具有諧波補(bǔ)償功能的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究?

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司安順供電局 安順 561000）

1 引言

光伏發(fā)電是目前新能源開(kāi)發(fā)利用中的重點(diǎn)使用內(nèi)容之一，對(duì)于解決能源和環(huán)境問(wèn)題，有著深遠(yuǎn)的意義［1～4］。同時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電也是未來(lái)開(kāi)發(fā)、利用太陽(yáng)能光伏的重要途徑。隨著高新技術(shù)的進(jìn)步和新能源的發(fā)展，光伏并網(wǎng)逆變器因具有多種應(yīng)用而深受廣大用戶的歡迎［5～7］。目前，光伏并網(wǎng)發(fā)電是利用太陽(yáng)能發(fā)電、利用太陽(yáng)能作為能源的重要形式，不僅能夠緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染，還具有成本低廉的優(yōu)點(diǎn)［8～12］。但是，隨著能源技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中連接有大量非線性負(fù)載，從而產(chǎn)生大量的諧波無(wú)功電流，使電能質(zhì)量下降，大大降低了用戶的使用率［13～15］。因此，諧波補(bǔ)償對(duì)營(yíng)造純凈的電網(wǎng)環(huán)境具有重要的作用。

針對(duì)該問(wèn)題，本文將光伏并網(wǎng)逆變器控制策略作為研究客體，通過(guò)在接入并網(wǎng)中的逆變器接入諧波補(bǔ)償裝置，過(guò)濾并網(wǎng)中的電流諧波含量，從而提高并網(wǎng)中的電能質(zhì)量，增強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性，消除污染嚴(yán)重的諧波，從而使用戶更充分、更合理地利用光伏并網(wǎng)逆變器。

2 光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在光伏電站中，存在大量的矩陣式太陽(yáng)能電池板，將矩陣式太陽(yáng)能電池板輸出的直流電以光伏陣列的形式輸入至逆變器的直流電輸入端，輸入的直流電通過(guò)IGBT功率單元進(jìn)行逆變作用，然后將直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（比如IEEE519-1992、IEEE1547-2003）要求的電壓同頻且同相的交流工頻電，然后經(jīng)過(guò)濾波單元的濾波，最后還要經(jīng)過(guò)諧波補(bǔ)償裝置將諧波補(bǔ)償?shù)簦罱K將無(wú)諧波污染的交流電并入電網(wǎng)。其中MPPT是最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum Power Point Tracking）的簡(jiǎn)寫(xiě)，是對(duì)光伏陣列的輸出功率點(diǎn)進(jìn)行最大化處理。光伏并網(wǎng)逆變器的主要作用是將直流輸入轉(zhuǎn)換成交流輸出，輸出的交流電壓能夠?qū)崿F(xiàn)與市電電壓的頻率、相位同步，使得輸出的交流電壓與市電電壓匯合。如圖1所示，在具體應(yīng)用中，通常太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮其核心功能作業(yè)，將太陽(yáng)能電池板發(fā)出的直流輸出逆變成單相交流輸出，交流輸出被饋送到電網(wǎng)，能夠穩(wěn)定中間電壓，實(shí)現(xiàn)前級(jí)升壓斬波器對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，并網(wǎng)保護(hù)功能較為完善，使系統(tǒng)安全、可靠。

圖1 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

本文所述的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括太陽(yáng)能電池板、DC/DC模塊、DC/AC模塊、DSP控制單元、電感電路、濾波電路、電網(wǎng)電路等。其中DC/DC模塊可以采用SG3525芯片來(lái)控制，SG3525為雙端輸出式，其作用是進(jìn)行SPWM脈寬調(diào)制，調(diào)制產(chǎn)生的占空比可變PWM波形能夠驅(qū)動(dòng)晶閘管的門(mén)極，進(jìn)而控制晶閘管的通、斷，從而實(shí)現(xiàn)控制輸出波形。DC/AC模塊采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F240，將其用作主控芯片，能夠采集電網(wǎng)輸出的同步電壓、電流、諧波等信號(hào)以及交流電壓輸入信號(hào)，并能夠調(diào)節(jié)IGBT，使得其門(mén)極能夠驅(qū)動(dòng)電路中的脈沖頻率信號(hào)，最后，通過(guò)DSP控制單元控制，即利用鎖相環(huán)進(jìn)行控制的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)中電流的頻率、相位的控制，從而使得輸出電壓與電網(wǎng)中的電壓同頻、同相。

本系統(tǒng)中，DSP控制單元采用TI公司的DSP2812作為核心控制芯片，并采用Xilinx CPLD XC9572XL作為數(shù)字鎖相和保護(hù)電路，其中XC9572XL的內(nèi)核電壓為3.3V，其組成模塊包含4個(gè)54V18功能模塊，能夠提供1600個(gè)5ns延遲可用門(mén)。

為了使陣列的發(fā)電功率最大化，通常采用MPPT算法使已經(jīng)最大化的陣列輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的輸出，MPT的個(gè)數(shù)隨著MPPT電壓范圍的擴(kuò)大而變寬。如果存在相同額定功率和相同輸入，逆變器則將獲得比較大的能量輸出，逆變器的效率也將越大。本文采用以下措施實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器的控制，如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器諧波控制架構(gòu)圖

在該控制系統(tǒng)中，通過(guò)諧波補(bǔ)償裝置檢測(cè)電網(wǎng)中的電壓、電流和諧波情況，尤其是諧波檢測(cè)尤為重要。諧波補(bǔ)償功能情況與檢測(cè)的諧波情況相關(guān)。下面對(duì)諧波補(bǔ)償方面做詳細(xì)介紹，以三相為例。在此引入了鎖相環(huán)，鎖相環(huán)（PLL）作為反饋控制電路的一種形式，能夠?qū)⑼獠枯斎氲男盘?hào)與內(nèi)部振蕩的信號(hào)進(jìn)行同步，鎖相回路用于產(chǎn)生振蕩信號(hào)，該振蕩信號(hào)能夠?qū)⑼獠渴┘拥幕鶞?zhǔn)信號(hào)與鎖相環(huán)回路內(nèi)的振蕩器輸出的相位差進(jìn)行恒定的反饋控制，如圖3所示。

由于電網(wǎng)信號(hào)的瞬變性，采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq檢測(cè)方法檢測(cè)電網(wǎng)諧波，負(fù)載流過(guò)的電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換輸出有功分量ip、無(wú)功分量iq，通過(guò)濾波器（高通濾波器）將有功分量ip、無(wú)功分量iq中的諧波分量分離出來(lái)，分離出的諧波分量經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換后便是三相線ia、ib、iC的諧波電流，坐標(biāo)變換公式為

在檢測(cè)出電網(wǎng)中的諧波后，諧波通過(guò)DSP控制單元計(jì)算、處理。DSP控制單元對(duì)采集到的諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果補(bǔ)償諧波，總控中心控制接收計(jì)算機(jī)下達(dá)的指令，將接收到的指令下達(dá)給DSP控制單元，DSP控制單元通過(guò)MPPT計(jì)算單元計(jì)算。下文將詳細(xì)介紹。

圖3 諧波檢測(cè)方案示意圖

3 諧波補(bǔ)償控制策略

圖4 諧波電流補(bǔ)償電路示意圖

在電網(wǎng)主電路中，通過(guò)諧波檢測(cè)單元檢測(cè)電網(wǎng)主線路中電流諧波含量，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元將檢測(cè)到的電流諧波含量模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸出至諧波計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算，得出檢測(cè)到的電流諧波含量數(shù)字量，諧波計(jì)算單元輸出信息傳遞到電流輸出控制單元，電流輸出控制單元根據(jù)接收的電流信號(hào)，將命令發(fā)送至驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路能夠?qū)㈦娏鬏敵隹刂茊卧敵龅腜WM信號(hào)功率進(jìn)行放大，滿足主電路中功率器件IGBT正常工作的需求。最終驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)PWM逆變單元（三相或單相），PWM逆變單元根據(jù)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件IGBT發(fā)出的PWM波形情況產(chǎn)生與電網(wǎng)主電路諧波含量大小相等但方向相反的補(bǔ)償電流，從而將電網(wǎng)主電路中的多余諧波含量補(bǔ)償?shù)簦蚨孀兤髦麟娐穬?nèi)的電流含量就是過(guò)濾諧波后的無(wú)諧波純凈電流，補(bǔ)償示意圖見(jiàn)圖4所示。

在本文中，也可以使用LMS濾波器進(jìn)行估算輸出電流諧波含量來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)諧波，如圖5所示。

圖5 濾波器控制結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)LMS濾波器具有N個(gè)權(quán)值，則根據(jù)LMS算法可計(jì)算出合適的權(quán)值。計(jì)算方法如下，設(shè)：權(quán)系數(shù)向量：

輸出向量：

LMS濾波器輸出：

誤差量：

式中：d（n）為第一次的輸入值，通過(guò)y（n）估算d（n）的頻率分量。

將LMS濾波器的功能函數(shù)定義為

功能函數(shù)每向前移動(dòng)至最小量值w時(shí)，則即時(shí)更新。更新后的公式為

在所述公式中，μ為步長(zhǎng)設(shè)定參數(shù)，其大小決定LMS濾波器的收斂性，μ值越大，收斂性越快，μ值越小，收斂性越慢，?為L(zhǎng)MS濾波器功能函數(shù)的梯度。

圖6 電網(wǎng)電流諧波含量評(píng)估算法模型

最終得到的LMS濾波器的權(quán)值為

由此，d（n）中任意一個(gè)諧波分量可根據(jù)上述公式估算得出。基于上述理論分析，將上述模型應(yīng)用到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中的電流諧波補(bǔ)償中，則轉(zhuǎn)換為如圖6所示計(jì)算模型。

在上述評(píng)估算法模型中，設(shè)定電網(wǎng)電流i中第k次諧波ik是在電網(wǎng)中采集的電流值與在該諧波頻率下進(jìn)行鎖相而得出估計(jì)值。在計(jì)算時(shí)，根據(jù)ik的估算值得出電壓值，從控制器設(shè)定的電壓值中減去產(chǎn)生的電壓值，即可得出電網(wǎng)電流諧波含量。

4 仿真試驗(yàn)與分析

在實(shí)驗(yàn)室Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)造系統(tǒng)試驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以風(fēng)扇機(jī)柜為負(fù)載，采用三相三線制，首先打開(kāi)軟件界面，輸入運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)值如下文所示。其中電源采用380V/50Hz的三相三線對(duì)稱電源，電感采用2mH，逆變器的直流側(cè)設(shè)置的電容采用3000μF，控制逆變器的直流側(cè)電壓采用600V。首先在“運(yùn)行”界面，上，點(diǎn)擊“輸入數(shù)據(jù)”，切換查詢各個(gè)功率柜的輸入電壓、輸入電流及輸入功率，如圖7所示。

圖7 軟件登錄界面

在“運(yùn)行”界面，點(diǎn)擊“輸出數(shù)據(jù)”，查看輸出的各路線電壓、各相線電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及電網(wǎng)頻率，如圖8所示。

圖8 顯示界面

在“運(yùn)行”界面，點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)曲線”，實(shí)時(shí)曲線包括輸入電壓曲線和輸出功率曲線，如圖9所示。

圖9 運(yùn)行曲線圖

下面對(duì)抽取的電流諧波含量進(jìn)行分析。如圖10所示，在圖10中，觀察0.8s內(nèi)的諧波含量。

圖10 諧波補(bǔ)償前波形圖

使用本文描述的方法進(jìn)行諧波補(bǔ)償?shù)玫降闹C波含量如圖11所示。

圖11 諧波補(bǔ)償后波形圖

由此可見(jiàn)，通過(guò)比對(duì)可知，電流諧波總畸變量從補(bǔ)償前的29.32%變?yōu)檠a(bǔ)償后的5.02%，5次諧波的含量從補(bǔ)償前的23.01%變?yōu)檠a(bǔ)償后的2.53%，7次諧波的含量從補(bǔ)償前的12.31%變?yōu)檠a(bǔ)償后的2.01%，11次諧波含量從補(bǔ)償前的8.91%變?yōu)檠a(bǔ)償后的1.51%，13次諧波含量從補(bǔ)償前的7.01%變?yōu)檠a(bǔ)償后的1.34%，因此，大大降低了諧波總畸變量。其中并入電網(wǎng)電流諧波頻譜圖如圖12和圖13所示。

圖12 并入電網(wǎng)電流諧波頻譜圖

圖13 并入電網(wǎng)電流諧波頻譜圖

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器中存在諧波的問(wèn)題，為了保證電網(wǎng)中電流的純潔性，提出了具有諧波補(bǔ)償功能的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略，通過(guò)LMS算法計(jì)算電網(wǎng)電流諧波含量，并提出接入電網(wǎng)中濾波器來(lái)濾除并入電網(wǎng)中的諧波，通過(guò)試驗(yàn)，針對(duì)電扇機(jī)柜負(fù)載中5次、7次、11次、13次諧波作為示例進(jìn)行補(bǔ)償，并具有明顯的電流畸變率。大大提高了設(shè)備利用率，降低了企業(yè)硬件投入成本，為光伏并網(wǎng)逆變器下一步的研究工作和實(shí)際奠定技術(shù)基礎(chǔ)。