基于有源滤波器的分布式电源并网后电能质量的仿真分析

张怀鹏， 马耀东， 张栋， 张丹杰， 毛红霞

(国网宁夏电力有限公司 中卫供电公司， 宁夏 中卫 755000)

0 引言

当在电网中接入分布式电源后，将对电压与谐波造成不稳定的影响，从而引起电能质量的降低[1-5]。为了克服分布式电源引起的电网波动，通常需要接入大量电力转换设备以实现对电流与电压的有效调控，从而使分布式电源与电网形成良好的协调连接状态，由此便会引起明显的谐波污染，将使电网发生大负荷变化，导致电力系统出现电压的明显改变[6-10]。对于电力系统内存在的谐波情况，通常是以电力滤波器来消除系统内存在的谐波电流，主要包括无源滤波器(passive power filter, PPF)与有源滤波器(active power filter, APF)共两类[11]。其中，PPF由电阻、电容、电抗等各类非有源元件组成，在低阻抗通路中主要通过次谐波，从而实现滤除高次谐波的效果[12]。

为克服PPF滤波的不足之处，一些学者通过长期研究后,开发得到了有源滤波器。经APF处理能够使半导体器件形成相反相位，从而达到有效抵偿谐波电流的作用。

1 模型建立

APF是抵制谐波的电子器件，并能够进行无功补偿。对于频率与幅值都随时间改变的谐波，可通过这种方法将其全部消除，同时也可以补偿各时间对应的无功功率。电压型APF的机理结构,如图1所示。

由图1可知，左边es是交流电源，指令电流计算电路的功能是对谐波电流进行测试，由电流追踪电路根据测定的谐波电流来驱动主电路并形成和谐波电流具有同样变化规律的电流以实现消除谐波电流的效果，通过这种方式可以达到抑制谐波的作用。将其分为如下步骤：假设非线性负载内存在谐波电流，可将其分为谐波电流iLh与基波电流iLf两个不同部分，利用APF指令电流计算来测定谐波电流iLh，再将iLh作为电流追踪的输入iC，利用iC来实现控制驱动电路使其产生和谐波电流iLh方向与幅值都相同的电流iC，1由电源形成的电流is不包括谐波电流成分，可以通过APF来去除非线性负载形成的谐波电流iLh。

图1 电压型APF的机理结构

本文选择并联APF。并联APF结构,如图2所示。

图2 并联APF结构

并联APF数学结构,如图3所示。

图3 并联APF数学结构

以Ki来表示图3中的桥臂开关函数，如式(1)。

(1)

抵偿电流ic与电网电压u和主电路直流侧电压ud间关系,如式(2)。

(2)

式中,iac、ibc、icc分别表示APF供给的三线电流值；K1、K2、K3分别表示三线桥臂开关系数；u1、u2、u3分别表示三线电网电压；Δu为电压降。

对式(2)积分后便可得到补偿电流ic表达式,如式(3)。

(3)

式中,iac0、ibc0、icc0表示t0分别为初始时刻APF供给的三线电流初始值。

APF中的直流侧电容电压ud和电流id,如式(4)。

(4)

式中,ud0表示t0时刻电容C上的初始电压值。

如果遇到初始抵偿电流ic0和非线性负载谐波电流存在区别时，追踪电路可利用对电力电子器件开关函数Ki进行调节的方式来实现抵偿电流与谐波电流的追踪过程，由此实现抵偿电流的方向与大小和谐波电流达到同样的状态，从而实现将谐波电流除去的目的。并且在不同的开关函数下，直流侧电容电压值ud也会发生变化。

2 结果分析

利用Matlab/Simulink平台构建得到的含有谐波检测与治理模块的并网光伏发电系统模型,如图4所示。

图4 系统仿真模型

利用在光伏并网系统内设置二极管不可控整流回路的方式来形成谐波源，同时设定谐波治理模块为0.06 s再进行谐波治理，可以看到治理前后形成的对比图,如图5所示。

对图5(a)进行分析可知，谐波治理前并未对电网的运行产生影响；根据图5(b)可知，谐波治理后电网电流受到较大干扰，产生了明显的谐波电流，在0.06 s时系统开始进行谐波治理，得到接近正弦波变化趋势的曲线，此时在曲线上形成了无法治理的突变状高次谐波。对图5(b)给出的电流曲线实施FFT处理。获得的结果,如图6所示。

图6显示了加APF前后并网点电流FFT结果。可以发现加APF前并网点电流波动较大，表明此时总谐波畸变率；可以发现存在APF的情况下电流波动变的平稳，可见总谐波畸变率THD得到明显降低。根据以上仿真测试结果可知，当把APF加入并网光伏发电系统后可以使并网点含有的低次谐波电流充分去除，从而有效改善光伏发电系统并网质量，避免谐波源对电网产生谐波污染。

(a) 电压

(b) 电流

图6 加APF前后电流FFT结果

光伏发电系统的仿真模型逆变器并联线路上接入了负载，同时为线路配备了故障仿真分析模块。经仿真测试发现，在故障属于A相接地的情况下，将会使A相电压出现暂降的结果；在很短的A相接地故障时间中，A相会产生脉冲暂态的变化；如果设定三相接地故障的时间过短时，将引起振荡暂态的问题。

为深入研究故障和并网点距离引起的电压暂降情况，从0.1～9 km范围内选择几个代表点再开展仿真测试，所得数据进行作图得到的曲线，如图7所示。

图7 电压暂降幅度与距离之间的关系

根据测试结果可知，在线路处于不同并网点的条件下，将会产生不同的电压暂降。结合电压暂降的概念，当把故障设定在并网点0.1～2 km范围内可判断信号出现了电压暂降；把故障设置在并网点间距超过2 km的位置，得到的有效电压高于0.9 pu，表明此时信号处于正常状态，没有出现暂态。可以发现，当故障与并网点相距越小时，将会产生更明显的电压暂降。

3 总结

为了降低电压与谐波对电能质量造成的不稳定，开展基于有源滤波器的分布式电源并网后电能质量Matlab仿真，分析APF加入并网光伏发电系统后并网点含有的低次谐波电流的去除情况，研究结果得到该系统能够有效改善光伏发电系统并网质量，避免谐波源对电网产生谐波污染。在线路处于不同并网点的条件下，将会产生不同的电压暂降。把故障设置在并网点间距超过2 km的位置，得到的有效电压高于0.9 pu，表明此时信号处于正常状态。当故障与并网点相距越小时，将会产生更明显的电压暂降。