光伏發電系統輸出濾波器設計

王蘇英

(廣東省工業技術研究院粉體技術研究中心，廣東 廣州 510650)

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光伏發電系統輸出濾波器設計

王蘇英

(廣東省工業技術研究院粉體技術研究中心，廣東 廣州 510650)

隨著越來越多的分布式能源以及非線性負荷接入電網使得電網中的諧波含量大大增加，對電力系統的穩定造成了嚴重影響，在分析光伏發電系統的結構及與電網連接的輸出濾波器的特性上，對光伏發電系統輸出濾波器進行設計和仿真分析，得出與、濾波器相比，濾波器具有更好的高頻諧波抑制效果，通過仿真證明此結論。

諧波；輸出濾波器；仿真分析

1 引言

隨著全球人口的增長、資源的日益消耗，促使社會經濟發展所需資源量日益增加，目前世界各國電力行業大多采用火力發電、水力發電、核能發電等常規能源，但是對于新能源比如：太陽能、潮汐能、風能等利用還不夠，沒有大規模的應用到電網中。然而常規能源儲量有限，且大部分是不可再生能源，所以，新能源的開發和利用是目前解決能源問題的當務之急。我國能源儲量十分匱乏，煤的儲量只有約81年，全世界約230年，約為世界平均水平的三分之一，其他像天然氣、石油、鈾的儲量也低于世界平均水平。尤其是石油儲量十分匱乏，按照目前開采速度，世界石油的使用年限只有約45年，中國只有15年的使用時間，但太陽能對各國的使用時間是平等的，沒限制的，不會因為使用過多太陽能光照會減少，太陽能可以視為一個取之不盡的能源庫，據目前權威數據顯示，每天達到地面的太陽輻射能約為2.5億桶石油，而且太陽能是一種綠色無污染能源，基本上不會造成任何環境問題。 因此只要能夠充分利用太陽能，太陽能將可能取代傳統常規能源在電力行業中的作用。

2 光伏發電系統

當前，對太陽能的利用主要有太陽能光化利用、太陽能發電利用、太陽能動力利用等，其中太陽能光伏發電被看作是最具潛力的一種。進入21世紀，光伏發電發展迅猛，尤其是近幾年，由于光伏技術的迅猛發展，太陽能電池及配套組件年增長率達到驚人的33%。太陽能光伏發電進入了一個發展期，為了激勵光伏發電市場，一些發達國家制定了符合本國國情的措施；其中德國提出的“上網電價政策”及“10萬屋頂計劃”，在太陽能利用率和裝機容量方面多處于領先地位，為世界各國多方位的發展光伏發電系統提供了樣例，大大的促進了光伏發電系統的應用。

光伏發電系統的結構如圖1所示，太陽能電池板接收太陽的光照，再利用電池板內部的半導體材料的光伏效應，這樣光伏電池板就可以向后面的DC/DC電路輸送直流電，經過BOOST電路后處理好的直流電輸送給逆變器單元，此時直流電被逆變器逆變為含有大量高次諧波的交流電，LC 低通濾波器濾除高次諧波后就可以獲得所需交流電提供給電網或者本地負載。實現整個系統功率轉換的逆變器處理單元是光伏發電系統的核心構成部分。控制單元由可以對DC/DC電路端口電壓進行調整的MPPT控制器、將直流電逆變為所需頻率和相角的交流電能的逆變器控制器構成。

圖1 光伏并網發電系統框圖

首先，依據與公共電網之間是否互相接在一起的關系分為獨立型光伏發電系統和光伏并網發電系統兩大類。其中，根據不同類型的負載要求，可以將獨立型光伏發電系統細分為直流光伏發電系統，交流光伏發電系統，交直流混合光伏并網發電系統。而依據容量大小和集中程度不同，可以將光伏并網發電分為集中式光伏并網系統與分布式光伏并網系統。集中式光伏并網系統類似于發電廠，高電壓等級的兆瓦級功率直接注入電網，服從電網的統一調配，我國目前正大力支持建設兆瓦級以上的大型光伏并網發電系統。分布式的小系統的規模較小，成本較低，并且分布廣泛但是不集中，太陽能屋頂系統是其典型應用代表。根據不同的結構(是否具有大容量儲能單元)，可以分為不可調度式光伏并網發電系統和可調度式光伏并網發電系統。根據光伏系統的拓撲結構不同可以將其分為單極式系統、兩極式系統和多級式系統。

3 光伏發電系統輸出濾波器設計

在并網逆變器中，非隔離型省掉了變壓器環節，降低了設備成本，減輕了質量，提高了并網效率，簡化了電路。本文采用非隔離的并網逆變器，同時，由于單級式電路不易同時實現系統的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking)控制和逆變控制，為了進一步簡化控制策略，實現對MPPT和并網逆變的單獨控制，采用兩級式并網逆變裝置，其非隔離型兩級式光伏并網發電裝置的系統結構圖如圖2所示。

圖2 兩級式光伏并網逆變器系統結構框圖

圖2主要可以分成四個部分：光伏陣列、DC-DC變換電路、DC-AC變換電路、LCL濾波電路。其中DC-DC電路采用的是Boost變換器，主要是將光伏整列輸出的電壓升高到一個較高的電壓水平，同時用于MPPT控制。DC-AC逆變器采用的是電壓型全橋逆變電路，經過LCL輸出濾波器直接與電網相連。其中LCL輸出濾波器主要有兩個作用：一是將逆變器輸出的PWM電壓波形轉變成連續的電流量并入電網；二是濾除系統中的高次開關頻率。 DC-AC和LCL濾波電路可以看作光伏逆變裝置的后級，其主要目的是使并網電流跟蹤MPPT控制器得到的并網指令電流，將光伏陣列輸出的功率輸送到電網，實現能量傳遞。

一般并網發電裝置通過濾波器連接著變流器和電網，濾波器主要負責將變流器輸出的脈沖電壓波形轉變成連續的電流波形。目前常采用的輸出濾波器主要有L、LC、LCL三種。與L、LC濾波器相比，LCL濾波器具有更好的高頻諧波抑制效果，可以有效的減少開關頻率的電流諧波流入電網，因此本文采用LCL濾波器作為主電路的輸出濾波器。但是，LCL濾波器參數設計復雜，而且還存在諧振頻率點，諧振峰值的存在會進一步放大諧波作用，對系統穩定性和輸出電流產生影響。因此，實現對多功能光伏并網發電裝置控制的控制目標主要有兩個，一是抑制濾波器帶來的高頻諧振問題，二是使輸出電流跟蹤指令電流。

通過分析在一定的濾波效果下，總電感L、電感比值m、以及電容C三者之間的三維關系圖。當在開關頻率點的衰減系數為0.1時，即：|i2s(jωs)/u1s(jωs)|=0.1時，可以得出fr、C、L1/L三者之間的三維關系圖。從圖3可以看出，電容C、總電感L以及電感比值m是一種相互耦合的關系。當C取一定值時，總電感L與電感比值m是一種負相關的關系。隨著電感值總值L的減少，電感比值m將增加，所以從節省磁芯材料的角度出發，希望m的取值越大越好。不過當C取值較小時，m值得增加對電感L的減少幅度較為平緩，但隨著電容值C慢慢的增大，m值得增加對電感值L的減少幅度也會慢慢變大。所以，在設計參數，三者之間的關系應該綜合考慮。

圖3 L、C、L1/L的三維關系圖

本文根據參考文獻，選取的并網發電裝置的系統

參數：

額定容量SN：3kVA；

直流母線電壓Udc：400V；

開關頻率fs：10kHz；

電網電壓U：220V(有效值)；

諧波補償范圍：25次以內；

諧波衰減系數H2<0.1%，H1<1.4%，N=H1/H2=13，考慮到H1、H2一定的變化范圍將N的取值范圍定為6≤N≤25。

可以確定總電感L的范圍:

基波條件:

對于APF條件下，如果定義諧波指令電流的最大變化率為第25次諧波變化率的2倍，且假設第25次諧波電流的幅值大小為1A，考慮電網電壓10%的波動，則L必須滿足：即:

所以L的取值范圍為：1.83～3.68mH。

對于電容C的選擇，可以確定C的范圍，基波條件下：

APF條件下：為了保證對高頻信號的低阻通道，其阻值必須小于網側電感感抗的20%，即:

所以參數C的取值范圍為：1.41～9.87uF。綜上所述參數如表1所示。

表1 LCL濾波器設計參數

4 仿真分析

以TMS320LF2812芯片為控制單元仿真分析，通過采樣電路采樣得到的逆變器輸出并網電流和電網電壓，在圖4(a)中，兩路波形信號在頻率和相位上都存在誤差，CH1為電網電壓，CH2為并網電流轉換成的電壓。可以觀察出它們之間在頻率和相位方面都存在偏差。圖4(b)為鎖相完成后的并網電流和電網電壓波形，可以觀察出二者的相位和頻率基本一致，計算此時的相位差為0.2135°，滿足并網條件，能夠實現并網運行。失真度測試儀測出的此時的逆變器輸出并網電流畸變率為4.2%。

5 結論

通過對輸出濾波器特性分析，綜合考慮設計LCL濾波器，其與L、LC濾波器相比，具有更好的高頻諧波抑制效果，可以有效的減少開關頻率的電流諧波流入電網。

圖4 鎖相操作前后的波形

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Design of the Output Filter of a Photovoltaie Generation System

WANGSu-ying

(The Micromeritic Technology Research Centre of Guangdong Industry Technology Research Institute, Guangzhou 510650,China)

With more and more distributed energy sources and nonlinera load to be connected into electric networks,make harmonic content in the network increase greatly,which has a serious effect on the power system stability The paper analyzes the structure of the photovoltaic generation system and its characteristic connecting with the output filter of the network.The design and simulation for the output filter of the photovoltaic generation system are carried out.Compare with the filer,it has much better control effect of high frequency harmonic.The conclusion has been proved by simulation.

harmonic;output filter;simulation analysis

1004-289X(2015)04-0078-04

TN713

B

2014-12-28

王蘇英(1969-)，女，工程師，研究方向：電氣設備控制技術等。