单相光伏并网与有源滤波的统一控制

吴春华 黄建明 陈卫民 陈国呈

（上海大学自动化系上海市电站自动化技术重点实验室 上海 200072）

1 引言

光伏并网发电在技术上已基本成熟，进入推广应用阶段[1-2]。同时，随着家用电器大量非线性和冲击性负载的出现，其产生的谐波及无功电流对公共电网的污染也日益严重。因此，有源电力滤波器（APF）也已成为近年来国内外研究的热点[3-4]。

但是，目前传统的光伏并网发电装置和APF各有不足。光伏并网系统在日照强度很低或夜晚时，基本处于闲置状态，利用率不高，针对此问题，有文献提出了光伏并网发电系统综合利用，即在保证光伏发电基本功能的基础上，实现无功补偿、有源滤波、UPS等各种附加功能[5-12]。目前，APF装置主要应用在三相大功率工业领域，成本高，功能单一，而基于单相电网的居民住宅设备推广难度大，应用很少。光伏并网逆变器和有源滤波器在结构上有很多相似处，因此，在住宅型光伏并网逆变器上，对家电等设备产生的谐波电流及无功电流就近进行补偿，减少家庭用户对电网的污染，可以有效拓展光伏并网逆变器的价值。

光伏并网和有源滤波统一控制时，需要进行能量综合管理，首先必须确保光伏电池阵列获取的全部功率并入电网，在并网逆变器容量允许或夜晚时，并网逆变器才进行相应的谐波和无功补偿，一旦电流超过逆变器最大允许电流，谐波电流或无功电流指令值相应减小，以确保逆变器的安全，此时并网逆变器只是针对电网中的谐波或无功进行部分补偿。同时，光伏并网和有源滤波统一控制时，需要综合考虑开关管的工作频率：当作为光伏并网装置工作时，随着工作频率的升高，其开关损坏相应增加，导致系统效率下降，但同时滤波电感可以相应减小，一般工程选取并网逆变器工作频率为 5～20kHz；而作为有源滤波器工作时，希望通过较高的工作频率实现良好的滤波效果，一般工程上选取工作频率为10～30kHz，综合考虑两种装置的特性，选取10～20kHz作为并网逆变和有源滤波统一控制的工作频率，其滤波电感可以考虑高频特性较好的非晶或铁氧体等磁性材料。从逆变器成本方面考虑，由于有源滤波器和光伏并网逆变器电路结构完全一致，而且工作频率大致相同，所以光伏并网和有源滤波统一控制时只需要通过软件控制，而无需额外增加硬件成本。从家庭负荷方面考虑，目前大部分家用设备为整流性负载，已成为低压电网的主要谐波源，一般家庭用户白天用电负荷较低，到了晚上的上半夜用电负荷增大，而下半夜用电负荷又降低，因此，光伏并网和有源滤波统一控制器白天时可以充分进行光伏并网发电，同时补偿少部分负载谐波，晚上根据负载特性可以全部或大部分补偿由家用设备造成的谐波，使光伏并网和有源滤波具有很好的互补性。

国内外学者对光伏并网系统综合控制策略已进行了相应的研究，如文献[5-6]在实现光伏并网的同时，对电网无功进行补偿，但是，随着家用电器设备的大量使用，导致大量谐波电流污染电网，因此，针对家庭用户，在光伏并网逆变器上实现谐波电流治理更适用；文献[7-9]实现了光伏并网和有源滤波的统一控制，但是其中的逆变器针对三相电网，并不适用于家庭用户；文献[10]将光伏并网发电、有源滤波、无功补偿和UPS四种功能集成在一个逆变器中，造成控制算法过于复杂，同时为了实现UPS功能，必须增加蓄电池储能单元，增加系统成本；文献[11]利用半桥拓扑实现了单相并网发电和有源滤波，虽然所用器件较少，但是半桥结构直流母线电压是全桥的2倍，同时电容中点电位的波动导致并网电流谐波的增加。

本文提出了一种新颖的单相光伏并网与有源滤波器统一控制策略，基于住宅应用，结合最大功率点跟踪和能量管理策略，使光伏阵列输出有功电能以高功率因数并网。同时，有选择地对电网进行谐波补偿；当光伏电池无电量输出时，系统作为有源滤波器进行谐波和无功补偿。因此，在一套装置上同时实现了光伏并网发电和谐波补偿，提高了系统利用率。

2 光伏并网与有源谐波统一控制

图1为单相光伏并网等效电路，系统由光伏并网控制器、变流器、滤波电感及光伏阵列组成。图中 vpv为光伏阵列输出电压，vdc为平波电容电压，ic为并网电流，es为电网电压，Rs为滤波电感等效电阻，Rp为逆变器损耗等效电阻。

图1 单相光伏并网等效电路Fig.1 Equivalent circuit of single phasePV grid-connected

图2为光伏并网和有源滤波统一控制器具体控制策略。当日照强度很强，光伏阵列输出功率时，开关S的端子2闭合，逆变器工作于光伏并网和有源滤波统一控制模式；当日照强度很低或夜晚时，光伏阵列停止输出功率，此时开关S的端子1闭合，逆变器工作于单一的有源滤波模式。下面具体介绍两种模式的工作原理。

图2 光伏并网和有源滤波统一控制策略Fig.2 The control strategy of photovoltaic grid-connected and APF

2.1 单一有源滤波模式

此模式下光伏阵列输出功率为零，作为 MPPT的 Boost电路停止工作。此时变流器通过电压控制器调节平波电容 Cdc两端的电压达到稳定。无功电流和谐波电流检测单元用于分离负载电流中的无功电流分量和谐波电流分量，将无功电流、谐波电流以及有功电流合成作为电流控制器的指令电流。最后，电流控制器根据指令电流生成 PWM信号驱动逆变器，达到对电网无功和谐波的补偿。

2.2 光伏并网和有源滤波统一控制模式

此模式下根据光伏阵列输出电压和输出电流进行最大功率点跟踪，生成光伏并网发电有功指令电流，同时，无功电流和谐波电流检测单元获取无功电流分量和谐波电流分量，根据上述电流合成指令电流，最终由电流控制器完成光伏并网发电和无功及谐波电流补偿。

2.3 谐波和无功电流检测

谐波电流和无功电流检测单元的功能为：从负载电流中实时检测并分离出谐波、无功和基波分量，求出补偿电流的指令信号，产生相应的补偿电流，从而抵消补偿对象中的谐波分量和无功分量。图 1中电网电压为

负载电流为iL，将其分解为基波有功电流分量Ip、基波无功电流分量Iq和谐波电流分量Ih三部分。

将式（2）两边同乘以2sinωt，得

在一个电网周期中，对式（3）求平均值，得

则 Ipsin ω t为基波有功电流分量值。

将式（2）两边同乘以2cosωt，得

同理，在一个电网周期中，对式（5）求平均值，得

则基波无功电流瞬时值为

谐波电流瞬时值为

2.4 电网锁相环

谐波和无功电流检测单元需要利用电网电压实时相位进行计算，而锁相环技术具有抗扰性强、稳定性高等特点，本文采样锁相环技术对电网电压进行过零点相位检测。图3为锁相环结构示意图，由式（1）可知电网电压为正弦波，电网电压的余弦信号通过存储在单片机内存中的电网电压信号延迟5ms得到。根据图3可得

图3 锁相环结构示意图Fig.3 PLL structure

当锁相环达到稳定时，θgrid≈θPLL，此时

锁相环的传递函数为

2.5 电流和电压控制器设计

根据图1光伏并网等效电路图，可得输出电流数学表达式为

电流环采用PI调节器，同时对电网电压进行前馈补偿，电流内环控制框图如图4所示。

图4 电流环控制框图Fig.4 The control diagram of circuit loop

电流环配置为一阶系统，取PI调节器参数为

式中，ωn为截止频率。

根据图4可得闭环传递函数为

晚上或光照很弱时，光伏电池输出功率近似为零，Boost停止工作。变流器工作在有源滤波模式，此时向电网输出无功和谐波电流。当系统稳定时，由于直流母线上的平波电容容量很大，无功电流和谐波电流引起的高频交流幅值很小，因此，可以假设直流母线电压恒定不变。

图1中直流侧电流可分解为逆变器损耗电流iR和电容充电电流idc，稳态时，电容电压保持不变，电容充电电流idc=0，所以ip=iR，即逆变器提供的能量全部用于自身损耗，同时将损耗电流iR作为扰动量，可得电压外环控制框图如图5所示，图中电流调节器用一阶惯性环节代替。

图5 电压外环控制框图Fig.5 The control diagram of voltage loop

电压外环开环传递函数为

为了同时兼顾最大功率点的快速性和母线电压的稳定性，必须保证ip尽量平稳，所以电压控制器的带宽应尽量窄。由于电流调节器时间常数1/ωn很小，式（14）可简化为

由于电网频率为50Hz，由此形成直流侧平波电容100Hz功率扰动，为了保持系统的稳定性，设计电压环控制器时其转折频率应远小于扰动频率，从而使电压环控制器只对平均功率进行调节，确保 ip电流的平稳，此处选取转折频率为 5Hz，可得电压环PI参数为

3 最大功率点跟踪与能量管理

为了提高光伏阵列效率，需进行最大功率点跟踪（MPPT）。目前实用的 MPPT策略为扰动观测法[12]，其工作原理为：设Dk+1和Dk分别为第k+1、k时刻变换器占空比；ΔD为扰动控制量；Pk和Pk−1分别为第k、k−1时刻光伏电池输出功率；符号函数sign()作如下定义：

进行最大功率点跟踪时，若 Pk＞Pk-1，则继续同方向增大变换器占空比；否则，减小变换器占空比。因而下一次的占空比可由下式决定。

传统扰动观测法需要对光伏电池输出电压和电流同时进行采样。如果能够以变换器输出电流作为判断依据进行最大功率点跟踪，则不仅可以省去两个传感器，而且不需乘法运算，在降低系统成本的同时提高了跟踪的快速性。本文最大功率点跟踪法正是基于这点提出的，先作两个假设：

（1）变换器自身功率损耗为零，即光伏电池输出功率等于变换器输出功率。

（2）电网电压恒定不变。

根据假设可得

式（21）为最大功率点跟踪判断依据：该方法仅需一个电流传感器，根据并网电流大小直接进行扰动方向判断，不再需要对光伏电池输出电压和输出电流进行检测及功率计算，简化算法，降低成本。

这种方法通过周期跟踪电流有效值 I调节脉宽，使得变换器输出电流有效值 I始终维持最大可输出量，从而实现光伏阵列的最大功率输出。

为了保证变流器输出不超过额定容量，需对其给定电流进行限幅。变流器输出电流由光伏有功电流、负载无功和谐波电流三部分组成。首先确保光伏电池输出的有功电流全部并入电网，在容量允许的情况下补偿负载无功电流和谐波电流。一旦输出电流超过逆变器容量，对无功电流或谐波电流进行限制，只是对无功电流或谐波电流有选择地进行部分补偿，图6为变流器输出电流限制矢量图。

图6 变流器输出电流限制矢量图Fig.6 The vector diagram of restrictive strategy to the output current of convertor

4 仿真和实验结果

本文利用 Matlab进行了系统控制策略仿真验证。主要参数如下：Ls=4mH，Rs=0.2Ω，Rp=500Ω，es=220V，Cdc=2000μF，变流器载波频率 fs＝10kHz，电流环截止频率ωn=10000，Vdc=380V。其中负载由电阻、电感及整流性负载并联组成。

图7a为采用本文介绍的谐波和无功电流检测方法对负载电流进行检测的仿真结果，图中从上到下依次为负载电流、有功电流、无功电流和谐波电流。仿真结果表明，上述方法可以准确并且快速地检测无功电流和谐波电流。

图7b为光伏并网和有源滤波统一控制模式仿真结果，图中从上到下依次为电网电压（外）和电网电流（内）、变流器电流（外）和负载电流（内）。0.045s前系统只进行光伏并网，此时变流器输出有功电流，电网电流中含有大量无功电流及谐波电流；0.045s后系统在光伏发电的同时，对无功和谐波进行补偿，电网电流波形明显改善，电网被注入正弦基波电流。

图7 统一控制仿真波形Fig.7 Simulation of uniform control strategy

本文对并网发电和有源滤波统一控制策略进行了原理性实验，实验参数为：Ls=3.8mh，es=220V，Cdc=2000μF，fs＝10kHz，ωn=10000，Vdc=380V，负载为整流性负载。

图8a为电网电压信号和PLL信号，图中PLL信号对电网电压实现了良好的跟踪效果。图8b为工作在并网模式时电网电压和逆变器并网电流，实现单位功率因数正弦波并网。图8c为电网电压和电网电流波形，图8d为负载电流和变流器输出电流。其中图8c在0.05s前进行单一并网发电，0.05s后启动并网和有源滤波统一控制；图8d在0.04s前进行单一并网发电，0.04s后启动并网和有源滤波统一控制（注：实验中为了捕捉4路信号，在相同实验条件下进行了两次实验，导致两个波形图切换时间有差异，但这并不影响实验的效果）。由图可以看出，单一并网模式时逆变器输出电流为正弦波，一旦启动并网和有源滤波统一控制后，为了补偿负载电流中的谐波和无功成分，逆变器输出电流中相应叠加谐波成分；图中在并网和有源滤波统一控制前，电网电流波形发生畸变，大量谐波注入电网，严重影响电网供电质量，一旦启动并网和有源滤波统一控制后，并入电网的电流明显改善，消除了系统对电网的谐波污染。

图8 光伏并网和有源滤波统一控制实验波形Fig.8 Experiment waveforms of unified control with PV single phase grid-connected and APF

本文进一步利用实验室光伏电池阵列进行了实验研究并和SMA光伏并网逆变器进行了对比实验，实验样机如图9a所示，光伏电池板参数为：开路电压43V、短路电流5.4A、最大输出功率140W，本实验样机接入 7×2＝14块，共 1960W；SMA SunnyBoy3800型光伏并网逆变器接入 8×3＝24块，共3360W。

图9b为并网输出电流软启动后进行最大功率点跟踪的光伏阵列电压 Vpv与并网电流 Ig波形。可以看出应用本文方案最大功率跟踪速度快，光伏阵列输出电压波动小，并网功率始终维持最大。

图9c为本实验样机和 SMA样机全天对比实验。在 7:00～16:00这段时间内，每隔 30min进行采样记录，可以看出应用本文方案的样机输出功率曲线与 SMA样机输出功率曲线一致（两曲线根据接入光伏电池的不同功率成比例关系），实验结果证明本文实验样机很好地实现了最大功率点跟踪。

图9d为本实验样机在光伏并网发电与有源滤波时的效率对比实验，图中 PV为单独光伏并网发电时的效率曲线，APF为单独有源滤波器工作时的效率曲线。实验结果说明有源滤波器效率与光伏并网效率大致相同，这主要是由于在相同的有效值电流下，虽然有源滤波器峰值电流较大，开关损耗较大，但有源滤波器时Boost电路没有工作，从而使系统整体效率相差不大。

图9 MPPT及效率对比实验波形Fig.9 Experimental waveforms of MPPT and efficiency

5 结论

本文提出了一种新的单相光伏并网与有源滤波器的统一控制策略，在实现光伏并网发电的同时，将系统剩余容量进行部分或全部无功和谐波补偿，克服目前的光伏发电装置白天发电、夜间停机的不足，结合最大功率点跟踪和能量限制管理策略，提高了单相光伏并网系统利用率；提出的以并网电流最大为控制目标的最大功率点跟踪策略，简化了控制算法，省去了扰动观测法中的电压传感器，降低系统成本。仿真和实验结果验证了本文提出的无功电流和谐波电流的检测方法、电流环和电压环控制器的设计方法以及最大功率点跟踪方法的正确性和可行性。

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