并网逆变器合成谐波阻抗主动谐波抑制

王湘明，王卫鑫

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110178）

并网逆变器合成谐波阻抗主动谐波抑制

王湘明，王卫鑫

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110178）

针对并网逆变器接入带有大量非线性负载的电网时存在谐波干扰的影响，采用一种并网逆变器合成谐波阻抗谐波抑制方法，建立了并网逆变器功率控制、电压环和电流环以及控制系统的合成谐波阻抗环仿真模型.在电压控制回路中增加谐波阻抗环，并基于瞬时无功理论提取谐波.利用Matlab/Simulink对并网逆变器控制系统进行合成谐波阻抗谐波抑制仿真的结果表明，在实现逆变器输出给定的有功功率和无功功率情况下，即能并网又有效抑制了电网谐波。

并网逆变器；谐波抑制；瞬时无功理论；合成谐波阻抗；Matlab/Simulink仿真

随着电力电子技术的飞速发展，大量的非线性负荷投入电网，使得电网的谐波分量也随之增加，其会发生过热、振荡甚至故障等问题。通常把周期性非正弦波中幅值比基波小而频率是基波整数倍的一系列正弦波分量称为谐波[1]。谐波能够产生很大的危害，影响设备的稳定性，对邻近的通信系统产生干扰。谐波电流将在系统阻抗上产生谐波电压，引起电网电压畸变，最终造成电力系统谐波污染，并使电网及用电负载的安全受到影响。因此，对电网谐波加以检测和限制具有重要意义[2]。

针对谐波抑制的措施主要有3种：一是主动治理；二是受端治理；三是被动治理。实现谐波抑制的重要前提是实时检测出电网中的谐波电流[3]。目前，国内外学者提出的谐波检测方法大部分都是建立在瞬时无功功率理论的Ip-Iq谐波电流检测基础上的[4]。针对逆变器谐波抑制已经出现多种控制方案[5]。文献[6]提出一种电压环、电流环的PI控制策略，这种方法实现简单、易于控制，广泛应用于逆变器控制，但其精度、抗干扰能力还有待于提高；文献[7]采用PR比例谐振积分器，该算法简单，性能优于PI控制，但PR控制器在电网频率发生变化时，网侧逆变器控制性能随之变化，导致系统不稳定。文中采用主动治理措施，提出基于合成谐波阻抗功率控制，该控制方法既在电压环加入谐波阻抗环来抑制电网谐波，在电流环使用PI调节来调整逆变器输出电流。

1 基于Ip-Iq的谐波检测方法

随着电力系统的发展，形成了多种谐波检测的方法。目前诸多谐波检测方法中，应用较多的有模拟滤波、傅里叶变换、小波变换、神经网络、瞬时无功功率理论、广义d-q旋转坐标变换等[8]。文中选取基于瞬时无功功率理论法来提取电网谐波。

图1是三相并网逆变器谐波抑制框图，在并网逆变器实现谐波抑制过程中有两个重要环节，其一是负载谐波提取环节，其二是谐波抑制环节。其中电网电压、电流分别为电网上所接非线性负载代表谐波源；并网逆变器经过滤波电感L与电网并联一起为负载供电，iL为含有谐波的负载电流为逆变器输出电流，ih为负载谐波电流为谐波抑制电路的参考电流。若这样并网逆变器就能补偿电网的谐波电流，通过对并网逆变器输出电流控制回路的控制，使得电网谐波含量为0，达到抑制电网谐波电流的目的。现对三相瞬时无功功率理论做具体分析[9]。

图1 并网逆变器抑制谐波框图

设三相电路的各相电压、相电流瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic.先经过CLARCKE变换将其变换到α-β两相直角坐标系中，根据式（1）和式（2）得到两相直角坐标系α-β上的瞬时电压eα、eβ和瞬时电流iα、iβ。

如图2所示，eα、eβ和iα、iβ经过PARK变换可以分别合成电压矢量和电流矢量i。

图2 α-β坐标系矢量图

式中：e、i分别为电压矢量e、i的模；φe、φi分别为的幅角。定义ip为三相电路瞬时有功电流、iq为三相电路瞬时无功电流，ip、iq分别是矢量在矢量及其法线上的投影。即：

式中：φ=φe-φi

通过对瞬时无功理论的理解[10]，下面分析谐波提取方式。文中根据瞬时无功功率理论应用了ip-iq谐波提取方式，其原理如图3所示，图中ia、ib、ic是系统三相电流的瞬时值；ea是a相电压的瞬时值；PLL为锁相环；LPF是低通滤波器；iaf、ibf、icf是d-q变换后分解出的系统基波分量；iah、ibh、ich是系统谐波分量[11]。

图3 谐波检测框图

由图3可得ip、iq为

然后通过低通滤波器（LPF）分别得出ip、iq的直流分量ip和iq，再通过下面的反变换就得到电网三相电流基本分量iaf、ibf、icf， 再用三相电网电流ia、ib、ic分别减去基波电流分量iaf、ibf、icf就是电网的谐波电流 iah、ibh、ich。

2 合成谐波阻抗谐波抑制控制策略研究

文中基于谐波阻抗的并网逆变器控制系统原理如图4所示，采用电压控制回路和电流控制回路的控制方式控制逆变器实现并网目标，并且在电压控制回路中增加谐波阻抗环节抑制谐波电压。其中V1-V6构成并网逆变器经过滤波电感、电容连接到电网上，电网上存在非线性负载，此非线性负载代表谐波源[12]。Uabc和Iabc分别是并网逆变器输出三相电压和电网含有谐波的电流 （单相代表三相）；Uαβ、Iαβ分别为经过CLARCKE坐标变换得到α-β直角坐标系下逆变器输出电压、电网侧含有谐波的电流[13]。

引入谐波阻抗环使逆变器在主要谐波频率点处重新塑造输出阻抗，增加的合成谐波阻抗是为补偿传输线路上的阻抗，这样减小谐波在传输线路上的压降，谐波电压在通过传输线路时失真就会得到有效抑制。应用瞬时无功理论，通过低通滤波器得到各次谐波分量[14]。为分析合成谐波阻抗对系统的影响，图5给出单相并网逆变器在谐波频次点的等效电路图。在电压控制回路中使用多重谐振积分器，使得在谐波频率点逆变器阻抗等效于谐波阻抗。图中二极管整流器代表电路中的谐波源，用来产生电网谐波。Zsh、ZLh、Zch、Zih分别表示连接到电网线路的电感 Ls、逆变器输出电压滤波器电感L、逆变器输出电压滤波器电容C和合成谐波阻抗电感Lh。

据戴维宁等效定理，各相电压控制回路可简化成图6所示。

则整个控制回路可表示为：

图4 整体控制系统

图5 单相逆变在主要谐波处的等效电路

图6 相电压控制回路等效原理图

式中：Zh（s）为合成谐波阻抗是由功率解耦控制得到的参考电压为经过谐波阻抗环节抑制后得到的电压控制回路的参考电压，可得到新的逆变器输出阻抗Zc（s）。从式（10）可以看出，总阻抗Zc（s）不仅与合成谐波阻抗Zh（s）有关，还与传递函数Gc（s）有关[15]。

为分析方便将图6展开成图7。

图7 相电压控制回路框图

图中α坐标轴与β坐标轴的分析情况一样，这里只分析一个坐标轴，令Io为零，得到电压闭环传递函数：

式中：R为L的寄生电阻；Ki为电流增益；Gc（s）为电压控制回路的闭环传递函数；GPR（s）为电压控制回路PR的传递函数；Zo（s）为逆变器的闭环输出阻抗；Vo（s）为逆变器输出电压；Io（s）为逆变器输出电流。

3 实验仿真

利用Matlab/Simulink仿真平台，对所提出的策略进行仿真分析，逆变器仿真模型如图8所示，逆变器仿真参数如表1所示，该系统主要由逆变器主电路、功率控制部分、电压控制回路、电流控制回路组成。并在电压控制回路中增加谐波阻抗环节减小并网逆变器输出谐波电流在传输线路上的谐波压降，有效抑制并网点谐波电压。

图8 逆变器仿真整体结构图

表1 仿真参数

4 仿真结果分析

电网电流仿真如图9所示，逆变器在0.04 s时接入电网，分别测出了控制方法作用前后的电网电流和负载电流。逆变器接入电网前后电网电流波形变化如图9（a）所示，0.04 s逆变器接入电网后，电网电流近似为正弦波，受负载谐波影响发生畸变的电流得到了有效抑制；电网中非线性负载侧的电流波形如图9b所示，此策略可以检测非线性负载的波形情况。

加入谐波阻抗环逆变器电流谐波FFT分析如图10所示[16-17]，由图10可见加入谐波阻抗环逆变器输出电流谐波含量仅为2.77%，可见此控制策略在逆变器输出给定的情况下，即能并网又能使谐波明显减少，有效抑制电网电流谐波。

5 结 论

文中提出了一种基于合成谐波阻抗谐波检测抑制控制方法，该方法在的谐波检测的基础上加入谐波阻抗环，并建立电压控制回路和电流控制回路。从仿真结果可以看出，此方法可以有效抑制并网点的谐波电压，并补偿了负载的谐波电流。

图9 逆变器作用前后电流波形

图10 加入谐波阻抗环逆变器相电流谐波FFT分析

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Synthesis harmonic impedance for automatic harmonic suppression of micro-grid inverter

WANG Xiang-ming，WANG Wei-xin
（School of Information Science and Engineering of SUT，Shenyang 110178，China）

In order to solve the problem of harmonic interference when the grid-connected inverter connects to the power grid with nonlinear load，an harmonic suppression method for synthesis harmonic impedance of grid-connected inverter was adopted.The simulation model for power control，voltage loop and current loop as well as synthesis harmonic impedance of control system for grid-connected inverter. Through increasing the harmonic impedance loop in voltage loop and extracting harmonic based on instantaneous reactive power theory.The harmonic suppression of synthesis harmonic impedance for the control system of grid-connected inverter was simulated with Matlab/Simulink software.The simulated results show that in the situation of realizati the inverter output given the active and reactive power，the method can achieve grid and suppress harmonic effectively in the grid.

grid-side inverter；harmonic suppression；instantaneous reactive power theory；synthesis of harmonic impedance；Matlab/Simulink

TN4

：A

：1674－6236（2017）01-0185-05

2015-11-25稿件编号：201511251

王湘明（1963—），男，湖南宁乡人，硕士，副教授。研究方向：风力发电控制技术。