基于谐波注入法的L型光伏并网逆变器谐波抑制方案

单士睿，杨富营，杨沛豪

基于谐波注入法的L型光伏并网逆变器谐波抑制方案

单士睿1，杨富营1，杨沛豪2

（1.许昌职业技术学院，河南 许昌 461000；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

在光伏发电并网过程中，由于逆变器的开关特性，输出电流一般都含有低次谐波，其中以5次、7次等低次谐波最为严重。为了抑制并网电流中的低次谐波，降低线路、负载中的电能损耗，本文以L型逆变器为研究对象，提出一种基于SPWM谐波注入的谐波调制方案，在SPWM正弦信号中注入5次、7次谐波补偿电压，进而达到降低输出电流特定次谐波含量及提高并网电能质量的目的。通过MATLAB/Simulink仿真和试验验证了该方案能够有效降低并网电流中特定次谐波含量和谐波畸变率，提高光伏发电并网电能质量。

光伏发电；逆变器；低次谐波；谐波注入；电能质量；谐波畸变率

在光伏发电并网过程中，逆变器的开关特性会造成输出电流发生畸变而产生谐波。谐波电流分量的频率与逆变器的脉冲数有关，逆变器的脉冲数越大，谐波分量的最低次频率越高[1]。谐波的出现，使用电设备处于一种非理想工作环境，对电力系统是一种干扰和污染。现阶段光伏并网逆变器谐波抑制的主要方法有谐波主动抑制和谐波被动抑制 2种，其主要原理是补偿谐波电流，避免谐波分 量入网[2-3]。

为了抑制并网逆变器谐波，文献[4-6]将二阶高通滤波器应用到并网高压变流器中，对滤波器的相关参数如电容、电感、电阻进行设计，该方案具有良好的滤波特性，但本质属于电路硬件设计，增加了成本，也增大了体积，实际应用较为不便。文献[7-10]提出一种基于LC型虚拟同步发电机并网模型，分析了网侧电流与谐波谐振的关系，同时为了有效抑制谐波引起的谐振，引入虚拟阻抗计算方法，提出一种储能虚拟同步发电机，该方法虽然控制效果较好，但对不同的谐振需要计算不同的虚拟阻抗，增加了计算量，在新能源发电并网中并不实用。交流电机一般采用正弦波控制，但由于外部干扰的存在，使得交流电机定子电流含有大量低次谐波[11]，严重影响了电机的低速运行。针对以上问题，文献[12-13]提出一种在传统矢量控制基础上引入自适应线性神经网络算法，实现了电流谐波的检测和提取，将提取的电流谐波采用神经网络算法获得补偿电压然后进行谐波抑制，但由于神经网络算法具有收敛速度慢、目标函数非常复杂等缺点，使得该控制方案效率较低，且在迭代计算某些区域相对停滞，虽然具有较好的谐波抑制能力，但系统 动态响应并不理想。文献[14-15]提出一种在传统 PI控制算法上添加比例复数积分抑制谐波的方法，该方法是一种组合谐波抑制方法，能够有效抑制并网电流的低次谐波，减小稳态误差。该方法虽 然降低了特定次谐波，但需要增加极点个数，间 接地增加了系统控制难度，且未考虑该组合控制方案的同步性。

文献[16]将谐波抑制法应用于电机控制系统，用于抑制电机相电流中的3次、9次谐波，本文借鉴其中的电机相电流谐波注入法，对控制算法进行优化，以L型光伏发电并网逆变器为模型，提出一种基于谐波注入法的特定次谐波抑制方案，对并网电流中的主要低次谐波（5次、7次谐波）进行抑制。该方案基于现代电力电子技术与高速数字信号处理（DSP）技术，产生一个与谐波分量幅值相等、相位相反的波形，用于抵消系统中存在的谐波。最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了该方法具有灵活性好、实用性强、对特定次谐波抑制能 力较强的优点，可以应用在新能源发电系统谐 波处理领域。

1 L型与LCL型滤波器

L型滤波器结构简单，运行可靠，是并网逆变电路较常采用的滤波方式。为了保证良好的滤波效果，滤波器需要选择较大的电感参数才能达到预定的要求，这就使得滤波器件体积增大，延迟时间延长，反应变慢。L型滤波器的拓扑结构如图1所示。

图1 L型滤波器的拓扑结构

相比于L型滤波器，LCL型滤波器能够更好地滤除开关纹波，且桥臂侧电感参数和网侧电感参数不用选取较大，降低了总电感值，节约了控制器的体积和成本，且能够保证其在高频段的谐波抑制能力。LCL型滤波器的拓扑结构如图2所示。电感参数相同的L型和LCL型滤波器的幅频及相频特性曲线如图3所示。

图2 LCL型滤波器的拓扑结构

图3 L型与LCL型滤波器的幅频及相频特性曲线

从图3可以看出：L型和LCL型滤波器在转折频率以下时，衰减幅值基本相同；在转折频率以上时，L型滤波器的幅值衰减为–50 dB，而LCL型滤波器的幅值衰减为–100 dB；LCL型滤波器在高频段具有良好的滤波性能，但在转折频率处存在谐振峰值，谐振幅值高达100 dB，且相位出现滞后现象，导致系统不稳定。另外，LCL型滤波器在闭环传递函数中引入了一对复极点，在获得较好的滤波性能的同时易发生谐振。根据劳斯-赫尔维茨（Routh-Hurwitz）稳定判据可以看出，LCL型并网逆变器的网侧电流无论采用P控制、PI控制还是PID控制，系统均很难达到稳定状态。因此，本文主要研究L型并网逆变器。

2 基于谐波注入法的逆变器控制系统

2.1 L型逆变器数学模型

光伏三相电压型逆变器拓扑结构如图4所示。

图4 L型三相逆变器的拓扑结构

图4中直流侧并联的大电容用以确保直流母线侧电压基本无脉动，逆变器通过L型滤波电路向负载供电。由图4可以得到abc三相坐标系下L型逆变器数学模型为

对式(1)进行Park变换，可以得到dq旋转坐标系下的数学模型为

其中，

在逆变器稳态运行时，忽略式(2)中的交流分量，只保留直流分量，可以得到三相逆变器稳态电压方程为

逆变器输出侧电压、电流通常包含一系列高次谐波分量，但以5次、7次等低次谐波为主。基波、5次、7次谐波可以表示为d、d5th和d7th。其中，基波按照旋转速度逆时针旋转，5次谐波按照旋转速度5顺时针旋转，7次谐波按照旋转速度7逆时针旋转。为了抑制并网逆变器中5次、7次谐波的影响，本文通过在逆变器中注入5次、7次电压谐波来抑制。

在abc三相静止坐标系下，电压方程为

式中，a、b、c为逆变器输出电压，1、5、7为基波、5次谐波、7次谐波的出相角，1、5、7为基波、5次谐波、7次谐波的电压幅值。

谐波电流由相应的谐波电压产生，逆变器输出侧三相电流和电压也类似式(7)，且各次谐波电压与谐波电流的旋转方向和速度均相同。

与基波稳态电压方程(6)类似，在5次旋转坐标系下，5次谐波稳态电压方程为

式中，u5、u5分别为5次谐波电压在5轴、5轴上的分量，i5、i5分别为5次谐波电压在5轴、5轴上的分量。

同理，在7同步旋转坐标系下，7次谐波稳态电压方程为

式中，u7、u7分别为7次谐波电压在7轴、7轴上的分量，i7、i7分别为7次谐波电压在7轴、7轴上的分量。

2.2 谐波电流提取

根据坐标变换的原理可以推导出，在d同步旋转坐标系下，基波为直流分量，而5次谐波、7次谐波均为交流分量；在q5同步旋转坐标系下，5次谐波分量为直流分量，而基波、7次谐波均为交流分量；在d7同步旋转坐标系下，7次谐波分量为直流分量，而基波、5次谐波均为交流分量。根据这一原理，可以利用低通滤波器实现5次、7次谐波的提取。得到d5坐标系下的5次谐波电流的直轴分量i5和交轴分量i5、d7坐标系下的7次谐波电流的直轴分量i7和交轴分量i7。逆变器三相输出电流中的5次谐波和7次谐波提取模块如图5所示。

图5 5次谐波和7次谐波电流提取模块

2.3 补偿谐波电压计算

3 MATLAB/Simulink仿真分析

为了验证基于谐波电流注入法的光伏并网逆变电路控制系统对5次、7次等低次谐波的抑制能力。在MATLAB/Simulink下搭建控制系统的仿真模型，L型逆变器主要参数见表1。

表1 逆变器主要仿真参数

Tab.1 Inverter simulation parameters

基于谐波电流注入法的L型三相逆变电路控制系统结构如图6所示。

图6 基于谐波电流注入法的三相逆变电路控制系统结构

3.1 并网电流仿真波形

图7为未加入谐波电流注入模块的并网电流仿真波形，图8为加入谐波电流注入模块的并网电流仿真波形。

图7 未加入谐波注入模块的并网电流仿真波形

图8 加入谐波注入模块的并网电流仿真波形

由图7和图8可见，未加入谐波电流注入模块的并网电流仿真波形正弦稳定性较差，波形不光滑，且在波峰和波谷处存在较大波动；加入谐波电流注入模块的并网电流仿真波形正弦稳定性得到较大改善，波形光滑，波峰和波谷处基本无波动。

3.2 并网电流TTL分析

图9为未加入谐波电流注入模块的a相并网电流网络数据包生存周期（TTL）分析图，图10为加入谐波电流注入模块的a相并网电流TTL分析图。比较图9和图10可以看出，未加入谐波电流注入模块的a相并网电流谐波畸变率THD=9.07%，不能满足THD＜5%的光伏发电并网要求；加入谐波电流注入模块的a相并网电流谐波畸变率下降为THD=1.82%，a相并网电流中的5次、7次谐波得到了明显抑制，满足光伏发电并网的要求。

图9 未加入谐波电流注入模块的a相并网电流THD

图10 加入谐波电流注入模块的a相并网电流THD

4 试验分析

为了验证所提出的谐波抑制方案的有效性，搭建以TMS320F28335为核心的DSP控制系统，驱动电路采用基于过电流保护的三相桥式拓扑结构，驱动导通采用IXYS公司的MCO150-12I01软上电晶闸管的软上电模块，A/D转换模块采用SAD1674MD，系统开关频率为10 kHz。a相并网电流波形采用Tektronix公司的MDO4104B-3示波器进行观测。

图11和图12分别为未加入和加入谐波电流注入模块的a相并网电流的试验波形。

图11 未加入谐波电流注入模块的a相并网电流波形

图12 加入谐波电流注入模块的a相并网电流波形

对比图11、图12可以看出，未加入谐波电流注入模块得到光伏并网a相电流波形存在较多毛刺，尤其在峰-峰值处谐波畸变率高；而加入谐波电流注入模块得到的光伏并网a相电流波形光滑，正弦稳定性较好，尖峰毛刺较少，峰-峰值处的波形畸变率较小，电能质量高。

分析试验波形的数据可发现，当未加入谐波电流注入模块时，a相并网电流在MATLAB仿真下的THD=9.07%，a相并网电流在试验下的THD=9.81%；加入谐波电流注入模块时，a相并网电流在MATLAB仿真下的THD=1.82%，a相并网电流在试验下的THD=2.35%。通过比较可以得出：基于谐波电流注入模块的光伏发电并网谐波抑制方案可以有效降低网侧电流的谐波畸变率，保证并网电能质量。但在试验环境下，谐波畸变率略有升高，主要是由于实际测量误差和电磁干扰所致，但并网电流谐波畸变率仍能保证小于5%的总体要求。

5 结 语

针对光伏发电并网电流的谐波抑制问题，本文首先分析了L型光伏发电逆变控制系统的模型，并在此基础上提出一种基于谐波电流注入法的光伏发电并网电流谐波抑制方案。在逆变电路PI控制的基础上，通过引入对特定次谐波电流的抑制模块，对光伏发电并网电流中影响较为严重的5次、7次等低次谐波进行有效抑制，并对未加入谐波电流注入模块和加入谐波电流注入模块2种方法进行了分析比较。最后，通过MATLAB/Simulink和试验验证了基于谐波电流注入法的光伏发电并网逆变器控制系统可以有效降低谐波抑制率，值得在实际应用中推广。

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Harmonic suppression scheme of L-type photovoltaic grid-connected inverter based on harmonic injection method

SHAN Shirui1, YANG Fuying1, YANG Peihao2

(1. Xuchang Vocational and Technical College, Xuchang 461000, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In the process of photovoltaic power generation, the power quality is not good. The reason is that the output current generally contains low-order harmonics, among which the low-order harmonics of 5 times and 7 times are most serious, due to the switching characteristics of the inverter. In order to suppress the low-order harmonics in the output current and reduce the loss of loads and line, a harmonic suppression control strategy based on grid-connected inverter topology of L-type is proposed in this paper. A harmonic modulation scheme based on SPWM harmonic injection, which is to inject compensation voltage of low-order harmonics of 5th times and 7th times, is discussed in detail. The purpose is reducing the specific harmonics of the output current and improving the power quality of the grid connection. The MATLAB/Simulink simulation and experiment verifies that this scheme can effectively reduce the specific sub-harmonic content in grid-connected current, reduce the harmonic distortion rate and improve the grid-connected power quality of photovoltaic power generation.

photovoltaic power generation, inverter, low-order harmonics, harmonic injection, electric power quality, harmonic distortion rate

TM464+.32; TM614

B

10.19666/j.rlfd.201902036

单士睿, 杨富营, 杨沛豪. 基于谐波注入法的L型光伏并网逆变器谐波抑制方案[J]. 热力发电, 2019, 48(7): 97-102. SHAN Shirui, YANG Fuying, YANG Peihao. Harmonic suppression scheme of L-type photovoltaic grid-connected inverter based on harmonic injection method[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 97-102.

2019-02-06

单士睿(1982—)，男，硕士，副教授，主要研究方向为机电一体化技术，330353931@qq.com。

（责任编辑 杜亚勤）