光伏發電系統諧波抑制方法研究

西燈考

（長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012）

進入新世紀以來，傳統能源消耗日益增長，化石能源面臨枯竭的危險，當前最主要的任務就是尋找新能源來替代污染嚴重的化石能源。新能源主要來源于太陽，因為太陽能取之不盡、用之不竭，所以，它受到了人們的高度關注。當今社會科技發展迅猛，一些新技術、新理念也應用到了太陽能行業，再加上世界各國的大力扶植，太陽能光伏發電產業借此機遇也得到了快速發展[1]。光伏并網發電是太陽能大規模開發利用的必然趨勢，具有高環保、低噪聲、適用范圍廣等優點，備受社會的青睞。但是，光伏并網帶來的諧波污染問題越來越嚴重，不僅導致電能質量不斷下降，還引起了不必要的能量損耗。如今，在光伏并網系統中，消除諧波和提高電流波形質量成為了重點研究內容。

1 諧波的產生與危害

隨著人們生活水平的不斷提高，大量的非線性負載逐漸出現在電力系統中，許多電能質量問題也隨之產生，比如諧波問題。在太陽能光伏發電系統中，電力電子設備的應用越來越廣泛，而且在產生諧波的諧波源種類中，這些非線性設備所占的比例越來越大。所以在太陽能光伏發電系統中，由大量電力電子設備組成的逆變器是產生諧波的主要設備[2]。波形是衡量電能質量的一個主要指標。諧波成分的出現不僅會影響設備的安全運行，還會對通信線路造成干擾以及其他不良影響。

2 諧波治理措施

目前，主要有3種治理諧波的措施：①主動治理，采取一些措施讓系統源頭不產生諧波；②受端治理，主要是提高受諧波影響設備的抗干擾能力；③被動治理，在并網前安裝濾波裝置，阻止諧波注入電網。目前，在選擇治理諧波方法時，主要采用被動治理的方法。下面簡單介紹幾種濾波方法。

2.1 無源濾波器

在太陽能光伏發電系統中，一般在逆變器與并網側之間安裝無源濾波器，由電阻R、電感L和電容C構成回路。為了阻止高次諧波流入電網，可以通過計算來選擇電感L、電容C的參數，當回路中諧波頻率與高次諧波頻率相同時，即達到消除諧波的目的。無源濾波器就相當于一種波形發生器，先采集諧波信息，然后再輸出一種幅值相等方向相反的諧波，從而抵消諧波源產生的諧波。傳統的無源濾波器有L型濾波器、LC型濾波器、LCL濾波器[3]。目前，一些新型無源濾波器也相繼出現，但大都是在傳統濾波器的基礎上改進而來的。無源濾波器結構簡單，容易控制，穩定性好，便于維護。但是，無源濾波器只能消除某一固定級的諧波，如果線路中含有很多級次諧波，需要針對每次諧波設計一種濾波器，這樣會導致有效材料的過多消耗，不符合經濟性原則。

圖1 有源濾波器

2.2 有源濾波器

有源濾波器主要分為2部分，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。補償電流發生電路由主電路、驅動電路、電流跟蹤控制電路3部分組成，各部分缺一不可，協同工作。濾波器的工作流程是，先檢測電路中的諧波和無功，然后經過一系列運算產生足以抵消電路諧波和無功的諧波和無功。如圖1所示，有源電力濾波器檢測出諧波源負載電流iL的諧波分量iLh，通過運算輸出指令信號i*C，而由補償電流發生電路產生的補償電流iC與負載電流中的諧波分量iLh模值相等、方向相反，iLh＝-iC，這樣兩者就可以互相抵消，負載側電流中只有基波，不再含有諧波。

有源濾波器可以實時進行諧波補償，不僅能夠達到消除諧波的目的，還能夠進行無功補償。由于基波是由交流電源直接加到變流器上的，而變流器也提供大部分的補償電流，這樣就要求變流器擁有足夠大的容量，這也是很多有源電力濾波器單獨使用時的主要缺點。

2.3 統一控制光伏并網發電和有源濾波

目前的光伏并網發電裝置和有源電力濾波器各有各的優勢，但不足之處也很明顯。由于光照強度是不斷變化的，光伏發電裝置在晚上并不能工作，處于閑置狀態，利用率比較低。而有源電力濾波器的造價比較高，如果只是用來抑制諧波和進行無功補償，會造成資源的極大浪費。對比分析光伏并網發電系統與有源電力濾波器的拓撲結構和控制方法，發現它們都向電網提供能量，前者提供有功電能，后者提供無功電能和各種諧波，它們只是提供的電能不同而已。鑒于此，可將并網控制與文中提到的并聯混合型有源濾波器統一控制[4]。

圖2為光伏并網和有源濾波統一控制策略圖，在這種控制方式下，最大功率跟蹤主要依賴于光伏陣列輸出電壓Vpv和輸出電流ipv。根據這2項指標數據，經過一系列運算生成光伏并網發電有功指令電流，同時，為了使每項指標清晰可見，需要將負載電流中的無功電流分量與諧波電流分量分離。此時，無功電流和諧波電流檢測單元就將發揮其分離2部分分量的作用，根據2部分分量電流合成指令電流，最終由電流控制器完成光伏并網發電和無功及諧波電流補償。其中，為負載電流，為電網電流，為補償電流，iC為電網電流。

3 結束語

由于諧波產生的源頭復雜多樣，在選擇諧波治理方法時，需要考慮設備結構、效率、精度、成本和穩定性等因素。主動治理和受端治理的應用領域比較窄，而被動治理方法應用領域廣泛，是目前治理電力諧波問題時采用的主要方法之一。正如文中所述，為了消除諧波，我們可以在光伏發電系統中安裝無源電力濾波器和有源電力濾波器。根據兩者各自的優缺點，可將有源濾波器與無源濾波器協同使用，無源濾波器可以解決一些有源濾波器不能解決的問題。除此之外，光伏并網逆變器和有源濾波器有許多相同點，所以，可以確定一種統一控制光伏逆變與濾波的策略。

圖2 光伏并網和有源濾波統一控制策略

［1］劉文洲，西燈考，蔡長青，等.太陽光伏發電系統MPPT綜述［J］.長春工程學院學報（自然科學版），2016，17（3）：39-41.

［2］黃欣科，關雅娟，王還，等.光伏發電系統低功率運行并網電流諧波抑制研究［J］.太陽能學報，2015，36（2）：414-421.

［3］吳春華.光伏發電系統逆變技術研究［D］.上海：上海大學，2008.

［4］仝其豐，李田澤，史春玉，等.具有諧波補償功能的光伏并網發電系統研究［J］.國網技術學院學報，2016，19（4）：16-24.