具有谐波补偿功能的光伏并网逆变器控制策略研究∗

（贵州电网有限责任公司安顺供电局 安顺 561000）

1 引言

光伏发电是目前新能源开发利用中的重点使用内容之一，对于解决能源和环境问题，有着深远的意义［1～4］。同时，光伏并网发电也是未来开发、利用太阳能光伏的重要途径。随着高新技术的进步和新能源的发展，光伏并网逆变器因具有多种应用而深受广大用户的欢迎［5～7］。目前，光伏并网发电是利用太阳能发电、利用太阳能作为能源的重要形式，不仅能够缓解能源危机、减少环境污染，还具有成本低廉的优点［8～12］。但是，随着能源技术的不断进步和工业技术的发展，电网中连接有大量非线性负载，从而产生大量的谐波无功电流，使电能质量下降，大大降低了用户的使用率［13～15］。因此，谐波补偿对营造纯净的电网环境具有重要的作用。

针对该问题，本文将光伏并网逆变器控制策略作为研究客体，通过在接入并网中的逆变器接入谐波补偿装置，过滤并网中的电流谐波含量，从而提高并网中的电能质量，增强电网的可靠性，消除污染严重的谐波，从而使用户更充分、更合理地利用光伏并网逆变器。

2 光伏并网逆变器拓扑结构

在光伏电站中，存在大量的矩阵式太阳能电池板，将矩阵式太阳能电池板输出的直流电以光伏阵列的形式输入至逆变器的直流电输入端，输入的直流电通过IGBT功率单元进行逆变作用，然后将直流电转换为与电网标准（比如IEEE519-1992、IEEE1547-2003）要求的电压同频且同相的交流工频电，然后经过滤波单元的滤波，最后还要经过谐波补偿装置将谐波补偿掉，最终将无谐波污染的交流电并入电网。其中MPPT是最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking）的简写，是对光伏阵列的输出功率点进行最大化处理。光伏并网逆变器的主要作用是将直流输入转换成交流输出，输出的交流电压能够实现与市电电压的频率、相位同步，使得输出的交流电压与市电电压汇合。如图1所示，在具体应用中，通常太阳能并网逆变器在并网发电系统中发挥其核心功能作业，将太阳能电池板发出的直流输出逆变成单相交流输出，交流输出被馈送到电网，能够稳定中间电压，实现前级升压斩波器对最大功率点的跟踪，并网保护功能较为完善，使系统安全、可靠。

图1 并网逆变器系统的拓扑结构示意图

本文所述的并网逆变器系统的拓扑结构包括太阳能电池板、DC/DC模块、DC/AC模块、DSP控制单元、电感电路、滤波电路、电网电路等。其中DC/DC模块可以采用SG3525芯片来控制，SG3525为双端输出式，其作用是进行SPWM脉宽调制，调制产生的占空比可变PWM波形能够驱动晶闸管的门极，进而控制晶闸管的通、断，从而实现控制输出波形。DC/AC模块采用TI公司生产的TMS320F240，将其用作主控芯片，能够采集电网输出的同步电压、电流、谐波等信号以及交流电压输入信号，并能够调节IGBT，使得其门极能够驱动电路中的脉冲频率信号，最后，通过DSP控制单元控制，即利用锁相环进行控制的技术，实现对并网中电流的频率、相位的控制，从而使得输出电压与电网中的电压同频、同相。

本系统中，DSP控制单元采用TI公司的DSP2812作为核心控制芯片，并采用Xilinx CPLD XC9572XL作为数字锁相和保护电路，其中XC9572XL的内核电压为3.3V，其组成模块包含4个54V18功能模块，能够提供1600个5ns延迟可用门。

为了使阵列的发电功率最大化，通常采用MPPT算法使已经最大化的阵列输出来实现逆变器的输出，MPT的个数随着MPPT电压范围的扩大而变宽。如果存在相同额定功率和相同输入，逆变器则将获得比较大的能量输出，逆变器的效率也将越大。本文采用以下措施实现光伏并网逆变器的控制，如图2所示。

图2 光伏并网逆变器谐波控制架构图

在该控制系统中，通过谐波补偿装置检测电网中的电压、电流和谐波情况，尤其是谐波检测尤为重要。谐波补偿功能情况与检测的谐波情况相关。下面对谐波补偿方面做详细介绍，以三相为例。在此引入了锁相环，锁相环（PLL）作为反馈控制电路的一种形式，能够将外部输入的信号与内部振荡的信号进行同步，锁相回路用于产生振荡信号，该振荡信号能够将外部施加的基准信号与锁相环回路内的振荡器输出的相位差进行恒定的反馈控制，如图3所示。

由于电网信号的瞬变性，采用瞬时无功功率理论的ip-iq检测方法检测电网谐波，负载流过的电流经过坐标转换输出有功分量ip、无功分量iq，通过滤波器（高通滤波器）将有功分量ip、无功分量iq中的谐波分量分离出来，分离出的谐波分量经过坐标反变换后便是三相线ia、ib、iC的谐波电流，坐标变换公式为

在检测出电网中的谐波后，谐波通过DSP控制单元计算、处理。DSP控制单元对采集到的谐波数据进行计算、分析，根据计算分析结果补偿谐波，总控中心控制接收计算机下达的指令，将接收到的指令下达给DSP控制单元，DSP控制单元通过MPPT计算单元计算。下文将详细介绍。

图3 谐波检测方案示意图

3 谐波补偿控制策略

图4 谐波电流补偿电路示意图

在电网主电路中，通过谐波检测单元检测电网主线路中电流谐波含量，然后通过A/D转换单元将检测到的电流谐波含量模拟量转换成数字量，输出至谐波计算单元进行计算，得出检测到的电流谐波含量数字量，谐波计算单元输出信息传递到电流输出控制单元，电流输出控制单元根据接收的电流信号，将命令发送至驱动电路，驱动电路能够将电流输出控制单元输出的PWM信号功率进行放大，满足主电路中功率器件IGBT正常工作的需求。最终驱动电路驱动PWM逆变单元（三相或单相），PWM逆变单元根据驱动开关元件IGBT发出的PWM波形情况产生与电网主电路谐波含量大小相等但方向相反的补偿电流，从而将电网主电路中的多余谐波含量补偿掉，因而，逆变器主电路内的电流含量就是过滤谐波后的无谐波纯净电流，补偿示意图见图4所示。

在本文中，也可以使用LMS滤波器进行估算输出电流谐波含量来补偿电网谐波，如图5所示。

图5 滤波器控制结构示意图

假设LMS滤波器具有N个权值，则根据LMS算法可计算出合适的权值。计算方法如下，设：权系数向量：

输出向量：

LMS滤波器输出：

误差量：

式中：d（n）为第一次的输入值，通过y（n）估算d（n）的频率分量。

将LMS滤波器的功能函数定义为

功能函数每向前移动至最小量值w时，则即时更新。更新后的公式为

在所述公式中，μ为步长设定参数，其大小决定LMS滤波器的收敛性，μ值越大，收敛性越快，μ值越小，收敛性越慢，∇为LMS滤波器功能函数的梯度。

图6 电网电流谐波含量评估算法模型

最终得到的LMS滤波器的权值为

由此，d（n）中任意一个谐波分量可根据上述公式估算得出。基于上述理论分析，将上述模型应用到电网中，实现对电网中的电流谐波补偿中，则转换为如图6所示计算模型。

在上述评估算法模型中，设定电网电流i中第k次谐波ik是在电网中采集的电流值与在该谐波频率下进行锁相而得出估计值。在计算时，根据ik的估算值得出电压值，从控制器设定的电压值中减去产生的电压值，即可得出电网电流谐波含量。

4 仿真试验与分析

在实验室Matlab/Simulink环境下构造系统试验拓扑结构，以风扇机柜为负载，采用三相三线制，首先打开软件界面，输入运行数据，设定数值如下文所示。其中电源采用380V/50Hz的三相三线对称电源，电感采用2mH，逆变器的直流侧设置的电容采用3000μF，控制逆变器的直流侧电压采用600V。首先在“运行”界面，上，点击“输入数据”，切换查询各个功率柜的输入电压、输入电流及输入功率，如图7所示。

图7 软件登录界面

在“运行”界面，点击“输出数据”，查看输出的各路线电压、各相线电流、有功功率、无功功率、功率因数及电网频率，如图8所示。

图8 显示界面

在“运行”界面，点击“实时曲线”，实时曲线包括输入电压曲线和输出功率曲线，如图9所示。

图9 运行曲线图

下面对抽取的电流谐波含量进行分析。如图10所示，在图10中，观察0.8s内的谐波含量。

图10 谐波补偿前波形图

使用本文描述的方法进行谐波补偿得到的谐波含量如图11所示。

图11 谐波补偿后波形图

由此可见，通过比对可知，电流谐波总畸变量从补偿前的29.32%变为补偿后的5.02%，5次谐波的含量从补偿前的23.01%变为补偿后的2.53%，7次谐波的含量从补偿前的12.31%变为补偿后的2.01%，11次谐波含量从补偿前的8.91%变为补偿后的1.51%，13次谐波含量从补偿前的7.01%变为补偿后的1.34%，因此，大大降低了谐波总畸变量。其中并入电网电流谐波频谱图如图12和图13所示。

图12 并入电网电流谐波频谱图

图13 并入电网电流谐波频谱图

5 结语

针对光伏并网逆变器中存在谐波的问题，为了保证电网中电流的纯洁性，提出了具有谐波补偿功能的光伏并网逆变器控制策略，通过LMS算法计算电网电流谐波含量，并提出接入电网中滤波器来滤除并入电网中的谐波，通过试验，针对电扇机柜负载中5次、7次、11次、13次谐波作为示例进行补偿，并具有明显的电流畸变率。大大提高了设备利用率，降低了企业硬件投入成本，为光伏并网逆变器下一步的研究工作和实际奠定技术基础。