基于有源电力滤波器的光伏发电控制系统研究

天津京滨工业园开发有限公司 崔伟

引言

随着电网中非线性负载的日益增多，谐波污染治理的问题越来越受到重视就目前工业应用而言[1]，无源电力滤波器（PF）以其投资少、结构简单、运行可靠、维护方便等优点而在众多领域得到了广泛使用，但其缺点是滤波特性受电力系统参数的影响大，特别是在高压系统中，滤波电容不可能很大，滤波器失谐状态下的滤波要求有时难以满足，还可能导致谐波放大，甚至与系统发生谐振危机电网安全，这使得PF的设计比较复杂。另外，PF滤波器中的R、L、C消耗大量的有效材料，体积大，占地多。针对PF这些缺点，于20世纪80年代才发展起来的有源电力滤波器（APF）作为一种能动态抑制谐波的电力电子装置受到了广泛关注，并出现了众多的电路拓扑结构和控制方案[2-5]。APF功能全面，可以同时补偿谐波，不对称电流、母线电压波动和无功，而且补偿无功功率的大小可以连续调节；谐波补偿的效果受电网阻抗的影响小，不易和电网阻抗发生谐振；APF能够跟踪电网频率的变化，因而补偿性能不受频率变化的影响；同时APF补偿电流的大小可控，当补偿对象发生变化时不会过载。因此有源电力滤波器也成了近年来国内外研究的热点之一。

另一方面，随着我国工业化进程的加快，能源和环保问题已成为当今世界关注的热点问题。人口众多，经济结构不合理，经济发展过快等因素导致我国的能源和环保问题更为严重，因此，加速开发利用新能源和绿色能源迫在眉睫，太阳能以其不竭性和环保优势已成为最具光明前景的新能源之一[6-8]。

在我国，有源电力滤波器和光伏发电均处在推广应用阶段,虽然两者的应用前景非常光明,但是两种技术的推广都面临着不同程度的发展障碍。

有源电力滤波器主要表现在如下方面：

（1）应用成本较高，由于要用到大容量的电力开关器件和高速的数字控制芯片,成本比传统的无源滤波器成本高出很多,严重阻碍的推广应用；

（2）功能比较单一，由于电能质量问题日益多样化,对电能质量治理装置的功能多样性要求也越来越高,对敏感负载最关心的电压闪变和电力瞬时中断无能为力；

（3）装置容量较小，谐波和无功功率对电网而言危害很大,电网中的谐波和无功总量也很大,但是由于功率开关器件的限制,目前的容量较小,安装少量的APF对改善电能质量的效果并不明显。

光伏发电主要表现在如下方面：

（1）应用成本较高，2003年光伏发电系统价格约为60－80元/W，相对与目前的火力和水利发电，光伏发电的成本约为后者的6－20倍。成本高是当前制约光伏发电市场快速发展的主要原因；

（2）设备利用率较低，由于日夜交替的原因，夜里光伏发电装置要停机，只有白天且天气较好的时候才能发电工作，这种间歇性的工作不仅降低了设备的利用率，并且频繁的投切电网会对电力系统的正常运行造成影响；

（3）容量较小并且功能比较单一，由于电力电子器件容量和成本的限制，目前并网装置的容量不大,并且目前的并网装置对电力系统日益关心的电能质量问题改善作用不大,甚至,有时会对电力系统的正常运行和电能质量造成负面影响。另一方面，两种装置也有诸多相同之处，深入分析两者的不足和相同之处，利用先进的电力电子技术对两者实施统一控制，并进行适当的功能拓展，以尽量解决两者推广应用的障碍，这不仅对两种技术的推广具有重大意义，而且对环境保护、新能源开发和绿色电力的和谐发展具有一定的意义。

1 APF与光伏并网发电的对比分析

1.1 APF的工作原理

根据与补偿对象连接方式的不同，可分为并联型和串联型两种，实际应用中多为并联型，下面以并联型为例介绍其工作原理。图1所示为最基本的APF系统的原理图。

图1 并联型原理图

图中， au 、 bu、 cu 代表三相交流电源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功功率。系统主要由两部分组成，即指令电流运算和电流跟踪控制部分（包括控制电路、驱动电路和主电路）。其中,指令电流运算部分的核心是检测出被补偿对象电流中的谐波和无功电流分量，电流跟踪控制部分的作用是根据指令电流运算得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，但是在电网向直流侧充电时，它作为整流器工作。也就是说，它既可以工作在逆变状态，又可以工作在整流状态。

APF的基本工作原理是检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算单元计算出补偿电流的指令电流信号，电流跟踪控制部分按照指令电流信号控制补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消，最终得到期望的电网电流。

1.2 光伏并网发电的工作原理

光伏并网发电系统按照系统功能通常分为两类，一种为含有蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统，另一种为不含蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。通常，可调度式系统应用在规模较大的集中式并网光伏系统，不可调度式应用在分散小型并网光伏系统。两种并网系统中，前者较后者功能要强，因为前者具有储能能力，可以用于电网调峰和应急供电。

下面以不可调度式光伏并网系统为例来说明光伏并网发电的工作原理，系统结构和原理如图2所示：

图2 不可调度式光伏并网发电系统

不可调度式光伏并网发电系统的工作过程为白天，光伏阵列有电能输出时，并网逆变器通过最大功率点跟踪使光伏阵列输出最大电能并以单位功率因数向电网供电夜晚，光伏阵列无电能输出，并网逆变器停止工作，保证夜间低损耗当电网断电时，并网逆变器停止工作，避免孤岛效应发生。

1.3 APF和光伏并网发电装置的相同电点分析

从上面两节对和光伏并网发电原理的介绍可知,两者有诸多相同之处，下面从系统结构，功能和控制方法三方面分别进行比较分析。

结构方面。APF和光伏并网发电装置的结构对比如图3所示:

图3 有源电力滤波器和光伏并网发电系统结构对比图

从上图可知两者在变流器拓扑以及连接电网的方式上相同，只是直流侧不同，APF的直流侧是电容器,而光伏并网发电的直流侧是光伏阵列。

（2）功能方面。APF的功能是补偿谐波和无功电流，即向电网注入谐波和无功电能；光伏并网发电装置的功能是并网发电,即向电网注入有功电能,两者只是注入到电网的电能种类不同,本质上是相同的。

（3）控制方法两者都含有电流跟踪控制技术和锁相技术，并且控制方法是一致的，不同的是APF还涉及谐波和无功检测技术，而光伏并网系统涉及最大功率跟踪和孤岛效应检测技术,但两者的主要技术是相同的。

2 具有APF功能的光伏发电控制系统

由上节的分析可知,APF和光伏并网发电系统在结构、功能和控制方法等诸方面是相同的,所以理论上存在对两者实施统一控制的可能性,如果能够实现对和光伏并网发电的统一控制,就可以在同一装置上实现多种功能,有利于技术推广。

分析对直流侧的控制原理可知,APF的直流侧电容电压是靠系统自身与电网的能量交换来维持的。当直流侧电压超过给定时，会通过向电网注入有功电能来降低直流侧的电压，也就是说通过适当的控制可以利用把直流侧的电能以有功电流的形式注入到电网。这也就是光伏并网发电实施统一控制的理论基础,这样就可以把光伏阵列直接或经过升压电路接到的直流侧,通过对其实施最大功率点跟踪可以实现光伏阵列以最大功率向电网注入电能，并且在实现并网发电的同时不会对的原有功能造成影响。

按照上述思想对两种装置进行合并实施统一控制,与光伏并网发电统一控制系统示意图如下：

图4 APF与光伏并网发电统一控制系统

APF与光伏并网发电统一控制系统可以集谐波与无功电流补偿和光伏并网发电于一体。工作原理简述如下：电流检测部分通过检测算法检测出非线性负载的无功和谐波电流,形成无功和谐波补偿指令电流。最大功率跟踪控制部分负责跟踪光伏阵列的最大功率点，形成并网指令电流，控制部分把无功和谐波补偿指令电流和并网指令电流进行合并后，利用合适的控制方法控制变流器按合成后的指令电流向电网注入电流,就可以同时实现电流质量治理和光伏并网发电。针对上述APF和光伏发电统一控制系统，本文提出如下控制策略：

（1）电网正常时，统一控制系统工作在并网模式，该模式下系统被控制成一个受控电流源。系统利用合适的电流跟踪控制方法，按照谐波补偿和光伏并网合成指令向电网注入电流，以同时实现电流质量治理和光伏并网发电。在谐波补偿和光伏并网发电容量相冲突时，系统利用蓄电池组或其它方法对两者进行容量协调，以保证装置的安全稳定工作。

（2）在电网因故障中断时，系统快速从并网工作模式转换到工作模式对重要负载实施电力中断补偿功能，此时系统相当于从一个受控电流源转变成一个受控电压源，保证重要负载不间断地工作,同时系统把装置本身和重要负载切离电网，以防止孤岛效应发生。

（2）当电力恢复时，系统通过锁相环节调整系统与电网相位同步，然后从模式转换到并网模式继续工作。此时系统相当于从受控电压源转换回受控电流源，继续进行谐波补偿和光伏并网发电。在两种工作模式的转换过程中采取适当的方法保证负载端电压幅值和相位的连续性。

（4）根据系统性能要求和蓄电池的特性，对蓄电池组进行合理的充放电控制和直流侧优化管理。按照不同的工作环境和状态,对直流侧电容器、光伏阵列和蓄电池组进行具体的组合优化管理，确保电力中断时系统能继续向负载供电至电力恢复或达到预定的应急供电时间。

（5）根据系统的整体性能和安全稳定工作的需要,系统还需要具有软启动、电力中断检测、电网电压锁相、最大功率点跟踪控制和光伏充电等技术作为系统正常工作的技术保障。

3 谐波检测和光伏并网发电的合成算法

统一控制系统的关键技术之一是无功和谐波电流的检测。最早的谐波电流检测方法是采用模拟电路实现的，这种方法对电网频率波动和电路元件参数十分敏感:而采用周期电流相位的无功电流检测方法由于其具有较长时间的延迟，实时性不好，且不能检测电流中的谐波，因而不适应要求快速反应的统一控制系统系统。自适应检测方法、基于小波理论的检测方法和基于神经网络的检测方法。这些方法还较少被应用于实际工程中。基于三相瞬时无功功率理论的瞬时无功和谐波电流检测方式具有良好的实时性，而采用数字信号处理器DSP作为控制中心，其运算能力和速度可以满足系统的实时检测要求，并大大减少硬件电路的复杂性，避免了器件的离散性带来的测量误差。

统一控制系统系统的关键技术之二是光伏阵列的最大功率跟踪。光伏阵列的输出功率与阵列工作电压具有强烈的非线性，虽然光伏阵列的MPPT实现方法已经有相当长的研究历史和众多文献介绍，如功率回授法、电导增量法、间歇扫描法等，但理论方法和仿真结果的成功并不能表示其在实际应用中能够获得一致性的满意效果，本文提出了基于神经网络的最大功率跟踪法，并对其进行了详细讨论，仿真实验表明其具有良好的最大功率跟踪特性。

3.1 无功及谐波电流的检测

本文所提出的APF与光伏发电统一控制系统要同时实现无功及谐波电流补偿和光伏并网发电，这就决定指令电流计算包含无功及谐波电流的补偿指令电流计算、光伏并网发电有功指令电流计算以及上述两者的合成运算，其中无功及谐波电流的检测是系统完成谐波和无功补偿的关键。

谐波和无功电流的检测方法作为APF的一个重要研究分支，多年来有许多学者对此进行了深入的研究，新的检测方法也层出不穷。其实谐波检测技术伴随着交流电力系统发展的全过程，诞生了频域理论和时域理论，形成了多种谐波检测方法。日本学者赤木泰文等人于1983年提出了瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了两种谐波电流的检测方法，它是目前APF中应用最广的检测方法，对于谐波和无功补偿装置的研究和开发起了极大的推动作用。瞬时无功功率理论的核心思想是采用变换矩阵将三相电路的各相电压和电流瞬时值变换到阿尔法与贝塔正交坐标系，并将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率，电压和电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率。在此基础上，发展出广为使用的p-q法和ip-iq法。由于电网电压不对称或电压畸变时p-q法存在不足，本文采用ip-iq法。该方法不直接使用三相电网电压进行功率计算，而是通过锁相环（PLL）获取A相电网电压的相位，然后产生标准的正、余弦信号进行瞬时有功、无功电流的计算。根据定义可以计算出 ip、iq，经低通滤波器后得出其直流分量 ip、iq。然后经过反变换可以求出iaf、ibf、icf，再与 ia、ib、ic作差，就可得到谐波分量 iah、ibh、ich。原理如图5所示，图中开关断开时最终的检测结果包含无功和谐波电流含量， 合并时只检测谐波电流。

图5 ip-iq检测方法原理图

3.2 最大功率跟踪

光伏电池的输出功率等于光伏电池的端口输出电压与端口输出电流的乘积。因此，研究光伏电池的输出功率同光伏电池的输出端口电压之间的关系可以得到在不同环境条件下的光伏电池的输出功率电压曲线。如图所示：

图6 a 在S相同T不同条件下P-V曲线

图6 b 在T相同S不同条件下P-V曲线

由光伏电池的输出功率电压特性曲线图可以看出，光伏电池的输出功率受光伏电池温度T以及太阳辐射强度S的影响。在相同的辐射条件S下，光伏电池的温度越高，则光伏电池的开路电压越低，输出功率越小；反之，光伏电池的温度越低，则光伏电池的开路电压就越高，输出功率越大。在相同的光伏电池温度T下，照射到光伏电池上的辐射强度S越强，则光伏电池的短路电流就越高，输出功率越大；辐射强度越低，则光伏电池的短路电流越低，输出功率越小。

在实际光伏系统中，光伏电池的输出功率往往同时受到温度T及太阳辐射强度S变化的影响，但总的来说，温度T的增加使得光伏电池的输出功率产生减小的趋势，辐射强度S的增加使得光伏电池的输出功率产生增大的趋势，光伏电池的实际输出功率正是这两种趋势相互作用的结果。光伏电池在任何时刻都存在一个最大功率输出的工作点，而且随着光照强度和温度的变化而变化。为能让太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力，就需实时控制太阳能电池的工作点以获得最大功率输出。目前已经发展出了许多新的MPPT的方案，例如基于模糊控制的MPPT方法，基于预测数据的MPPT方法，基于差分方程解的MPPT方法等等[9-12]。

3.3 谐波检测和光伏并网发电的合成算法

本文利用ip-iq检测方法同时实现谐波电流的检测及其与并网发电有功电流的合成。电流检测及指令电流的合成原理框图如图7。图中数字锁相环PLL跟踪A相电网电压ea的相位保证电流检测精度。图中，K断开时检测结果中包含负载的无功和谐波电流，K闭合时算法只检测负载中的谐波电流含量，并与并网指令电流合成，得到谐波补偿和并网发电电流的合成指令。

图7 谐波、无功检测及其与并网指令合成算法示意图

根据瞬时无功功率理论，三相负载电流ai、bi、ci经过32C 、C转换和低通滤波后得到的直流分量是有功基波为光伏并网直流指令分量，它是由最大功率点跟踪控制器（MPPT）计算出的最大功率点指令电压或系统直流侧给定电压和当前的光伏阵列输出电压或直流侧电压 dcu 经过电压调节（AVR）后得到的有功直流分量，和经以下算法合成。

从（4）的结果可以看出，前一项正是瞬时无功功率理论中的无功及谐波电流分量，而后项正是包含指令信息的三相基波电流。控制变流器把计算的指令电流注入电网即可同时实现无功、谐波电流补偿及光伏并网发电。

4 具有APF功能的光伏并网发电控制系统的仿真实现

上文对无功和谐波检测方法以及指令电流的合成算法进行了详细的分析，为了验证所提控制策略的有效性，本文使用MATLAB/simulink建立了系统模型如图8所示。

图8 系统模型图

图9 （a）不具有APF功能的系统仿真波形

图9 （b）具有APF功能的系统仿真波形

5 结论

具有APF功能的光伏并网发电控制系统的研究是光伏并网发电技术的一个重要研究方向，它包含并网发电和有源滤波等电力变换技术两大应用领域，也是高压大功率变换器在新能源发电领域里的重要应用。本文全面、深入地分析了有源电力滤波器和光伏并网发电系统的工作机理和数学模型，并由此建立了有源电力滤波器和光伏并网发电的统一控制系统。根据瞬时无功功率理论，分析了基于ip-iq法的瞬时无功和谐波实时在线检测法，有效地实现了无功补偿和谐波抑制功能。在分析比较现有算法的基础上，建立了有源电力滤波器和光伏并网发电的统一控制系统模型，并用仿真验证了该控制方法的有效性。

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