有源電力濾波器與光伏發電的統一控制技術

【摘要】21世紀是新能源為主的能源時代，太陽能是國際大力提倡的能源之一。近年來，光伏發電已從國外傳入國內，在國內正處于應用推廣階段，其中光伏并網是其未來的趨勢。工業的發展帶來的大沖擊負載大量涌現，導致公共電網污染加劇，以往使用的濾波器難以達到要求，故有必要對有源濾波器進行研究。有源電力濾波器與光伏發電技術現階段仍存在很多問題，比如，推廣問題、設備利用率問題、成本問題以及國內政策問題等。本文針對這些存在的問題，對有源電力濾波器與光伏發電技術進行研究，對其控制原理、結構演變過程、原理及策略進行詳細的介紹，使其能進一步的得到推廣與發展。

【關鍵詞】有源電力濾波器；光伏發電；統一控制；控制技術

一、背景

新能源的開發利用是國際性問題，在工業高速發展的中國對新能源的開發顯得更為重要，工業的發展帶來的大沖擊負載大量涌現，導致公共電網污染加劇，以往使用的濾波器難以達到要求，有源電力濾波器因此成為研究的重點。

但是在國內，有源電力濾波器與光伏發電處于起步階段，想得到進一步發展需要解決的問題很多。首先是有源電力濾波器的使用會產生諧波與無用功率，諧波會縮短機器的使用壽命、干擾通信系統等，誤導繼電保護裝置等，導致電流變大、供電設備功率增大，損耗增加，干擾其他設備的運行。光伏發電的問題主要有，設備運行成本高且利用效率低、運行系統的可靠性低、組成器件的容量小、設備功能單一等問題。另外，政府出臺的相關政策不不健全，使其發展受阻。

本文會對有源濾波器、光伏發電以及有源濾波器與光伏發電的同一控制技術進行介紹，分析他們的原理，將其基本原理知識進一步推廣。

二、相關知識介紹

（一）有源濾波器原理

有源濾波器由電流系統指令運算中心與控制跟蹤電流部分組成，運算中心是將產生的無功功率、諧波分量屬于被檢測電流的部分計算出來，控制跟蹤根據計算出的結果發出信號控制，補償電流由此產生。產生的補償電流將被負載中的電流以及諧波和無功電流抵消，最終電網電流達到期望值。

（二）光伏發電基本原理

光伏發電系統有含蓄電池可調度式與不含蓄電池不可調度式兩種，前者多用于規模巨大的發電系統，后者常用于分散的小型發電系統。而兩者中，含有蓄電池的系統由于具有蓄電儲能的特點，故其功能強大，可以將其應用于電網的調峰，還有緊急情況的供電。[1]

在白天，系統光伏陣通過逆變器以最大的功率輸出電能，將電供給電網；在晚上由于沒有日光時，逆變器的工作暫停，陣列電能不輸出。

（三）二者的聯系

1.方法技術：二者的控制方法是相同的，這是由于兩者系統中都有控制跟蹤電流技術及鎖相，但是有源電力濾波器系統還需要有檢測諧波與無用功率的技術，而光伏電系統還有最大功率追蹤技術與孤島檢測技術。

2.功能作用：有源濾波器是補償無用功，而光伏發電是注入有用功。雖然二者向電網輸入的類型不一樣，但是他們的本質都是相同的。

3.接入結構：有源濾電力波器及光伏發電接入電網的結構大致上是一樣的，就只有直流測的器件不一樣而已，有源濾波器是電容器，另一個是光伏陣。[2]

有源濾波器與光伏發電同一控制基本原理。

三、發展存在的問題

有源濾波器電容器的維持依賴于系統與電網系統進行電流交換式產生的能量運作的，電壓過高時，有源濾波器向電網注入有用功一保護自身，這就是統一控制有源濾波器與光伏發電技術的基礎理論。這個方法可以實現將光伏陣接到有源電力濾波器直流側的目的，并且不會原有的功能產生不良的影響。

原理概括如下：諧波和無用功率根據指令輸出補償電流—跟蹤最大功率，并形成指令電流—合并補償電流與指令電流—按指令流入電網電流。

按照以上方法可以實現統一控制有源濾波器與光伏發電的目的。以上是有源電力濾波器、光伏發電以及有源濾波器和光伏發電同一控制技術基本原理的簡單介紹。

（一）關于有源濾波器，其運作主要有以下問題：

1.運作成本高。由于有源濾波器的運行需要超大容量器件、精密開關以及數字芯片，其成本是以往使用的無源濾波器的3到4倍，只是推廣的極大阻礙。[3]

2.行業規則問題。前面提到有源濾波器會產生諧波，但國內對諧波的治理問題并不做強制規定，這會導致商家及用戶的治理責任意識淡薄。

3.功能單一。電能管理要求隨著電能利用問題的多樣化變得越來越嚴格，也越來越多樣，但是有源濾波器卻無能為力。

4.器件規格達不到要求。有源濾波器產生的諧波與無用功率危害很大，加上電網本身也會產生諧波和無用功率，而規格達不到要求，危害會更大，因此這也是一個阻礙。

5.系統性能可靠度不高。我國現階段處于起步階段，相應的理論與實踐都很缺乏，系統性能的可靠性還沒有扎實保障。

（二）關于光伏發電技術，其運行主要有以下問題：

1.運作成本高。與火力及水電發電技術相比，光伏發電技術由于使用晶體管，所以其成本是傳統方法的3-5倍。

2.設備的利用率很低。夜里及其由于沒有日光而停止運作，這不僅導致設備的利用率低下，而且會對機器的運作造成不良的影響。

3.政府出臺的規章政策不完整。政府的態度是通過法規體現的，而不完整不健全的法規對技術的發展是極其不利的，雖然必要的法規有了，但缺乏鼓動力。[4]

4.器件規格偏小且功能不全。由于對成本有要求，器件規格被限制，這導致系統容量達不到要求，會對電網系統的運作產生負面影響。

有源濾波器與光伏發電技術現階段存在的主要問題如上所述，要想有源濾波器與光伏發電同一控制技術得到發展我們必須對存在問題進行研究，探討解決的方法。

四、有源濾波器與光伏發電統一控制技術的策略

增強儲能能力是彌補電力中斷問題的方法之一，可以按要求給系統配置多個蓄電池，組成符合要求的蓄電池組，另外，對系統直流測進行優化結構設計，已達到是系統更完善的目的。另外，針對上文提到的問題，提出以下策略：

1.正常時，系統控制成受控源，利用控制跟蹤方法，向電網注入電流，在有源濾波器諧波補償電流與光伏發電電流發生沖突的時候，利用配置的電池組對沖突的兩組進行協調，使系統穩定安全的工作得到保證，同時達到同一控制的目的。

2.設置UPS工作模式，在電網意外斷開時迅速轉換成該模式，對電網中重要負載進行電力補償，也就是說，受控源在電網中斷轉化模式以后成為了電壓源。這樣保證了不在即使在電網中斷時也能正常的運行。

3.加入鎖相技術的應用，這會在電網斷電恢復供電時，轉換回正常模式進行正常的運作，也就是說，這種技術可以將電池組有電壓受控變成電流受控。與前面的UPS模式想結合，負載的供電得到保證。

4.根據不同的環境，對有源濾波器與光伏發電裝置的器件進行優化管理，確保電力在緊急情況下也能供給負載運作所需的電流直至電網恢復正常供電。

5.為了使整個系統可以安全運行、穩定工作，在系統中還應加入軟啟動、檢測中斷技術、控制跟蹤功率點技術等保障系統以外故障得到解決。

以上是有源濾波器與光伏發電同一控制技術的一些策略。

五、有源濾波器與光伏發電同一控制技術有關的重要技術

1.控制變流器。此技術的目的是使系統中變流器按照要求輸出指令電流，目前采用的方法主要是三角波控制方法，具有運行簡便、理論知識扎實、實踐經驗豐富等優點。三角波比較放在容器里的指令與補償電流的偏差，輸出包含有相同頻率的諧波，由于過程相對復雜，響應的電流會比較晚輸出。

2.孤島效應檢測。孤島效應是電網出現故障意外停電或正常停電后，系統從網絡中斷開，但是有些會繼續運作進而產生一個自己運行的系統。孤島效應使維修工作進行困難，威脅維修人員的安全，所以孤島效應的檢測技術是系統必備的技術之一。目前，檢測的方法有，插入阻抗和擾動電流法，這兩種都是主動檢測，當檢測到系統中電壓超過給定值，即定位孤島效應。

3.跟蹤最大功率技術。跟蹤最大功率技術目前主要由兩種，一種是電壓恒定跟蹤，本方法利用光伏陣在日光下的變化規律鎖定最大功率，達到跟蹤的目的，另一種是擾動跟蹤法，其原理比較復雜，可概括為，根據系統發出指令，在幾個電路上徘徊，尋找最大的功率。

4.雙級電源隔離技術。本技術首先通過晶管轉換電源，1000V高壓轉換成24V，再把外圍電源輸入電網，變換出可以獨立運行不同電路所需的隔離電源。此技術除了能保證電路正常運行之外，還能增強電網的抗干擾能力，是利用一種PWM的單端控制器實現的，主要輔助電路中電壓轉換、電路保護。

六、總結

根據前文對有源濾波器、光伏發電以及有源濾波器與光伏發電同一控制技術的介紹，可以得出如下結論：

有源濾波器與光伏發電統一控制技術在我國處于起步階段，進一步的推廣還有很多問題需要解決，有理論層次的、技術層次的，有來自市場的、有關于政策的。但是這一技術的發展前景是很好的，我們有必要努力將其推廣。根據對有源濾波器、光伏發電裝置院里的介紹，總結出兩者的公共點與不同的地方，從兩者基本工作原理相似可以得出，實現二者的同一控制可能性是極大的。對有源濾波器與光伏發電統一控制技術目前存在的主要問題進行詳細介紹、深入研究，總結他們的相似之處，得出技術發展需要解決的問題。根據對存在問題的研究，提出有源濾波器與光伏發電統一控制技術的設計方案，發展策略。對策略中用到的重要技術進行介紹，加深理解。

總之，有源濾波器與光伏發電統一控制技術的發展前景是很光明的，我們必須克服困難，解決相關問題，促進其在中國的發展。

參考文獻

[1]胡兵，羅杰，李朝瓊等.有源濾波器的發展動態及應用[J].北京機械工業雜志，2011，8（13）：1550-1552.

[2]卓放，王兆安.有源濾波器技術的發展與電能質量的提高[J].中國機械工業的發展，2011，15（16）：2446-2447.

[3]陳言.光伏發電技術的發展研究[J].中國電力技術，2010， 18（8）：30-31.

[4]張鐵良.有源濾波器與光伏發電的統一控制研究[J].中國電力電氣雜志，2012，18（2）：20-40.