光伏并網逆變器對臺區供電質量的諧波影響量分析與消除研究

張銀行

（河南森源電氣股份有限公司，河南鄭州，450000）

0 引言

光伏并網逆變器的輸出諧波包含有低次諧波、高次諧波。低次諧波出現的原因較為錯綜復雜，當逆變器輸出高次諧波含量比較高時，其開關管的開斷頻率也就相對比較低，光伏電站的出力也就越大。當光伏并網逆變器陣列輸出功率信號經過 DC/AC 變換后，其內通常也會摻雜著大量諧波成分，使得并網電流在升壓變壓器側端并網時，并網逆變器在不同狀態下的輸出諧波電流容易在并網點（PCC）處相互疊加，從而導致并網失敗。

現有技術對光伏并網發電的分析仍有很多不足之處，比如分析諧波次數不全面，對諧波分析不夠準確等。這就有必要針對光伏并網逆變器的諧波影響量進行分析和消除進行研究，下文將詳細描述。

1 整體方案設計

在本研究設計中，在光伏并網逆變器中接入諧波補償裝置，通過該裝置過濾并網中的電流諧波含量，使得并網中輸出較為純凈的電能參數，圖1為光伏并網逆變器拓撲結構示意圖。

在圖1中，PV表示光伏并網逆變器陣列，其能夠將太陽光照或者其他光照、輻射轉換成電能，并且能夠使用最大功率點進行跟蹤、控制，以便使得光伏電池板的利用率達到最大，光伏并網逆變器輸出信號通過逆變器進行信號轉換，使得直流電壓轉變為交流電壓。然后通過逆變器控制回路，通過將電網電壓和直流側的電壓達到并網要求后，進而實現并網。

圖1 光伏并網逆變器拓撲結構示意圖

在諧波分析架構設計中，其主要包括計算機管理系統、總控中心、A/D轉換單元、DSP計算單元、諧波檢測裝置。在本系統設計中，PV陣列的輸出信號輸入至諧波檢測裝置，通過諧波檢測裝置檢測輸出的諧波信號。在電網運行過程中，引起電壓畸變的因素包括很多種，諸如3次至9次諧波、11次至15次諧波、17次至21次諧波、23次至33次諧波等，引起電壓畸變的諧波影響量還有5次負序諧波（較大量）、7次正序諧波，其中并網中電流諧波含量比較多的也有負序5次諧波和正序7次諧波，在設計時，基于上述分析，設計出如圖2所示的光伏并網逆變器諧波控制架構圖。

圖2 光伏并網逆變器諧波控制架構圖

在本系統設計中，DSP計算單元采用TI公司的DSP2812，將其作為中央處理的核心控制芯片。并且采用Xilinx CPLD XC9572XL作為數字鎖相和保護電路，其中XC9572XL的內核電壓為3.3V，其組成模塊包含4個54V18功能模塊，能夠提供1600個5ns延遲可用門。在本技術方案設計中，通過諧波檢測裝置檢測PV陣列中的輸出信號，然后通過A/D轉換單元將模擬信號轉換為數據信號，DSP計算單元接收A/D轉換單元轉換得出的數字信號，通過DSP控制單元計算、處理。DSP控制單元對采集到的諧波數據進行計算、分析，然后總控中心根據計算得出的結果進行控制，并將控制指令通過計算機控制系統進行信息交互，下文將詳細介紹諧波檢測、控制方法。

2 諧波控制方法

根據計算出的諧波含量情況來對不同波段的諧波進行控制。出于抑制并網逆變器中輸出電流內所帶有的諧波成分的目的，本研究采用了組合諧波抑制方式，即使電網電壓前饋控制與多諧振控制進行結合起來，這種結合的方式能夠使并網電流中的諧波含量最大程度地降低，進而提升光伏并網逆變器運行中的諧波干擾，控制結構如圖3所示。下面對控制方法進行說明。

圖3 電網電壓前饋控制框圖

其中，圖3中多諧振控制的方框1的表達式可以記作為：

圖3中多諧振控制的方框2的表達式可以記作為：

圖3中多諧振控制的方框3的表達式可以記作為：

在本研究中，通過采用電網電壓前饋控制，電網電壓、電流、諧波等信息量能夠被前饋到并網逆變器中的 PR 控制器中。通過調制并驅動電網并網中的不同信號，大大減少并網逆變器輸出電網電壓所含的諧波成分，可以避免電網電壓中的背景諧波的干擾，使得并網電能質量大大提高，在采用該方式進行控制時，該系統容易出現數字延時現象，在并網中，數字控制延時和多諧振控制均有可能對并網系統的穩定性、動靜態性造成影響，在對組合諧波抑制方法下，本技術方案的閉環系統傳遞函數在輸出阻抗特性時，有必要分析并網系統開環幅頻特性和相頻特性。圖4是一種開環 Bode 圖，該圖是通過數字控制延時一級多諧振控制時，通過并網逆變器系統輸出的圖示。

圖4 數字延時和多諧振控制下并網系統開環伯德圖

通過圖4可以看到，電網電壓完全前饋控制能夠有效地抑制并網逆變器低次諧波附近的輸出阻抗幅值。在多諧振控制中，主要集中在個別特定諧波頻率附近，尤其是在該附近表現出高阻抗的特性，這種方式抑制低次諧波的干擾的效果比較明顯。尤其單獨、采用電網電壓前饋控制或多諧振控制的情況下，采用組合諧波抑制方法在抑制電網背景諧波電壓擾動以及逆變器的輸出諧波方面表現為突出。在數字控制延時的情況下，本技術方案的多諧振控制能夠對3、5、7、9 次諧波電流實現快速跟蹤并抑制，使得光伏電站的并網電能質量得到很好的控制。

在本研究中，逆變器的選擇也是有要求的，其選擇依據是對輸出電流諧波含量的限制情況，根據GB/T 19939-2005 標準，按照光伏并網系統電流畸變限制的要求來選擇，

其中相關標準奇次諧波電流畸變限制值如下：奇次諧波3次至9次諧波時，畸變限值小于4.0%，11次至15次諧波、17次至21次諧波和23次至33次諧波時，畸變限值小于2.0%。

根據上述的標準值參考諧波含量情況，在選用的PR控制器中，其指定的頻率點包含有比較大的增益，在實現個別頻率的無靜差跟蹤方面，具有突出的顯示效果，使得控制的穩態精度較高，利用傳遞函數，則可以采用下面公式來表示：

在本文設計中，Kp為比例增益，KR為峰值增益，ωc與帶寬相關，在該控制器系統，控制的參數為：Kp=6，KR=41，ωc=21。

3 結束語

在光伏并網逆變器在發電時，其產生大量的不同波次的諧波將消耗大量的電能。本文針對該問題，設計出一種諧波檢測方法和控制策略，通過諧波檢測裝置能夠快速實現3、5、7、9 次諧波的檢測，并且通過諧波控制裝置對其快速跟蹤和抑制，使光伏并網逆變器的電能質量得到很好的控制。本文最后通過在實驗室Matlab/Simulink環境下建立系統拓撲構架進行試驗，通過試驗，電網中的電流諧波含量大大降低，從而消除了電網諧波對負載光伏并網逆變器的影響，因此，仿真結果驗證了理論分析，本技術方案具有一定的實用價值和科研價值。