带有源电力滤波功能的三相光伏并网发电系统控制策略

杜春水 张承慧 刘鑫正 陈阿莲

（山东大学控制科学与工程学院 济南 250061）

带有源电力滤波功能的三相光伏并网发电系统控制策略

杜春水 张承慧 刘鑫正 陈阿莲

（山东大学控制科学与工程学院 济南 250061）

针对光伏并网发电逆变器由于昼夜、天气阴晴变化导致其利用率低的问题，提出了一种基于负载类型辨识和考虑负载轻重的三相光伏并网发电和有源电力滤波统一控制策略，并给出了指令电流合成方法。该策略在保证最大光伏电能并网的同时，实现了对负载谐波与无功电流的最佳补偿，尤其轻载时无需谐波电流检测，极大地提高了系统的响应速度。该系统基于DC/DC/AC高频链电路结构，克服了传统光伏并网发电系统中工频变压器耗材严重的不足。用Matlab/Simulink对提出的控制策略进行建模仿真，实验结果证明了该策略的有效性。

光伏并网发电 有源电力滤波 谐波检测 负载类型辨识 限幅算法

1 引言

光伏发电是当前国内外最具发展前景的新能源发电形式之一，而并网发电已成为规模化光伏利用的主要发展趋势[1-3]。由于昼夜交替和天气阴晴变化，导致了光伏发电的间歇性和逆变器容量的利用率低等问题。而并联型有源电力滤波器与并网逆变器的主电路结构是一致的，为充分利用逆变器容量，节约用户的投资成本，因此具有有源电力滤波功能的光伏并网发电系统的控制策略越来越受到国内外专家学者的重视[4-8]。

在光伏并网发电与有源滤波统一控制策略的报道中，较少考虑负载的实际工况，且其逆变器大多采用单级 DC/AC结构[6-8]。而目前国际上要求较大功率光伏并网逆变器必须采用变压器隔离。因此，一般还需要增加工频变压器隔离。这不但增加了设备体积和系统成本，而且限制了谐波补偿的带宽。由于光伏逆变器开关器件的额定电流余量有限，往往不能实现对并网处负载的谐波和无功电流全补偿，因此需要对谐波和无功电流限幅。虽有文献讨论不同负载类型时，谐波限幅算法对谐波抑制的影响，但其负载类型辨识以及谐波检测算法[5]，仅限于DC/AC结构的单相光伏逆变器，不能直接用于三相光伏并网发电系统。

针对上述问题，本文提出一种基于DC/DC/AC结构具有有源电力滤波功能的三相光伏并网发电系统控制策略。首先利用DC/DC变换器实现对太阳能电池阵列最大功率点跟踪（Maximum-Power-Point Tracking，MPPT）；然后根据光伏发电功率与电网接入点的负荷情况分析，确定相应的指令电流合成策略。最后用Matlab/Simulink仿真验证了新颖控制策略的有效性。

2 系统构成及工作原理

基于高频链DC/DC/AC结构的三相光伏并网发电系统总体结构框图，如图1所示。

图1 DC/DC/AC三相光伏并网发电系统结构图Fig.1 Overall structure diagram of three-phase

DC/DC/AC grid-connected PV generation system

DC/DC部分主要完成光伏电池阵列最大功率跟踪，并利用高频链技术将低压波动的直流电转换成并网逆变器需要的稳定高压直流电[9-10]。该变换器利用移相式全桥软开关电路拓扑[9]，提高了系统的效率和功率密度。系统内环通过改变占空比实现跟踪光伏电池阵列的最大功率点，电压外环保证后级有源逆变器的直流侧电压恒定。

DC/AC部分采用并联型有源滤波器三相桥式逆变电路拓扑[11]，输出并网电流利用LCL型滤波器滤波，消除了工频变压器的带宽限制，提高了系统的动态性能，改善了系统对高次谐波的补偿效果。该部分主要完成并网锁相和逆变输出电流的闭环跟踪控制。在逆变器容量允许的范围内，采用电流滞环控制技术[12]跟踪合成的电流指令，在保证光伏能量注入电网的同时，补偿并网接点的负载谐波和无功电流，改善电能质量。

基于数字信号处理器TMS320F2812的控制器，保证了系统运算处理的实时性和控制策略实现的灵活性。无论光照强弱或在夜间，并网逆变器的容量都能够得到充分利用，改善了并网处的电能质量。

3 谐波电流检测算法

谐波电流检测是有源滤波的重要环节。传统的谐波检测方法需要一个周期的电压、电流数值，有较大延时。而本文利用先进的 ip-iq瞬时无功功率理论实现了三相谐波电流快速检测[11,13]，其工作原理如图2所示。

图2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测Fig.2 Harmonics current detection based on the theory of instantaneous reactive power

式中 ω —电网角频率。

将负载电流两次坐标变换得到有功电流和无功电流，经低通滤波和坐标反变换，可求出负载基波电流则负载谐波电流 ih=为若图2中无功电流iq=0，则式（1）所得结果为负载谐波和无功电流之和。

在基于瞬时无功功率理论的谐波检测中，数字低通滤波器[14]性能严重影响谐波补偿效果。本文综合考虑滤波效果和系统的快速响应能力，选择设计参数少，易于 DSP实现的无限冲击响应二阶Butterworth数字低通滤波器。设定采样频率fS=20kHz，截止频率fC=5Hz，设计得到数字低通滤波器的系统函数，其对应的差分方程为

式中 x(n) —第n次采样值；

x(n−1) —第n−1次采样值；

x(n−2) —第n−2次采样值；

y(n) —第n次输出值；

y(n−1) —第n−1次输出值；

y(n−2) —第n−2次输出值；

b0=0.000 000 62，b1=2b0，b2=b0；

a1=−1.997 778 56，a2=0.997 781 02。

由所设计的数字低通滤波器幅频衰减特性（见图3）可以看出，直流分量可以完全通过，50Hz的信号幅值按−40dB衰减为原来的1/100，低通特性良好。

图3 数字低通滤波器幅频特性Fig.3 Amplitude frequency response of digital low-pass filter

4 负荷分析

为充分利用光伏电能和并网逆变器容量，提高系统的响应速度，实现对负载谐波与无功电流的最佳补偿，需按照负荷分析情况采取相应的控制方法，负荷分析包括负载轻重的判断和负载类型的辨识。

4.1 负载轻重的判断

负载轻重判断是将负载基波有功功率Pl和光伏发电功率 PPV进行比较，并根据比较结果决定是否需要检测负载谐波电流。

负载功率Pl的计算如下：

式中 cosϕ—功率因数；

Usn，Iln1—电网相电压有效值、负载基波电

流有效值，n=a，b，c。

光伏阵列的输出功率是通过最大功率点跟踪控制获得，光伏电池阵列的输出功率PPV为

由于光伏电池输出功率的不稳定性和负载变化的不确定性，为防止变换器在轻载和重载模式间频繁切换，在变换器功率波动允许范围内，选取适当的阈值ΔP≠0，经延时比较判断负载的轻重。若 Pl＜(PPV−ΔP)

Agilent1260型超高效液相色谱仪、Agilent 6460型三重四极杆质谱仪、AR2140型电子分析天平、MP1100B型电子分析天平、KS-300EI型超声波、Centrifug-5804R型台式离心机、Milli-Q型纯水仪等。

成立，即视为轻载，否则看作重载。

4.2 负载类型的辨识

一般情况下，线性负载电流只含有电源基波分量，而非线性负载电流则含有基波分量和奇次谐波。对大多三相非线性负载而言，其谐波电流中5次、7次、11次等低次的谐波含量相对较高。如典型三相桥式不控整流负载其 5次谐波含量最大。由此，可以通过判断负载电流中是否含有指定次数谐波来判定负载的线性或非线性。

由于三相负载电流 il(t)可以表示为基波有功分量、基波无功分量和各次谐波分量之和。以 A相负载电流为例进行分析。

式中，m=1，2，3，…。

由式（1）和式（5）可知，非线性负载电流ila(t)经瞬时无功功率处理后，可得到谐波分量

式中，m=1，2，3，…。

以5次谐波检测为例说明负载性质辨识方法，即用5倍频单位正弦分量与ilah(t)相乘，得

式中，m=2，3，…；ΔI5是Δi5(t)

中的常量，且

由式（8）可知，若il(t)中含有5次谐波，则ΔI5是一个非零常量。取一个很小的正常数ε（与电流采样精度和数字低通滤波器有关），若ΔI5＞ε，说明ila(t)中含有5次谐波，可判定负载为非线性。

同理，可采用7次、11次、13次等多个奇次谐波或者它们的线性组合进行负载类型辨识，不过计算量也相应地增加。

5 指令电流合成

当负载为轻载时，负载所需的基波与谐波电流全由光伏变换器供给，不进行谐波检测，从而消除谐波检测延时，提高了系统响应速度；当负载为重载时，即光伏太阳能不能承担负载所需全部能量，此时变换器在保证最大光伏电能并入电网的同时，按变换器裕量补偿电网负载的谐波和无功电流。

由于逆变器开关器件并网电流余量未必大于负载的无功及谐波电流峰值，需进行限幅控制。其主要方法有两种：一种是电流幅值钳位算法（Amplitude Clamping Algorithm，ACA），即将参考电流幅值钳位于开关器件允许的设定值；另一种是幅值定标算法（Amplitude Scaling Algorithm，ASA），即将参考电流按谐波电流线性比例缩小，使其电流峰值等于开关器件允许的设定值。而限幅算法的选择对负载谐波抑制和无功补偿效果影响较大[5]。为了实现对负载谐波与无功电流的最佳补偿，在电流控制指令的合成时必须考虑负载类型。

为此，本文提出一种基于负荷分析的指令电流合成方法，其工作原理如图4所示。

图4 负荷分析和指令电流合成Fig.4 Load analysis and instruction current synthesis

首先，检测光伏电池阵列的电压、电流，实时计算其输出功率PPV。采用结合DC/DC变换器的电导增量法[15]，获得最大功率跟踪点电压。该电压与实际直流侧电压进行PID调节控制，将调节器输出作为光伏并网电流 iP*V的幅值。

其次，通过对负载电流和电网电压的检测与锁相，获得并网电流的相位和负载有功功率Pl，根据Pl和PPV的大小判定负载轻重。若负载轻载则采用全负载电流反馈，则指令电流=il。

若负载为重载，则先利用瞬时无功理论，根据式（1）求出负载无功和谐波电流ih，然后将其幅值Ihmax与式（9）得出的器件额定电流余量IAMP比较，判断是否需要负载类型辨识。若Ihmax≤IAMP，则不需负载类型辨识，有=ih；否则需负载类型辨识。

在重载情况下，线性负载应采用谐波电流定标限幅算法；非线性负载宜采用幅值钳位算法。下面给出不同算法对应的指令电流数学表达式式中 In—逆变器功率开关器件额定电流值；

IP*V—光伏并网电流幅值；

IAMP—开关器件电流定额余量；

Ihmax—三相谐波电流矢量ih的幅值；

iASA(t) —定标限幅算法（ASA）时谐波电流值；iACA(t) —钳位限幅算法（ACA）时谐波电流值。

综合轻载和重载两种情况，最终合成的光伏逆变器并网指令电流由 MPPT指令电流和负载控制电流两部分组成，其数学表达式为

式中 KL—负载轻载系数；

KH—谐波电流系数；

KACA—钳位限幅系数，具体取值见表1；

KASA—定标限幅系数，具体取值见表1。

表1 指令电流系数取值Tab.1 coefficients for instruction current

6 仿真研究及分析

三相系统参数为：电网线电压 380VAC，频率50Hz，输出滤波电感为3mH，光伏阵列输入工作电压 198～300VDC，DC/DC变换器为逆变器提供直流侧电压，功率器件IGBT的开关频率为20kHz。

（1）轻载情况仿真实验。即并网处电网的负荷小于光伏发电功率，此时不需要辨识负载类型。下面以三相桥式不可控整流负载为例进行仿真实验。

方法一：采用传统的谐波治理策略。首先利用瞬时无功理论检测出负载谐波，然后补偿，电网只提供负载所需基波分量。如图5a所示，在0.06s时开始谐波补偿，由于数字低通滤波器的作用，需要几个电源周期才能稳定地进行谐波补偿。

方法二：利用本文提出的策略。负载为轻载时，采用负载电流全反馈闭环控制。如图 5b所示，从0.06s开始，光伏变换器为负载提供所有的能量，消去了谐波检测延时，明显提高了系统响应速度。

图5 轻载时A相电网输出电流Fig.5 Phase A output current in the case of light loads

（2）重载情况仿真实验。即并网处负载功率大于光伏发电功率。假定光伏并网指令电流 iP*V变化情况如图6所示，在0.06～0.12s区间，光照强度较弱；在0.12～0.16s区间，光照变强，光伏并网电流增大，且有Ihmax＞IAMP，需要进行负载类型辨识。

图6 光伏发电并网电流的变化情况Fig.6 Variety of PV grid-connected current

设定光伏指令电流变化如图6所示，下面以A相电流为例，对两种类型的负载分别采用 ASA和ACA算法实验。图7为非线性负载谐波治理和并网发电仿真结果，图8为线性负载谐波治理和并网发电仿真结果。

图7 非线性负载谐波治理和并网发电仿真结果Fig.7 Simulation results of PV generation and active power filtering for nonlinear load

由图7a和图7b可以看出，在0.08～0.12s区间，光伏并网电流小，Ihmax＜IAMP，谐波和无功电流不需限幅，指令电流 ic*波形相同。在0.12～0.16s区间，光伏电流较大，且Ihmax＞IAMP，钳位限幅和定标限幅后的指令电流波形差别明显。图 7c为在0.08～0.12s非限幅区A相电网电流ia，其谐波抑制和无功补偿效果良好。图7d和图7e为在0.12～0.16s限幅区，分别采用钳位限幅和定标限幅算法后A相电网电流ia，前者谐波抑制和无功补偿效果更好些，具体数据参见表2。

图8 线性负载谐波治理和并网发电仿真结果Fig.8 Simulation results of PV generation and active power filtering for linear load

由图8a和图8c可见，在0.06～0.12s区间，指令电流没有限幅，两者的波形相同；在0.12～0.16s区间分别进行定标限幅和钳位限幅，由限幅区A相电网电流ia波形图8b和图8d可以看出，两者的补偿效果差异明显。

表2 谐波治理前后A相的总谐波含量和功率因数Tab.2 THD and PF of A phase pre and post active power filtering

表2给出了电网A相在不同负载类型、采用不同谐波抑制和无功补偿算法时，电网负载谐波治理前后总谐波含量THD和功率因数PF情况。由此可以看出，当三相负载为非线性负载时，采用钳位限幅补偿控制策略，其谐波抑制和无功补偿效果更好；当负载为线性负载时，采用ASA算法其谐波抑制效果更佳，补偿后的总谐波含量仅是采用 ACA算法时的1/5。

7 结论

（1）与已报道的光伏并网与有源滤波统一控制策略相比，论文提出的统一控制策略是根据负载的轻重与负载类型的不同而合成相应的指令电流，在充分利用并网发电逆变器容量的基础上，最大程度地改善了谐波抑制和无功补偿效果。

（2）论文给出了基于瞬时无功功率理论与三相负载谐波实际情况相结合的负载类型辨识算法，简单实用，易于工程实现。

（3）该控制策略不仅适合基于高频链技术的DC/DC/AC并网发电系统结构，其核心控制思想和算法还可推广应用于单级光伏并网发电系统以及大型风力发电并网系统装置。

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Control Strategy on the Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic Generation System With Shunt Active Power Filter

Du Chunshui Zhang Chenghui Liu Xinzheng Chen Alian
（Shandong University Jinan 250061 China）

The gird-connected photovoltaic (PV) inverters usually operate in low utilization for diurnal variations and weather changes. A new strategy for three-phase grid-connected PV generation systems is proposed, which has the shunt active power filter function. The strategy is based on load-level judgment and load-type identification, whose synthetic methods of instruction current is given. The new strategy not only makes full use of PV power, but also compensates harmonics and reactive currents of the loads very well, especially when the loads are in low level. The system response speed would be improved quickly without harmonics current detection. The new configuration adopts the DC/DC/AC high frequency link main circuits, which overcomes the shortcoming of the power frequency transformer’s serious supplies in the traditional PV gird-connected systems. With the modeling and simulation of the proposed control strategy by Matlab/Simulink, the experimental results show that the control strategy is validated.

Grid-connected PV generator, active power filter, harmonics detection, load-type identification, amplitude-limiting algorithm

TK514; TN713.8

杜春水 男，1973年生，博士研究生，讲师，研究方向为并网及独立运行的光伏发电、有源电力滤波技术。

山东省自主创新重大科技专项计划（2006ZZ11）。

2009-04-20 改稿日期 2009-12-21

张承慧 男，1963年生，教授，博士生导师，研究方向为工程优化控制、电力电子技术、电机与控制。