單相光伏并網與有源濾波的統一控制

吳春華 黃建明 陳衛民 陳國呈

（上海大學自動化系上海市電站自動化技術重點實驗室 上海 200072）

1 引言

光伏并網發電在技術上已基本成熟，進入推廣應用階段[1-2]。同時，隨著家用電器大量非線性和沖擊性負載的出現，其產生的諧波及無功電流對公共電網的污染也日益嚴重。因此，有源電力濾波器（APF）也已成為近年來國內外研究的熱點[3-4]。

但是，目前傳統的光伏并網發電裝置和APF各有不足。光伏并網系統在日照強度很低或夜晚時，基本處于閑置狀態，利用率不高，針對此問題，有文獻提出了光伏并網發電系統綜合利用，即在保證光伏發電基本功能的基礎上，實現無功補償、有源濾波、UPS等各種附加功能[5-12]。目前，APF裝置主要應用在三相大功率工業領域，成本高，功能單一，而基于單相電網的居民住宅設備推廣難度大，應用很少。光伏并網逆變器和有源濾波器在結構上有很多相似處，因此，在住宅型光伏并網逆變器上，對家電等設備產生的諧波電流及無功電流就近進行補償，減少家庭用戶對電網的污染，可以有效拓展光伏并網逆變器的價值。

光伏并網和有源濾波統一控制時，需要進行能量綜合管理，首先必須確保光伏電池陣列獲取的全部功率并入電網，在并網逆變器容量允許或夜晚時，并網逆變器才進行相應的諧波和無功補償，一旦電流超過逆變器最大允許電流，諧波電流或無功電流指令值相應減小，以確保逆變器的安全，此時并網逆變器只是針對電網中的諧波或無功進行部分補償。同時，光伏并網和有源濾波統一控制時，需要綜合考慮開關管的工作頻率：當作為光伏并網裝置工作時，隨著工作頻率的升高，其開關損壞相應增加，導致系統效率下降，但同時濾波電感可以相應減小，一般工程選取并網逆變器工作頻率為 5～20kHz；而作為有源濾波器工作時，希望通過較高的工作頻率實現良好的濾波效果，一般工程上選取工作頻率為10～30kHz，綜合考慮兩種裝置的特性，選取10～20kHz作為并網逆變和有源濾波統一控制的工作頻率，其濾波電感可以考慮高頻特性較好的非晶或鐵氧體等磁性材料。從逆變器成本方面考慮，由于有源濾波器和光伏并網逆變器電路結構完全一致，而且工作頻率大致相同，所以光伏并網和有源濾波統一控制時只需要通過軟件控制，而無需額外增加硬件成本。從家庭負荷方面考慮，目前大部分家用設備為整流性負載，已成為低壓電網的主要諧波源，一般家庭用戶白天用電負荷較低，到了晚上的上半夜用電負荷增大，而下半夜用電負荷又降低，因此，光伏并網和有源濾波統一控制器白天時可以充分進行光伏并網發電，同時補償少部分負載諧波，晚上根據負載特性可以全部或大部分補償由家用設備造成的諧波，使光伏并網和有源濾波具有很好的互補性。

國內外學者對光伏并網系統綜合控制策略已進行了相應的研究，如文獻[5-6]在實現光伏并網的同時，對電網無功進行補償，但是，隨著家用電器設備的大量使用，導致大量諧波電流污染電網，因此，針對家庭用戶，在光伏并網逆變器上實現諧波電流治理更適用；文獻[7-9]實現了光伏并網和有源濾波的統一控制，但是其中的逆變器針對三相電網，并不適用于家庭用戶；文獻[10]將光伏并網發電、有源濾波、無功補償和UPS四種功能集成在一個逆變器中，造成控制算法過于復雜，同時為了實現UPS功能，必須增加蓄電池儲能單元，增加系統成本；文獻[11]利用半橋拓撲實現了單相并網發電和有源濾波，雖然所用器件較少，但是半橋結構直流母線電壓是全橋的2倍，同時電容中點電位的波動導致并網電流諧波的增加。

本文提出了一種新穎的單相光伏并網與有源濾波器統一控制策略，基于住宅應用，結合最大功率點跟蹤和能量管理策略，使光伏陣列輸出有功電能以高功率因數并網。同時，有選擇地對電網進行諧波補償；當光伏電池無電量輸出時，系統作為有源濾波器進行諧波和無功補償。因此，在一套裝置上同時實現了光伏并網發電和諧波補償，提高了系統利用率。

2 光伏并網與有源諧波統一控制

圖1為單相光伏并網等效電路，系統由光伏并網控制器、變流器、濾波電感及光伏陣列組成。圖中 vpv為光伏陣列輸出電壓，vdc為平波電容電壓，ic為并網電流，es為電網電壓，Rs為濾波電感等效電阻，Rp為逆變器損耗等效電阻。

圖1 單相光伏并網等效電路Fig.1 Equivalent circuit of single phasePV grid-connected

圖2為光伏并網和有源濾波統一控制器具體控制策略。當日照強度很強，光伏陣列輸出功率時，開關S的端子2閉合，逆變器工作于光伏并網和有源濾波統一控制模式；當日照強度很低或夜晚時，光伏陣列停止輸出功率，此時開關S的端子1閉合，逆變器工作于單一的有源濾波模式。下面具體介紹兩種模式的工作原理。

圖2 光伏并網和有源濾波統一控制策略Fig.2 The control strategy of photovoltaic grid-connected and APF

2.1 單一有源濾波模式

此模式下光伏陣列輸出功率為零，作為 MPPT的 Boost電路停止工作。此時變流器通過電壓控制器調節平波電容 Cdc兩端的電壓達到穩定。無功電流和諧波電流檢測單元用于分離負載電流中的無功電流分量和諧波電流分量，將無功電流、諧波電流以及有功電流合成作為電流控制器的指令電流。最后，電流控制器根據指令電流生成 PWM信號驅動逆變器，達到對電網無功和諧波的補償。

2.2 光伏并網和有源濾波統一控制模式

此模式下根據光伏陣列輸出電壓和輸出電流進行最大功率點跟蹤，生成光伏并網發電有功指令電流，同時，無功電流和諧波電流檢測單元獲取無功電流分量和諧波電流分量，根據上述電流合成指令電流，最終由電流控制器完成光伏并網發電和無功及諧波電流補償。

2.3 諧波和無功電流檢測

諧波電流和無功電流檢測單元的功能為：從負載電流中實時檢測并分離出諧波、無功和基波分量，求出補償電流的指令信號，產生相應的補償電流，從而抵消補償對象中的諧波分量和無功分量。圖 1中電網電壓為

負載電流為iL，將其分解為基波有功電流分量Ip、基波無功電流分量Iq和諧波電流分量Ih三部分。

將式（2）兩邊同乘以2sinωt，得

在一個電網周期中，對式（3）求平均值，得

則 Ipsin ω t為基波有功電流分量值。

將式（2）兩邊同乘以2cosωt，得

同理，在一個電網周期中，對式（5）求平均值，得

則基波無功電流瞬時值為

諧波電流瞬時值為

2.4 電網鎖相環

諧波和無功電流檢測單元需要利用電網電壓實時相位進行計算，而鎖相環技術具有抗擾性強、穩定性高等特點，本文采樣鎖相環技術對電網電壓進行過零點相位檢測。圖3為鎖相環結構示意圖，由式（1）可知電網電壓為正弦波，電網電壓的余弦信號通過存儲在單片機內存中的電網電壓信號延遲5ms得到。根據圖3可得

圖3 鎖相環結構示意圖Fig.3 PLL structure

當鎖相環達到穩定時，θgrid≈θPLL，此時

鎖相環的傳遞函數為

2.5 電流和電壓控制器設計

根據圖1光伏并網等效電路圖，可得輸出電流數學表達式為

電流環采用PI調節器，同時對電網電壓進行前饋補償，電流內環控制框圖如圖4所示。

圖4 電流環控制框圖Fig.4 The control diagram of circuit loop

電流環配置為一階系統，取PI調節器參數為

式中，ωn為截止頻率。

根據圖4可得閉環傳遞函數為

晚上或光照很弱時，光伏電池輸出功率近似為零，Boost停止工作。變流器工作在有源濾波模式，此時向電網輸出無功和諧波電流。當系統穩定時，由于直流母線上的平波電容容量很大，無功電流和諧波電流引起的高頻交流幅值很小，因此，可以假設直流母線電壓恒定不變。

圖1中直流側電流可分解為逆變器損耗電流iR和電容充電電流idc，穩態時，電容電壓保持不變，電容充電電流idc=0，所以ip=iR，即逆變器提供的能量全部用于自身損耗，同時將損耗電流iR作為擾動量，可得電壓外環控制框圖如圖5所示，圖中電流調節器用一階慣性環節代替。

圖5 電壓外環控制框圖Fig.5 The control diagram of voltage loop

電壓外環開環傳遞函數為

為了同時兼顧最大功率點的快速性和母線電壓的穩定性，必須保證ip盡量平穩，所以電壓控制器的帶寬應盡量窄。由于電流調節器時間常數1/ωn很小，式（14）可簡化為

由于電網頻率為50Hz，由此形成直流側平波電容100Hz功率擾動，為了保持系統的穩定性，設計電壓環控制器時其轉折頻率應遠小于擾動頻率，從而使電壓環控制器只對平均功率進行調節，確保 ip電流的平穩，此處選取轉折頻率為 5Hz，可得電壓環PI參數為

3 最大功率點跟蹤與能量管理

為了提高光伏陣列效率，需進行最大功率點跟蹤（MPPT）。目前實用的 MPPT策略為擾動觀測法[12]，其工作原理為：設Dk+1和Dk分別為第k+1、k時刻變換器占空比；ΔD為擾動控制量；Pk和Pk?1分別為第k、k?1時刻光伏電池輸出功率；符號函數sign()作如下定義：

進行最大功率點跟蹤時，若 Pk＞Pk-1，則繼續同方向增大變換器占空比；否則，減小變換器占空比。因而下一次的占空比可由下式決定。

傳統擾動觀測法需要對光伏電池輸出電壓和電流同時進行采樣。如果能夠以變換器輸出電流作為判斷依據進行最大功率點跟蹤，則不僅可以省去兩個傳感器，而且不需乘法運算，在降低系統成本的同時提高了跟蹤的快速性。本文最大功率點跟蹤法正是基于這點提出的，先作兩個假設：

（1）變換器自身功率損耗為零，即光伏電池輸出功率等于變換器輸出功率。

（2）電網電壓恒定不變。

根據假設可得

式（21）為最大功率點跟蹤判斷依據：該方法僅需一個電流傳感器，根據并網電流大小直接進行擾動方向判斷，不再需要對光伏電池輸出電壓和輸出電流進行檢測及功率計算，簡化算法，降低成本。

這種方法通過周期跟蹤電流有效值 I調節脈寬，使得變換器輸出電流有效值 I始終維持最大可輸出量，從而實現光伏陣列的最大功率輸出。

為了保證變流器輸出不超過額定容量，需對其給定電流進行限幅。變流器輸出電流由光伏有功電流、負載無功和諧波電流三部分組成。首先確保光伏電池輸出的有功電流全部并入電網，在容量允許的情況下補償負載無功電流和諧波電流。一旦輸出電流超過逆變器容量，對無功電流或諧波電流進行限制，只是對無功電流或諧波電流有選擇地進行部分補償，圖6為變流器輸出電流限制矢量圖。

圖6 變流器輸出電流限制矢量圖Fig.6 The vector diagram of restrictive strategy to the output current of convertor

4 仿真和實驗結果

本文利用 Matlab進行了系統控制策略仿真驗證。主要參數如下：Ls=4mH，Rs=0.2Ω，Rp=500Ω，es=220V，Cdc=2000μF，變流器載波頻率 fs＝10kHz，電流環截止頻率ωn=10000，Vdc=380V。其中負載由電阻、電感及整流性負載并聯組成。

圖7a為采用本文介紹的諧波和無功電流檢測方法對負載電流進行檢測的仿真結果，圖中從上到下依次為負載電流、有功電流、無功電流和諧波電流。仿真結果表明，上述方法可以準確并且快速地檢測無功電流和諧波電流。

圖7b為光伏并網和有源濾波統一控制模式仿真結果，圖中從上到下依次為電網電壓（外）和電網電流（內）、變流器電流（外）和負載電流（內）。0.045s前系統只進行光伏并網，此時變流器輸出有功電流，電網電流中含有大量無功電流及諧波電流；0.045s后系統在光伏發電的同時，對無功和諧波進行補償，電網電流波形明顯改善，電網被注入正弦基波電流。

圖7 統一控制仿真波形Fig.7 Simulation of uniform control strategy

本文對并網發電和有源濾波統一控制策略進行了原理性實驗，實驗參數為：Ls=3.8mh，es=220V，Cdc=2000μF，fs＝10kHz，ωn=10000，Vdc=380V，負載為整流性負載。

圖8a為電網電壓信號和PLL信號，圖中PLL信號對電網電壓實現了良好的跟蹤效果。圖8b為工作在并網模式時電網電壓和逆變器并網電流，實現單位功率因數正弦波并網。圖8c為電網電壓和電網電流波形，圖8d為負載電流和變流器輸出電流。其中圖8c在0.05s前進行單一并網發電，0.05s后啟動并網和有源濾波統一控制；圖8d在0.04s前進行單一并網發電，0.04s后啟動并網和有源濾波統一控制（注：實驗中為了捕捉4路信號，在相同實驗條件下進行了兩次實驗，導致兩個波形圖切換時間有差異，但這并不影響實驗的效果）。由圖可以看出，單一并網模式時逆變器輸出電流為正弦波，一旦啟動并網和有源濾波統一控制后，為了補償負載電流中的諧波和無功成分，逆變器輸出電流中相應疊加諧波成分；圖中在并網和有源濾波統一控制前，電網電流波形發生畸變，大量諧波注入電網，嚴重影響電網供電質量，一旦啟動并網和有源濾波統一控制后，并入電網的電流明顯改善，消除了系統對電網的諧波污染。

圖8 光伏并網和有源濾波統一控制實驗波形Fig.8 Experiment waveforms of unified control with PV single phase grid-connected and APF

本文進一步利用實驗室光伏電池陣列進行了實驗研究并和SMA光伏并網逆變器進行了對比實驗，實驗樣機如圖9a所示，光伏電池板參數為：開路電壓43V、短路電流5.4A、最大輸出功率140W，本實驗樣機接入 7×2＝14塊，共 1960W；SMA SunnyBoy3800型光伏并網逆變器接入 8×3＝24塊，共3360W。

圖9b為并網輸出電流軟啟動后進行最大功率點跟蹤的光伏陣列電壓 Vpv與并網電流 Ig波形。可以看出應用本文方案最大功率跟蹤速度快，光伏陣列輸出電壓波動小，并網功率始終維持最大。

圖9c為本實驗樣機和 SMA樣機全天對比實驗。在 7:00～16:00這段時間內，每隔 30min進行采樣記錄，可以看出應用本文方案的樣機輸出功率曲線與 SMA樣機輸出功率曲線一致（兩曲線根據接入光伏電池的不同功率成比例關系），實驗結果證明本文實驗樣機很好地實現了最大功率點跟蹤。

圖9d為本實驗樣機在光伏并網發電與有源濾波時的效率對比實驗，圖中 PV為單獨光伏并網發電時的效率曲線，APF為單獨有源濾波器工作時的效率曲線。實驗結果說明有源濾波器效率與光伏并網效率大致相同，這主要是由于在相同的有效值電流下，雖然有源濾波器峰值電流較大，開關損耗較大，但有源濾波器時Boost電路沒有工作，從而使系統整體效率相差不大。

圖9 MPPT及效率對比實驗波形Fig.9 Experimental waveforms of MPPT and efficiency

5 結論

本文提出了一種新的單相光伏并網與有源濾波器的統一控制策略，在實現光伏并網發電的同時，將系統剩余容量進行部分或全部無功和諧波補償，克服目前的光伏發電裝置白天發電、夜間停機的不足，結合最大功率點跟蹤和能量限制管理策略，提高了單相光伏并網系統利用率；提出的以并網電流最大為控制目標的最大功率點跟蹤策略，簡化了控制算法，省去了擾動觀測法中的電壓傳感器，降低系統成本。仿真和實驗結果驗證了本文提出的無功電流和諧波電流的檢測方法、電流環和電壓環控制器的設計方法以及最大功率點跟蹤方法的正確性和可行性。

[1]Kjaer S B,Pedersen J K,Blaabjerg F.A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2005,41(5): 1129-1306.

[2]張承慧,葉穎,陳阿蓮,等.基于輸出電流控制的光伏并網逆變電源[J].電工技術學報,2007,22(8):41-45.Zhang Chenghui,Ye Ying,Chen Alian,et al.Research on grid-connected photovoltaic inverter based onoutput current control[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(8): 41-45

[3]耿攀,戴珂,魏學良,等.三相并聯型有源電力濾波器電流重復控制[J].電工技術學報,2007,22(2):127-131.Geng Pan,Dai Ke,Wei Xueliang.The repetitive control algorithm based current waveform correction for shunt active power filter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(2): 127-131.

[4]Garcia Cerrada A,Pinzon Ardila O,Feliu Batlle V,et al.Application of a repetitive controller for a three phase active power filter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(1): 237-246.

[5]吳理博,趙爭鳴,劉建政,等.具有無功補償功能的單級式三相光伏并網系統[J].電工技術學報,2006,21(1): 28-32.Wu Libo,Zhao Zhengming,Liu Jianzheng,et al.Implementation of a single stage three phase grid connected photovoltaic system with reactive power compensation[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21(1): 28-32.

[6]汪海寧,蘇建徽,張國榮,等.光伏并網發電及無功補償的統一控制[J].電工技術學報,2005,20(9):114-118.Wang Haining,Su Jianhui,Zhang Guorong,et al.Unitive control of PV grid connected generation and reactive compensation[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2005,20(9): 114-118.

[7]張國榮,張鐵良,丁明.光伏并網發電與有源電力濾波器的統一控制[J].電力系統自動化,2007,31(8): 61-66.Zhang Guorong,Zhang Tieliang,Ding Ming.Combined control of active power filter and PV grid connected generation[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(8): 61-66.

[8]汪海寧,蘇建徽,丁明,等.光伏并網功率調節系統[J].中國電機工程學報,2007,27(2): 75-79.Wang Haining,Su Jianhui,Ding Ming,et al.Photovoltaic grid connected power conditioner system[J].Proceeding of the CSEE,2007,27(2): 75-79.

[9]Wu T F,Shen C L,Nei H S.A 1φ3 W grid-connection and active power filtering based on nonlinear programming and fast-zero-phase detection algorithm[C].IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20(1): 218-226.

[10]Chen Xiaogao,Fu Qing,Wang Donghai.Performance analysis of PV grid-connected power conditioning system with UPS[C].IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications,Xi’an,2009: 2172-2176.

[11]TsaiFu Wu,HungShou Nien,HuiMing Hsieh,et al.PV power injection and active power filtering with amplitude-clamping and amplitude-scaling algorithms[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2007,43(3): 731-741.

[12]張超,何湘寧.短路電流結合擾動觀察法在光伏發電最大功率點跟蹤控制中的應用[J].中國電機工程學報,2006,26(20): 98-102.Zhang Chao,He Xiangning.Short-current combined with perturbation and observation maximum-power-point tracking method for photovoltaic power systems[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(20):98-102.