的負載諧波和無功電流，改善電能質量。

基于數字信號處理器TMS320F2812的控制器，保證了系統運算處理的實時性和控制策略實現的靈活性。無論光照強弱或在夜間，并網逆變器的容量都能夠得到充分利用，改善了并網處的電能質量。

3 諧波電流檢測算法

諧波電流檢測是有源濾波的重要環節。傳統的諧波檢測方法需要一個周期的電壓、電流數值，有較大延時。而本文利用先進的 ip-iq瞬時無功功率理論實現了三相諧波電流快速檢測[11,13]，其工作原理如圖2所示。

圖2 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測Fig.2 Harmonics current detection based on the theory of instantaneous reactive power

式中 ω —電網角頻率。

將負載電流兩次坐標變換得到有功電流和無功電流，經低通濾波和坐標反變換，可求出負載基波電流則負載諧波電流 ih=為若圖2中無功電流iq=0，則式（1）所得結果為負載諧波和無功電流之和。

在基于瞬時無功功率理論的諧波檢測中，數字低通濾波器[14]性能嚴重影響諧波補償效果。本文綜合考慮濾波效果和系統的快速響應能力，選擇設計參數少，易于 DSP實現的無限沖擊響應二階Butterworth數字低通濾波器。設定采樣頻率fS=20kHz，截止頻率fC=5Hz，設計得到數字低通濾波器的系統函數，其對應的差分方程為

式中 x(n) —第n次采樣值；

x(n?1) —第n?1次采樣值；

x(n?2) —第n?2次采樣值；

y(n) —第n次輸出值；

y(n?1) —第n?1次輸出值；

y(n?2) —第n?2次輸出值；

b0=0.000 000 62，b1=2b0，b2=b0；

a1=?1.997 778 56，a2=0.997 781 02。

由所設計的數字低通濾波器幅頻衰減特性（見圖3）可以看出，直流分量可以完全通過，50Hz的信號幅值按?40dB衰減為原來的1/100，低通特性良好。

圖3 數字低通濾波器幅頻特性Fig.3 Amplitude frequency response of digital low-pass filter

4 負荷分析

為充分利用光伏電能和并網逆變器容量，提高系統的響應速度，實現對負載諧波與無功電流的最佳補償，需按照負荷分析情況采取相應的控制方法，負荷分析包括負載輕重的判斷和負載類型的辨識。

4.1 負載輕重的判斷

負載輕重判斷是將負載基波有功功率Pl和光伏發電功率 PPV進行比較，并根據比較結果決定是否需要檢測負載諧波電流。

負載功率Pl的計算如下：

式中 cos?—功率因數；

Usn，Iln1—電網相電壓有效值、負載基波電

流有效值，n=a，b，c。

光伏陣列的輸出功率是通過最大功率點跟蹤控制獲得，光伏電池陣列的輸出功率PPV為

由于光伏電池輸出功率的不穩定性和負載變化的不確定性，為防止變換器在輕載和重載模式間頻繁切換，在變換器功率波動允許范圍內，選取適當的閾值ΔP≠0，經延時比較判斷負載的輕重。若 Pl＜(PPV?ΔP)

Agilent1260型超高效液相色譜儀、Agilent 6460型三重四極桿質譜儀、AR2140型電子分析天平、MP1100B型電子分析天平、KS-300EI型超聲波、Centrifug-5804R型臺式離心機、Milli-Q型純水儀等。

成立，即視為輕載，否則看作重載。

4.2 負載類型的辨識

一般情況下，線性負載電流只含有電源基波分量，而非線性負載電流則含有基波分量和奇次諧波。對大多三相非線性負載而言，其諧波電流中5次、7次、11次等低次的諧波含量相對較高。如典型三相橋式不控整流負載其 5次諧波含量最大。由此，可以通過判斷負載電流中是否含有指定次數諧波來判定負載的線性或非線性。

由于三相負載電流 il(t)可以表示為基波有功分量、基波無功分量和各次諧波分量之和。以 A相負載電流為例進行分析。

式中，m=1，2，3，…。

由式（1）和式（5）可知，非線性負載電流ila(t)經瞬時無功功率處理后，可得到諧波分量

式中，m=1，2，3，…。

以5次諧波檢測為例說明負載性質辨識方法，即用5倍頻單位正弦分量與ilah(t)相乘，得

式中，m=2，3，…；ΔI5是Δi5(t)

中的常量，且

由式（8）可知，若il(t)中含有5次諧波，則ΔI5是一個非零常量。取一個很小的正常數ε（與電流采樣精度和數字低通濾波器有關），若ΔI5＞ε，說明ila(t)中含有5次諧波，可判定負載為非線性。

同理，可采用7次、11次、13次等多個奇次諧波或者它們的線性組合進行負載類型辨識，不過計算量也相應地增加。

5 指令電流合成

當負載為輕載時，負載所需的基波與諧波電流全由光伏變換器供給，不進行諧波檢測，從而消除諧波檢測延時，提高了系統響應速度；當負載為重載時，即光伏太陽能不能承擔負載所需全部能量，此時變換器在保證最大光伏電能并入電網的同時，按變換器裕量補償電網負載的諧波和無功電流。

由于逆變器開關器件并網電流余量未必大于負載的無功及諧波電流峰值，需進行限幅控制。其主要方法有兩種：一種是電流幅值鉗位算法（Amplitude Clamping Algorithm，ACA），即將參考電流幅值鉗位于開關器件允許的設定值；另一種是幅值定標算法（Amplitude Scaling Algorithm，ASA），即將參考電流按諧波電流線性比例縮小，使其電流峰值等于開關器件允許的設定值。而限幅算法的選擇對負載諧波抑制和無功補償效果影響較大[5]。為了實現對負載諧波與無功電流的最佳補償，在電流控制指令的合成時必須考慮負載類型。

為此，本文提出一種基于負荷分析的指令電流合成方法，其工作原理如圖4所示。

圖4 負荷分析和指令電流合成Fig.4 Load analysis and instruction current synthesis

首先，檢測光伏電池陣列的電壓、電流，實時計算其輸出功率PPV。采用結合DC/DC變換器的電導增量法[15]，獲得最大功率跟蹤點電壓。該電壓與實際直流側電壓進行PID調節控制，將調節器輸出作為光伏并網電流 iP*V的幅值。

其次，通過對負載電流和電網電壓的檢測與鎖相，獲得并網電流的相位和負載有功功率Pl，根據Pl和PPV的大小判定負載輕重。若負載輕載則采用全負載電流反饋，則指令電流=il。

若負載為重載，則先利用瞬時無功理論，根據式（1）求出負載無功和諧波電流ih，然后將其幅值Ihmax與式（9）得出的器件額定電流余量IAMP比較，判斷是否需要負載類型辨識。若Ihmax≤IAMP，則不需負載類型辨識，有=ih；否則需負載類型辨識。

在重載情況下，線性負載應采用諧波電流定標限幅算法；非線性負載宜采用幅值鉗位算法。下面給出不同算法對應的指令電流數學表達式式中 In—逆變器功率開關器件額定電流值；

IP*V—光伏并網電流幅值；

IAMP—開關器件電流定額余量；

Ihmax—三相諧波電流矢量ih的幅值；

iASA(t) —定標限幅算法（ASA）時諧波電流值；iACA(t) —鉗位限幅算法（ACA）時諧波電流值。

綜合輕載和重載兩種情況，最終合成的光伏逆變器并網指令電流由 MPPT指令電流和負載控制電流兩部分組成，其數學表達式為

式中 KL—負載輕載系數；

KH—諧波電流系數；

KACA—鉗位限幅系數，具體取值見表1；

KASA—定標限幅系數，具體取值見表1。

表1 指令電流系數取值Tab.1 coefficients for instruction current

6 仿真研究及分析

三相系統參數為：電網線電壓 380VAC，頻率50Hz，輸出濾波電感為3mH，光伏陣列輸入工作電壓 198～300VDC，DC/DC變換器為逆變器提供直流側電壓，功率器件IGBT的開關頻率為20kHz。

（1）輕載情況仿真實驗。即并網處電網的負荷小于光伏發電功率，此時不需要辨識負載類型。下面以三相橋式不可控整流負載為例進行仿真實驗。

方法一：采用傳統的諧波治理策略。首先利用瞬時無功理論檢測出負載諧波，然后補償，電網只提供負載所需基波分量。如圖5a所示，在0.06s時開始諧波補償，由于數字低通濾波器的作用，需要幾個電源周期才能穩定地進行諧波補償。

方法二：利用本文提出的策略。負載為輕載時，采用負載電流全反饋閉環控制。如圖 5b所示，從0.06s開始，光伏變換器為負載提供所有的能量，消去了諧波檢測延時，明顯提高了系統響應速度。

圖5 輕載時A相電網輸出電流Fig.5 Phase A output current in the case of light loads

（2）重載情況仿真實驗。即并網處負載功率大于光伏發電功率。假定光伏并網指令電流 iP*V變化情況如圖6所示，在0.06～0.12s區間，光照強度較弱；在0.12～0.16s區間，光照變強，光伏并網電流增大，且有Ihmax＞IAMP，需要進行負載類型辨識。

圖6 光伏發電并網電流的變化情況Fig.6 Variety of PV grid-connected current

設定光伏指令電流變化如圖6所示，下面以A相電流為例，對兩種類型的負載分別采用 ASA和ACA算法實驗。圖7為非線性負載諧波治理和并網發電仿真結果，圖8為線性負載諧波治理和并網發電仿真結果。

圖7 非線性負載諧波治理和并網發電仿真結果Fig.7 Simulation results of PV generation and active power filtering for nonlinear load

由圖7a和圖7b可以看出，在0.08～0.12s區間，光伏并網電流小，Ihmax＜IAMP，諧波和無功電流不需限幅，指令電流 ic*波形相同。在0.12～0.16s區間，光伏電流較大，且Ihmax＞IAMP，鉗位限幅和定標限幅后的指令電流波形差別明顯。圖 7c為在0.08～0.12s非限幅區A相電網電流ia，其諧波抑制和無功補償效果良好。圖7d和圖7e為在0.12～0.16s限幅區，分別采用鉗位限幅和定標限幅算法后A相電網電流ia，前者諧波抑制和無功補償效果更好些，具體數據參見表2。

圖8 線性負載諧波治理和并網發電仿真結果Fig.8 Simulation results of PV generation and active power filtering for linear load

由圖8a和圖8c可見，在0.06～0.12s區間，指令電流沒有限幅，兩者的波形相同；在0.12～0.16s區間分別進行定標限幅和鉗位限幅，由限幅區A相電網電流ia波形圖8b和圖8d可以看出，兩者的補償效果差異明顯。

表2 諧波治理前后A相的總諧波含量和功率因數Tab.2 THD and PF of A phase pre and post active power filtering

表2給出了電網A相在不同負載類型、采用不同諧波抑制和無功補償算法時，電網負載諧波治理前后總諧波含量THD和功率因數PF情況。由此可以看出，當三相負載為非線性負載時，采用鉗位限幅補償控制策略，其諧波抑制和無功補償效果更好；當負載為線性負載時，采用ASA算法其諧波抑制效果更佳，補償后的總諧波含量僅是采用 ACA算法時的1/5。

7 結論

（1）與已報道的光伏并網與有源濾波統一控制策略相比，論文提出的統一控制策略是根據負載的輕重與負載類型的不同而合成相應的指令電流，在充分利用并網發電逆變器容量的基礎上，最大程度地改善了諧波抑制和無功補償效果。

（2）論文給出了基于瞬時無功功率理論與三相負載諧波實際情況相結合的負載類型辨識算法，簡單實用，易于工程實現。

（3）該控制策略不僅適合基于高頻鏈技術的DC/DC/AC并網發電系統結構，其核心控制思想和算法還可推廣應用于單級光伏并網發電系統以及大型風力發電并網系統裝置。

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Control Strategy on the Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic Generation System With Shunt Active Power Filter

Du Chunshui Zhang Chenghui Liu Xinzheng Chen Alian
（Shandong University Jinan 250061 China）

The gird-connected photovoltaic (PV) inverters usually operate in low utilization for diurnal variations and weather changes. A new strategy for three-phase grid-connected PV generation systems is proposed, which has the shunt active power filter function. The strategy is based on load-level judgment and load-type identification, whose synthetic methods of instruction current is given. The new strategy not only makes full use of PV power, but also compensates harmonics and reactive currents of the loads very well, especially when the loads are in low level. The system response speed would be improved quickly without harmonics current detection. The new configuration adopts the DC/DC/AC high frequency link main circuits, which overcomes the shortcoming of the power frequency transformer’s serious supplies in the traditional PV gird-connected systems. With the modeling and simulation of the proposed control strategy by Matlab/Simulink, the experimental results show that the control strategy is validated.

Grid-connected PV generator, active power filter, harmonics detection, load-type identification, amplitude-limiting algorithm

TK514; TN713.8

杜春水 男，1973年生，博士研究生，講師，研究方向為并網及獨立運行的光伏發電、有源電力濾波技術。

山東省自主創新重大科技專項計劃（2006ZZ11）。

2009-04-20 改稿日期 2009-12-21

張承慧 男，1963年生，教授，博士生導師，研究方向為工程優化控制、電力電子技術、電機與控制。