基于有源電力濾波器的光伏發電控制系統研究

天津京濱工業園開發有限公司 崔偉

引言

隨著電網中非線性負載的日益增多，諧波污染治理的問題越來越受到重視就目前工業應用而言[1]，無源電力濾波器（PF）以其投資少、結構簡單、運行可靠、維護方便等優點而在眾多領域得到了廣泛使用，但其缺點是濾波特性受電力系統參數的影響大，特別是在高壓系統中，濾波電容不可能很大，濾波器失諧狀態下的濾波要求有時難以滿足，還可能導致諧波放大，甚至與系統發生諧振危機電網安全，這使得PF的設計比較復雜。另外，PF濾波器中的R、L、C消耗大量的有效材料，體積大，占地多。針對PF這些缺點，于20世紀80年代才發展起來的有源電力濾波器（APF）作為一種能動態抑制諧波的電力電子裝置受到了廣泛關注，并出現了眾多的電路拓撲結構和控制方案[2-5]。APF功能全面，可以同時補償諧波，不對稱電流、母線電壓波動和無功，而且補償無功功率的大小可以連續調節；諧波補償的效果受電網阻抗的影響小，不易和電網阻抗發生諧振；APF能夠跟蹤電網頻率的變化，因而補償性能不受頻率變化的影響；同時APF補償電流的大小可控，當補償對象發生變化時不會過載。因此有源電力濾波器也成了近年來國內外研究的熱點之一。

另一方面，隨著我國工業化進程的加快，能源和環保問題已成為當今世界關注的熱點問題。人口眾多，經濟結構不合理，經濟發展過快等因素導致我國的能源和環保問題更為嚴重，因此，加速開發利用新能源和綠色能源迫在眉睫，太陽能以其不竭性和環保優勢已成為最具光明前景的新能源之一[6-8]。

在我國，有源電力濾波器和光伏發電均處在推廣應用階段,雖然兩者的應用前景非常光明,但是兩種技術的推廣都面臨著不同程度的發展障礙。

有源電力濾波器主要表現在如下方面：

（1）應用成本較高，由于要用到大容量的電力開關器件和高速的數字控制芯片,成本比傳統的無源濾波器成本高出很多,嚴重阻礙的推廣應用；

（2）功能比較單一，由于電能質量問題日益多樣化,對電能質量治理裝置的功能多樣性要求也越來越高,對敏感負載最關心的電壓閃變和電力瞬時中斷無能為力；

（3）裝置容量較小，諧波和無功功率對電網而言危害很大,電網中的諧波和無功總量也很大,但是由于功率開關器件的限制,目前的容量較小,安裝少量的APF對改善電能質量的效果并不明顯。

光伏發電主要表現在如下方面：

（1）應用成本較高，2003年光伏發電系統價格約為60－80元/W，相對與目前的火力和水利發電，光伏發電的成本約為后者的6－20倍。成本高是當前制約光伏發電市場快速發展的主要原因；

（2）設備利用率較低，由于日夜交替的原因，夜里光伏發電裝置要停機，只有白天且天氣較好的時候才能發電工作，這種間歇性的工作不僅降低了設備的利用率，并且頻繁的投切電網會對電力系統的正常運行造成影響；

（3）容量較小并且功能比較單一，由于電力電子器件容量和成本的限制，目前并網裝置的容量不大,并且目前的并網裝置對電力系統日益關心的電能質量問題改善作用不大,甚至,有時會對電力系統的正常運行和電能質量造成負面影響。另一方面，兩種裝置也有諸多相同之處，深入分析兩者的不足和相同之處，利用先進的電力電子技術對兩者實施統一控制，并進行適當的功能拓展，以盡量解決兩者推廣應用的障礙，這不僅對兩種技術的推廣具有重大意義，而且對環境保護、新能源開發和綠色電力的和諧發展具有一定的意義。

1 APF與光伏并網發電的對比分析

1.1 APF的工作原理

根據與補償對象連接方式的不同，可分為并聯型和串聯型兩種，實際應用中多為并聯型，下面以并聯型為例介紹其工作原理。圖1所示為最基本的APF系統的原理圖。

圖1 并聯型原理圖

圖中， au 、 bu、 cu 代表三相交流電源,負載為諧波源,它產生諧波并消耗無功功率。系統主要由兩部分組成，即指令電流運算和電流跟蹤控制部分（包括控制電路、驅動電路和主電路）。其中,指令電流運算部分的核心是檢測出被補償對象電流中的諧波和無功電流分量，電流跟蹤控制部分的作用是根據指令電流運算得出的補償電流指令信號，產生實際的補償電流。作為主電路的PWM變流器，在產生補償電流時，主要作為逆變器工作，但是在電網向直流側充電時，它作為整流器工作。也就是說，它既可以工作在逆變狀態，又可以工作在整流狀態。

APF的基本工作原理是檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算單元計算出補償電流的指令電流信號，電流跟蹤控制部分按照指令電流信號控制補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功電流相抵消，最終得到期望的電網電流。

1.2 光伏并網發電的工作原理

光伏并網發電系統按照系統功能通常分為兩類，一種為含有蓄電池組的可調度式光伏并網發電系統，另一種為不含蓄電池的不可調度式光伏并網發電系統。通常，可調度式系統應用在規模較大的集中式并網光伏系統，不可調度式應用在分散小型并網光伏系統。兩種并網系統中，前者較后者功能要強，因為前者具有儲能能力，可以用于電網調峰和應急供電。

下面以不可調度式光伏并網系統為例來說明光伏并網發電的工作原理，系統結構和原理如圖2所示：

圖2 不可調度式光伏并網發電系統

不可調度式光伏并網發電系統的工作過程為白天，光伏陣列有電能輸出時，并網逆變器通過最大功率點跟蹤使光伏陣列輸出最大電能并以單位功率因數向電網供電夜晚，光伏陣列無電能輸出，并網逆變器停止工作，保證夜間低損耗當電網斷電時，并網逆變器停止工作，避免孤島效應發生。

1.3 APF和光伏并網發電裝置的相同電點分析

從上面兩節對和光伏并網發電原理的介紹可知,兩者有諸多相同之處，下面從系統結構，功能和控制方法三方面分別進行比較分析。

結構方面。APF和光伏并網發電裝置的結構對比如圖3所示:

圖3 有源電力濾波器和光伏并網發電系統結構對比圖

從上圖可知兩者在變流器拓撲以及連接電網的方式上相同，只是直流側不同，APF的直流側是電容器,而光伏并網發電的直流側是光伏陣列。

（2）功能方面。APF的功能是補償諧波和無功電流，即向電網注入諧波和無功電能；光伏并網發電裝置的功能是并網發電,即向電網注入有功電能,兩者只是注入到電網的電能種類不同,本質上是相同的。

（3）控制方法兩者都含有電流跟蹤控制技術和鎖相技術，并且控制方法是一致的，不同的是APF還涉及諧波和無功檢測技術，而光伏并網系統涉及最大功率跟蹤和孤島效應檢測技術,但兩者的主要技術是相同的。

2 具有APF功能的光伏發電控制系統

由上節的分析可知,APF和光伏并網發電系統在結構、功能和控制方法等諸方面是相同的,所以理論上存在對兩者實施統一控制的可能性,如果能夠實現對和光伏并網發電的統一控制,就可以在同一裝置上實現多種功能,有利于技術推廣。

分析對直流側的控制原理可知,APF的直流側電容電壓是靠系統自身與電網的能量交換來維持的。當直流側電壓超過給定時，會通過向電網注入有功電能來降低直流側的電壓，也就是說通過適當的控制可以利用把直流側的電能以有功電流的形式注入到電網。這也就是光伏并網發電實施統一控制的理論基礎,這樣就可以把光伏陣列直接或經過升壓電路接到的直流側,通過對其實施最大功率點跟蹤可以實現光伏陣列以最大功率向電網注入電能，并且在實現并網發電的同時不會對的原有功能造成影響。

按照上述思想對兩種裝置進行合并實施統一控制,與光伏并網發電統一控制系統示意圖如下：

圖4 APF與光伏并網發電統一控制系統

APF與光伏并網發電統一控制系統可以集諧波與無功電流補償和光伏并網發電于一體。工作原理簡述如下：電流檢測部分通過檢測算法檢測出非線性負載的無功和諧波電流,形成無功和諧波補償指令電流。最大功率跟蹤控制部分負責跟蹤光伏陣列的最大功率點，形成并網指令電流，控制部分把無功和諧波補償指令電流和并網指令電流進行合并后，利用合適的控制方法控制變流器按合成后的指令電流向電網注入電流,就可以同時實現電流質量治理和光伏并網發電。針對上述APF和光伏發電統一控制系統，本文提出如下控制策略：

（1）電網正常時，統一控制系統工作在并網模式，該模式下系統被控制成一個受控電流源。系統利用合適的電流跟蹤控制方法，按照諧波補償和光伏并網合成指令向電網注入電流，以同時實現電流質量治理和光伏并網發電。在諧波補償和光伏并網發電容量相沖突時，系統利用蓄電池組或其它方法對兩者進行容量協調，以保證裝置的安全穩定工作。

（2）在電網因故障中斷時，系統快速從并網工作模式轉換到工作模式對重要負載實施電力中斷補償功能，此時系統相當于從一個受控電流源轉變成一個受控電壓源，保證重要負載不間斷地工作,同時系統把裝置本身和重要負載切離電網，以防止孤島效應發生。

（2）當電力恢復時，系統通過鎖相環節調整系統與電網相位同步，然后從模式轉換到并網模式繼續工作。此時系統相當于從受控電壓源轉換回受控電流源，繼續進行諧波補償和光伏并網發電。在兩種工作模式的轉換過程中采取適當的方法保證負載端電壓幅值和相位的連續性。

（4）根據系統性能要求和蓄電池的特性，對蓄電池組進行合理的充放電控制和直流側優化管理。按照不同的工作環境和狀態,對直流側電容器、光伏陣列和蓄電池組進行具體的組合優化管理，確保電力中斷時系統能繼續向負載供電至電力恢復或達到預定的應急供電時間。

（5）根據系統的整體性能和安全穩定工作的需要,系統還需要具有軟啟動、電力中斷檢測、電網電壓鎖相、最大功率點跟蹤控制和光伏充電等技術作為系統正常工作的技術保障。

3 諧波檢測和光伏并網發電的合成算法

統一控制系統的關鍵技術之一是無功和諧波電流的檢測。最早的諧波電流檢測方法是采用模擬電路實現的，這種方法對電網頻率波動和電路元件參數十分敏感:而采用周期電流相位的無功電流檢測方法由于其具有較長時間的延遲，實時性不好，且不能檢測電流中的諧波，因而不適應要求快速反應的統一控制系統系統。自適應檢測方法、基于小波理論的檢測方法和基于神經網絡的檢測方法。這些方法還較少被應用于實際工程中。基于三相瞬時無功功率理論的瞬時無功和諧波電流檢測方式具有良好的實時性，而采用數字信號處理器DSP作為控制中心，其運算能力和速度可以滿足系統的實時檢測要求，并大大減少硬件電路的復雜性，避免了器件的離散性帶來的測量誤差。

統一控制系統系統的關鍵技術之二是光伏陣列的最大功率跟蹤。光伏陣列的輸出功率與陣列工作電壓具有強烈的非線性，雖然光伏陣列的MPPT實現方法已經有相當長的研究歷史和眾多文獻介紹，如功率回授法、電導增量法、間歇掃描法等，但理論方法和仿真結果的成功并不能表示其在實際應用中能夠獲得一致性的滿意效果，本文提出了基于神經網絡的最大功率跟蹤法，并對其進行了詳細討論，仿真實驗表明其具有良好的最大功率跟蹤特性。

3.1 無功及諧波電流的檢測

本文所提出的APF與光伏發電統一控制系統要同時實現無功及諧波電流補償和光伏并網發電，這就決定指令電流計算包含無功及諧波電流的補償指令電流計算、光伏并網發電有功指令電流計算以及上述兩者的合成運算，其中無功及諧波電流的檢測是系統完成諧波和無功補償的關鍵。

諧波和無功電流的檢測方法作為APF的一個重要研究分支，多年來有許多學者對此進行了深入的研究，新的檢測方法也層出不窮。其實諧波檢測技術伴隨著交流電力系統發展的全過程，誕生了頻域理論和時域理論，形成了多種諧波檢測方法。日本學者赤木泰文等人于1983年提出了瞬時無功功率理論，并在此基礎上提出了兩種諧波電流的檢測方法，它是目前APF中應用最廣的檢測方法，對于諧波和無功補償裝置的研究和開發起了極大的推動作用。瞬時無功功率理論的核心思想是采用變換矩陣將三相電路的各相電壓和電流瞬時值變換到阿爾法與貝塔正交坐標系，并將電壓、電流矢量的點積定義為瞬時有功功率，電壓和電流矢量的叉積定義為瞬時無功功率。在此基礎上，發展出廣為使用的p-q法和ip-iq法。由于電網電壓不對稱或電壓畸變時p-q法存在不足，本文采用ip-iq法。該方法不直接使用三相電網電壓進行功率計算，而是通過鎖相環（PLL）獲取A相電網電壓的相位，然后產生標準的正、余弦信號進行瞬時有功、無功電流的計算。根據定義可以計算出 ip、iq，經低通濾波器后得出其直流分量 ip、iq。然后經過反變換可以求出iaf、ibf、icf，再與 ia、ib、ic作差，就可得到諧波分量 iah、ibh、ich。原理如圖5所示，圖中開關斷開時最終的檢測結果包含無功和諧波電流含量， 合并時只檢測諧波電流。

圖5 ip-iq檢測方法原理圖

3.2 最大功率跟蹤

光伏電池的輸出功率等于光伏電池的端口輸出電壓與端口輸出電流的乘積。因此，研究光伏電池的輸出功率同光伏電池的輸出端口電壓之間的關系可以得到在不同環境條件下的光伏電池的輸出功率電壓曲線。如圖所示：

圖6 a 在S相同T不同條件下P-V曲線

圖6 b 在T相同S不同條件下P-V曲線

由光伏電池的輸出功率電壓特性曲線圖可以看出，光伏電池的輸出功率受光伏電池溫度T以及太陽輻射強度S的影響。在相同的輻射條件S下，光伏電池的溫度越高，則光伏電池的開路電壓越低，輸出功率越小；反之，光伏電池的溫度越低，則光伏電池的開路電壓就越高，輸出功率越大。在相同的光伏電池溫度T下，照射到光伏電池上的輻射強度S越強，則光伏電池的短路電流就越高，輸出功率越大；輻射強度越低，則光伏電池的短路電流越低，輸出功率越小。

在實際光伏系統中，光伏電池的輸出功率往往同時受到溫度T及太陽輻射強度S變化的影響，但總的來說，溫度T的增加使得光伏電池的輸出功率產生減小的趨勢，輻射強度S的增加使得光伏電池的輸出功率產生增大的趨勢，光伏電池的實際輸出功率正是這兩種趨勢相互作用的結果。光伏電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，而且隨著光照強度和溫度的變化而變化。為能讓太陽能電池在供電系統中充分發揮它的光電轉換能力，就需實時控制太陽能電池的工作點以獲得最大功率輸出。目前已經發展出了許多新的MPPT的方案，例如基于模糊控制的MPPT方法，基于預測數據的MPPT方法，基于差分方程解的MPPT方法等等[9-12]。

3.3 諧波檢測和光伏并網發電的合成算法

本文利用ip-iq檢測方法同時實現諧波電流的檢測及其與并網發電有功電流的合成。電流檢測及指令電流的合成原理框圖如圖7。圖中數字鎖相環PLL跟蹤A相電網電壓ea的相位保證電流檢測精度。圖中，K斷開時檢測結果中包含負載的無功和諧波電流，K閉合時算法只檢測負載中的諧波電流含量，并與并網指令電流合成，得到諧波補償和并網發電電流的合成指令。

圖7 諧波、無功檢測及其與并網指令合成算法示意圖

根據瞬時無功功率理論，三相負載電流ai、bi、ci經過32C 、C轉換和低通濾波后得到的直流分量是有功基波為光伏并網直流指令分量，它是由最大功率點跟蹤控制器（MPPT）計算出的最大功率點指令電壓或系統直流側給定電壓和當前的光伏陣列輸出電壓或直流側電壓 dcu 經過電壓調節（AVR）后得到的有功直流分量，和經以下算法合成。

從（4）的結果可以看出，前一項正是瞬時無功功率理論中的無功及諧波電流分量，而后項正是包含指令信息的三相基波電流。控制變流器把計算的指令電流注入電網即可同時實現無功、諧波電流補償及光伏并網發電。

4 具有APF功能的光伏并網發電控制系統的仿真實現

上文對無功和諧波檢測方法以及指令電流的合成算法進行了詳細的分析，為了驗證所提控制策略的有效性，本文使用MATLAB/simulink建立了系統模型如圖8所示。

圖8 系統模型圖

圖9 （a）不具有APF功能的系統仿真波形

圖9 （b）具有APF功能的系統仿真波形

5 結論

具有APF功能的光伏并網發電控制系統的研究是光伏并網發電技術的一個重要研究方向，它包含并網發電和有源濾波等電力變換技術兩大應用領域，也是高壓大功率變換器在新能源發電領域里的重要應用。本文全面、深入地分析了有源電力濾波器和光伏并網發電系統的工作機理和數學模型，并由此建立了有源電力濾波器和光伏并網發電的統一控制系統。根據瞬時無功功率理論，分析了基于ip-iq法的瞬時無功和諧波實時在線檢測法，有效地實現了無功補償和諧波抑制功能。在分析比較現有算法的基礎上，建立了有源電力濾波器和光伏并網發電的統一控制系統模型，并用仿真驗證了該控制方法的有效性。

[1]王群，姚為正，劉進軍等.諧波源與有源濾波器的補償特性[J].中國電機工程學報，2001，21（2）：16-20.Wang Qun,Yao Weizheng,Liu Jinjun et al.Harmonic source and compensation characteristics of active power filters[J],Proceedings of the CSEE,2001,21（2）:16-20.

[2]陳國柱，呂征宇，錢照明.有源濾波器的一般原理及應用[J].中國電機工程學報，2000，20（9）：17-21.Chen Guozhu,Lü Zhengyu,Qian Zhaoming.The general principle of active filter and its application[J]. Proceedings of the CSEE,2000,20（9）:17-21.

[3]M.EI-Habrouk,M.K.Darwish,P.Mehta. Active power filter: a review [J]. IEE Proc. Electr. Power. Appl., 2000,147（5）:403-413,

[4]H.Akagi.. New Trends in Active Filters for Power conditioning [J]. IEEE Trans on Ind App. 1996, 32（6）:1312-1322.

[5]李戰鷹，任震，楊澤明.有源濾波裝置及其應用綜述[J].電網技術，2004，28（12）：40-43.Li Zhanying,Ren Zhen,Yang Zeming.Survey on active power filter devices and their study application[J].Power System Technology,2004,28（12）:40-43.

[6]J. Ding, X. Cheng, and T.Fu,Analysis of series resitance and P-T characteristics of the solar cell,Vacuum, 77（2）:163 - 167, Jan. 2005.

[7]S. Chakraborty,M. D. Weiss, M.G. Simoes, Distributed intelligent energy management system for a Single-Phase High-Frequency AC microgrid. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 54（1）:97 - 109,2007.

[8]N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo,and M. Vitelli, Optimization of perturb and observe maximum power point tracking method, IEEE Transactions on Power Electronics, 20（4）:963 - 973, Jul. 2005.

[9]Carlos Meza, Domingo Biel, Juan Negroni et al. Boost-Buck Inverter Variable Structure Control for Grid-Connected Photovoltaic Systems with Sensorless MPPT.Proceedings of the IEEE International Symposium, 2005,2:657～662

[10]Nobuyuki Kasa, Takahiko Iida,Liang Chen. Flyback Inerter Controlled by Sensorless Current MPPT for Photovoltaic Power System. IEEE Transactions, 2005,52（4）: 1145～1152

[11]Nicola Femia, Giovanni Petrone,Giovanni Spagnuolo et al. Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method. IEEE Transactions on Power Electronics, 2005, 20（4）:963～973

[12]Youngseok Jung, Junghun So,Gwonjong Yun et al. Improved perturbation and observation method （IP&O）of MPPT control for photovoltaic power systems.Conference Record of the Thirty-first IEEE,2005:1788～1791