基于有源濾波器的分布式電源并網后電能質量的仿真分析

張懷鵬， 馬耀東， 張棟， 張丹杰， 毛紅霞

(國網寧夏電力有限公司 中衛供電公司， 寧夏 中衛 755000)

0 引言

當在電網中接入分布式電源后，將對電壓與諧波造成不穩定的影響，從而引起電能質量的降低[1-5]。為了克服分布式電源引起的電網波動，通常需要接入大量電力轉換設備以實現對電流與電壓的有效調控，從而使分布式電源與電網形成良好的協調連接狀態，由此便會引起明顯的諧波污染，將使電網發生大負荷變化，導致電力系統出現電壓的明顯改變[6-10]。對于電力系統內存在的諧波情況，通常是以電力濾波器來消除系統內存在的諧波電流，主要包括無源濾波器(passive power filter, PPF)與有源濾波器(active power filter, APF)共兩類[11]。其中，PPF由電阻、電容、電抗等各類非有源元件組成，在低阻抗通路中主要通過次諧波，從而實現濾除高次諧波的效果[12]。

為克服PPF濾波的不足之處，一些學者通過長期研究后,開發得到了有源濾波器。經APF處理能夠使半導體器件形成相反相位，從而達到有效抵償諧波電流的作用。

1 模型建立

APF是抵制諧波的電子器件，并能夠進行無功補償。對于頻率與幅值都隨時間改變的諧波，可通過這種方法將其全部消除，同時也可以補償各時間對應的無功功率。電壓型APF的機理結構,如圖1所示。

由圖1可知，左邊es是交流電源，指令電流計算電路的功能是對諧波電流進行測試，由電流追蹤電路根據測定的諧波電流來驅動主電路并形成和諧波電流具有同樣變化規律的電流以實現消除諧波電流的效果，通過這種方式可以達到抑制諧波的作用。將其分為如下步驟：假設非線性負載內存在諧波電流，可將其分為諧波電流iLh與基波電流iLf兩個不同部分，利用APF指令電流計算來測定諧波電流iLh，再將iLh作為電流追蹤的輸入iC，利用iC來實現控制驅動電路使其產生和諧波電流iLh方向與幅值都相同的電流iC，1由電源形成的電流is不包括諧波電流成分，可以通過APF來去除非線性負載形成的諧波電流iLh。

圖1 電壓型APF的機理結構

本文選擇并聯APF。并聯APF結構,如圖2所示。

圖2 并聯APF結構

并聯APF數學結構,如圖3所示。

圖3 并聯APF數學結構

以Ki來表示圖3中的橋臂開關函數，如式(1)。

(1)

抵償電流ic與電網電壓u和主電路直流側電壓ud間關系,如式(2)。

(2)

式中,iac、ibc、icc分別表示APF供給的三線電流值；K1、K2、K3分別表示三線橋臂開關系數；u1、u2、u3分別表示三線電網電壓；Δu為電壓降。

對式(2)積分后便可得到補償電流ic表達式,如式(3)。

(3)

式中,iac0、ibc0、icc0表示t0分別為初始時刻APF供給的三線電流初始值。

APF中的直流側電容電壓ud和電流id,如式(4)。

(4)

式中,ud0表示t0時刻電容C上的初始電壓值。

如果遇到初始抵償電流ic0和非線性負載諧波電流存在區別時，追蹤電路可利用對電力電子器件開關函數Ki進行調節的方式來實現抵償電流與諧波電流的追蹤過程，由此實現抵償電流的方向與大小和諧波電流達到同樣的狀態，從而實現將諧波電流除去的目的。并且在不同的開關函數下，直流側電容電壓值ud也會發生變化。

2 結果分析

利用Matlab/Simulink平臺構建得到的含有諧波檢測與治理模塊的并網光伏發電系統模型,如圖4所示。

圖4 系統仿真模型

利用在光伏并網系統內設置二極管不可控整流回路的方式來形成諧波源，同時設定諧波治理模塊為0.06 s再進行諧波治理，可以看到治理前后形成的對比圖,如圖5所示。

對圖5(a)進行分析可知，諧波治理前并未對電網的運行產生影響；根據圖5(b)可知，諧波治理后電網電流受到較大干擾，產生了明顯的諧波電流，在0.06 s時系統開始進行諧波治理，得到接近正弦波變化趨勢的曲線，此時在曲線上形成了無法治理的突變狀高次諧波。對圖5(b)給出的電流曲線實施FFT處理。獲得的結果,如圖6所示。

圖6顯示了加APF前后并網點電流FFT結果。可以發現加APF前并網點電流波動較大，表明此時總諧波畸變率；可以發現存在APF的情況下電流波動變的平穩，可見總諧波畸變率THD得到明顯降低。根據以上仿真測試結果可知，當把APF加入并網光伏發電系統后可以使并網點含有的低次諧波電流充分去除，從而有效改善光伏發電系統并網質量，避免諧波源對電網產生諧波污染。

(a) 電壓

(b) 電流

圖6 加APF前后電流FFT結果

光伏發電系統的仿真模型逆變器并聯線路上接入了負載，同時為線路配備了故障仿真分析模塊。經仿真測試發現，在故障屬于A相接地的情況下，將會使A相電壓出現暫降的結果；在很短的A相接地故障時間中，A相會產生脈沖暫態的變化；如果設定三相接地故障的時間過短時，將引起振蕩暫態的問題。

為深入研究故障和并網點距離引起的電壓暫降情況，從0.1～9 km范圍內選擇幾個代表點再開展仿真測試，所得數據進行作圖得到的曲線，如圖7所示。

圖7 電壓暫降幅度與距離之間的關系

根據測試結果可知，在線路處于不同并網點的條件下，將會產生不同的電壓暫降。結合電壓暫降的概念，當把故障設定在并網點0.1～2 km范圍內可判斷信號出現了電壓暫降；把故障設置在并網點間距超過2 km的位置，得到的有效電壓高于0.9 pu，表明此時信號處于正常狀態，沒有出現暫態。可以發現，當故障與并網點相距越小時，將會產生更明顯的電壓暫降。

3 總結

為了降低電壓與諧波對電能質量造成的不穩定，開展基于有源濾波器的分布式電源并網后電能質量Matlab仿真，分析APF加入并網光伏發電系統后并網點含有的低次諧波電流的去除情況，研究結果得到該系統能夠有效改善光伏發電系統并網質量，避免諧波源對電網產生諧波污染。在線路處于不同并網點的條件下，將會產生不同的電壓暫降。把故障設置在并網點間距超過2 km的位置，得到的有效電壓高于0.9 pu，表明此時信號處于正常狀態。當故障與并網點相距越小時，將會產生更明顯的電壓暫降。