基于諧波注入法的L型光伏并網(wǎng)逆變器諧波抑制方案

單士睿，楊富營，楊沛豪

基于諧波注入法的L型光伏并網(wǎng)逆變器諧波抑制方案

單士睿1，楊富營1，楊沛豪2

（1.許昌職業(yè)技術學院，河南 許昌 461000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

在光伏發(fā)電并網(wǎng)過程中，由于逆變器的開關特性，輸出電流一般都含有低次諧波，其中以5次、7次等低次諧波最為嚴重。為了抑制并網(wǎng)電流中的低次諧波，降低線路、負載中的電能損耗，本文以L型逆變器為研究對象，提出一種基于SPWM諧波注入的諧波調(diào)制方案，在SPWM正弦信號中注入5次、7次諧波補償電壓，進而達到降低輸出電流特定次諧波含量及提高并網(wǎng)電能質(zhì)量的目的。通過MATLAB/Simulink仿真和試驗驗證了該方案能夠有效降低并網(wǎng)電流中特定次諧波含量和諧波畸變率，提高光伏發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量。

光伏發(fā)電；逆變器；低次諧波；諧波注入；電能質(zhì)量；諧波畸變率

在光伏發(fā)電并網(wǎng)過程中，逆變器的開關特性會造成輸出電流發(fā)生畸變而產(chǎn)生諧波。諧波電流分量的頻率與逆變器的脈沖數(shù)有關，逆變器的脈沖數(shù)越大，諧波分量的最低次頻率越高[1]。諧波的出現(xiàn)，使用電設備處于一種非理想工作環(huán)境，對電力系統(tǒng)是一種干擾和污染。現(xiàn)階段光伏并網(wǎng)逆變器諧波抑制的主要方法有諧波主動抑制和諧波被動抑制 2種，其主要原理是補償諧波電流，避免諧波分 量入網(wǎng)[2-3]。

為了抑制并網(wǎng)逆變器諧波，文獻[4-6]將二階高通濾波器應用到并網(wǎng)高壓變流器中，對濾波器的相關參數(shù)如電容、電感、電阻進行設計，該方案具有良好的濾波特性，但本質(zhì)屬于電路硬件設計，增加了成本，也增大了體積，實際應用較為不便。文獻[7-10]提出一種基于LC型虛擬同步發(fā)電機并網(wǎng)模型，分析了網(wǎng)側電流與諧波諧振的關系，同時為了有效抑制諧波引起的諧振，引入虛擬阻抗計算方法，提出一種儲能虛擬同步發(fā)電機，該方法雖然控制效果較好，但對不同的諧振需要計算不同的虛擬阻抗，增加了計算量，在新能源發(fā)電并網(wǎng)中并不實用。交流電機一般采用正弦波控制，但由于外部干擾的存在，使得交流電機定子電流含有大量低次諧波[11]，嚴重影響了電機的低速運行。針對以上問題，文獻[12-13]提出一種在傳統(tǒng)矢量控制基礎上引入自適應線性神經(jīng)網(wǎng)絡算法，實現(xiàn)了電流諧波的檢測和提取，將提取的電流諧波采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法獲得補償電壓然后進行諧波抑制，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡算法具有收斂速度慢、目標函數(shù)非常復雜等缺點，使得該控制方案效率較低，且在迭代計算某些區(qū)域相對停滯，雖然具有較好的諧波抑制能力，但系統(tǒng) 動態(tài)響應并不理想。文獻[14-15]提出一種在傳統(tǒng) PI控制算法上添加比例復數(shù)積分抑制諧波的方法，該方法是一種組合諧波抑制方法，能夠有效抑制并網(wǎng)電流的低次諧波，減小穩(wěn)態(tài)誤差。該方法雖 然降低了特定次諧波，但需要增加極點個數(shù)，間 接地增加了系統(tǒng)控制難度，且未考慮該組合控制方案的同步性。

文獻[16]將諧波抑制法應用于電機控制系統(tǒng)，用于抑制電機相電流中的3次、9次諧波，本文借鑒其中的電機相電流諧波注入法，對控制算法進行優(yōu)化，以L型光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器為模型，提出一種基于諧波注入法的特定次諧波抑制方案，對并網(wǎng)電流中的主要低次諧波（5次、7次諧波）進行抑制。該方案基于現(xiàn)代電力電子技術與高速數(shù)字信號處理（DSP）技術，產(chǎn)生一個與諧波分量幅值相等、相位相反的波形，用于抵消系統(tǒng)中存在的諧波。最后通過MATLAB/Simulink仿真驗證了該方法具有靈活性好、實用性強、對特定次諧波抑制能 力較強的優(yōu)點，可以應用在新能源發(fā)電系統(tǒng)諧 波處理領域。

1 L型與LCL型濾波器

L型濾波器結構簡單，運行可靠，是并網(wǎng)逆變電路較常采用的濾波方式。為了保證良好的濾波效果，濾波器需要選擇較大的電感參數(shù)才能達到預定的要求，這就使得濾波器件體積增大，延遲時間延長，反應變慢。L型濾波器的拓撲結構如圖1所示。

圖1 L型濾波器的拓撲結構

相比于L型濾波器，LCL型濾波器能夠更好地濾除開關紋波，且橋臂側電感參數(shù)和網(wǎng)側電感參數(shù)不用選取較大，降低了總電感值，節(jié)約了控制器的體積和成本，且能夠保證其在高頻段的諧波抑制能力。LCL型濾波器的拓撲結構如圖2所示。電感參數(shù)相同的L型和LCL型濾波器的幅頻及相頻特性曲線如圖3所示。

圖2 LCL型濾波器的拓撲結構

圖3 L型與LCL型濾波器的幅頻及相頻特性曲線

從圖3可以看出：L型和LCL型濾波器在轉(zhuǎn)折頻率以下時，衰減幅值基本相同；在轉(zhuǎn)折頻率以上時，L型濾波器的幅值衰減為–50 dB，而LCL型濾波器的幅值衰減為–100 dB；LCL型濾波器在高頻段具有良好的濾波性能，但在轉(zhuǎn)折頻率處存在諧振峰值，諧振幅值高達100 dB，且相位出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。另外，LCL型濾波器在閉環(huán)傳遞函數(shù)中引入了一對復極點，在獲得較好的濾波性能的同時易發(fā)生諧振。根據(jù)勞斯-赫爾維茨（Routh-Hurwitz）穩(wěn)定判據(jù)可以看出，LCL型并網(wǎng)逆變器的網(wǎng)側電流無論采用P控制、PI控制還是PID控制，系統(tǒng)均很難達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，本文主要研究L型并網(wǎng)逆變器。

2 基于諧波注入法的逆變器控制系統(tǒng)

2.1 L型逆變器數(shù)學模型

光伏三相電壓型逆變器拓撲結構如圖4所示。

圖4 L型三相逆變器的拓撲結構

圖4中直流側并聯(lián)的大電容用以確保直流母線側電壓基本無脈動，逆變器通過L型濾波電路向負載供電。由圖4可以得到abc三相坐標系下L型逆變器數(shù)學模型為

對式(1)進行Park變換，可以得到dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型為

其中，

在逆變器穩(wěn)態(tài)運行時，忽略式(2)中的交流分量，只保留直流分量，可以得到三相逆變器穩(wěn)態(tài)電壓方程為

逆變器輸出側電壓、電流通常包含一系列高次諧波分量，但以5次、7次等低次諧波為主。基波、5次、7次諧波可以表示為d、d5th和d7th。其中，基波按照旋轉(zhuǎn)速度逆時針旋轉(zhuǎn)，5次諧波按照旋轉(zhuǎn)速度5順時針旋轉(zhuǎn)，7次諧波按照旋轉(zhuǎn)速度7逆時針旋轉(zhuǎn)。為了抑制并網(wǎng)逆變器中5次、7次諧波的影響，本文通過在逆變器中注入5次、7次電壓諧波來抑制。

在abc三相靜止坐標系下，電壓方程為

式中，a、b、c為逆變器輸出電壓，1、5、7為基波、5次諧波、7次諧波的出相角，1、5、7為基波、5次諧波、7次諧波的電壓幅值。

諧波電流由相應的諧波電壓產(chǎn)生，逆變器輸出側三相電流和電壓也類似式(7)，且各次諧波電壓與諧波電流的旋轉(zhuǎn)方向和速度均相同。

與基波穩(wěn)態(tài)電壓方程(6)類似，在5次旋轉(zhuǎn)坐標系下，5次諧波穩(wěn)態(tài)電壓方程為

式中，u5、u5分別為5次諧波電壓在5軸、5軸上的分量，i5、i5分別為5次諧波電壓在5軸、5軸上的分量。

同理，在7同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，7次諧波穩(wěn)態(tài)電壓方程為

式中，u7、u7分別為7次諧波電壓在7軸、7軸上的分量，i7、i7分別為7次諧波電壓在7軸、7軸上的分量。

2.2 諧波電流提取

根據(jù)坐標變換的原理可以推導出，在d同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，基波為直流分量，而5次諧波、7次諧波均為交流分量；在q5同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，5次諧波分量為直流分量，而基波、7次諧波均為交流分量；在d7同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，7次諧波分量為直流分量，而基波、5次諧波均為交流分量。根據(jù)這一原理，可以利用低通濾波器實現(xiàn)5次、7次諧波的提取。得到d5坐標系下的5次諧波電流的直軸分量i5和交軸分量i5、d7坐標系下的7次諧波電流的直軸分量i7和交軸分量i7。逆變器三相輸出電流中的5次諧波和7次諧波提取模塊如圖5所示。

圖5 5次諧波和7次諧波電流提取模塊

2.3 補償諧波電壓計算

3 MATLAB/Simulink仿真分析

為了驗證基于諧波電流注入法的光伏并網(wǎng)逆變電路控制系統(tǒng)對5次、7次等低次諧波的抑制能力。在MATLAB/Simulink下搭建控制系統(tǒng)的仿真模型，L型逆變器主要參數(shù)見表1。

表1 逆變器主要仿真參數(shù)

Tab.1 Inverter simulation parameters

基于諧波電流注入法的L型三相逆變電路控制系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 基于諧波電流注入法的三相逆變電路控制系統(tǒng)結構

3.1 并網(wǎng)電流仿真波形

圖7為未加入諧波電流注入模塊的并網(wǎng)電流仿真波形，圖8為加入諧波電流注入模塊的并網(wǎng)電流仿真波形。

圖7 未加入諧波注入模塊的并網(wǎng)電流仿真波形

圖8 加入諧波注入模塊的并網(wǎng)電流仿真波形

由圖7和圖8可見，未加入諧波電流注入模塊的并網(wǎng)電流仿真波形正弦穩(wěn)定性較差，波形不光滑，且在波峰和波谷處存在較大波動；加入諧波電流注入模塊的并網(wǎng)電流仿真波形正弦穩(wěn)定性得到較大改善，波形光滑，波峰和波谷處基本無波動。

3.2 并網(wǎng)電流TTL分析

圖9為未加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包生存周期（TTL）分析圖，圖10為加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流TTL分析圖。比較圖9和圖10可以看出，未加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流諧波畸變率THD=9.07%，不能滿足THD＜5%的光伏發(fā)電并網(wǎng)要求；加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流諧波畸變率下降為THD=1.82%，a相并網(wǎng)電流中的5次、7次諧波得到了明顯抑制，滿足光伏發(fā)電并網(wǎng)的要求。

圖9 未加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流THD

圖10 加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流THD

4 試驗分析

為了驗證所提出的諧波抑制方案的有效性，搭建以TMS320F28335為核心的DSP控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路采用基于過電流保護的三相橋式拓撲結構，驅(qū)動導通采用IXYS公司的MCO150-12I01軟上電晶閘管的軟上電模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊采用SAD1674MD，系統(tǒng)開關頻率為10 kHz。a相并網(wǎng)電流波形采用Tektronix公司的MDO4104B-3示波器進行觀測。

圖11和圖12分別為未加入和加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流的試驗波形。

圖11 未加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流波形

圖12 加入諧波電流注入模塊的a相并網(wǎng)電流波形

對比圖11、圖12可以看出，未加入諧波電流注入模塊得到光伏并網(wǎng)a相電流波形存在較多毛刺，尤其在峰-峰值處諧波畸變率高；而加入諧波電流注入模塊得到的光伏并網(wǎng)a相電流波形光滑，正弦穩(wěn)定性較好，尖峰毛刺較少，峰-峰值處的波形畸變率較小，電能質(zhì)量高。

分析試驗波形的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當未加入諧波電流注入模塊時，a相并網(wǎng)電流在MATLAB仿真下的THD=9.07%，a相并網(wǎng)電流在試驗下的THD=9.81%；加入諧波電流注入模塊時，a相并網(wǎng)電流在MATLAB仿真下的THD=1.82%，a相并網(wǎng)電流在試驗下的THD=2.35%。通過比較可以得出：基于諧波電流注入模塊的光伏發(fā)電并網(wǎng)諧波抑制方案可以有效降低網(wǎng)側電流的諧波畸變率，保證并網(wǎng)電能質(zhì)量。但在試驗環(huán)境下，諧波畸變率略有升高，主要是由于實際測量誤差和電磁干擾所致，但并網(wǎng)電流諧波畸變率仍能保證小于5%的總體要求。

5 結 語

針對光伏發(fā)電并網(wǎng)電流的諧波抑制問題，本文首先分析了L型光伏發(fā)電逆變控制系統(tǒng)的模型，并在此基礎上提出一種基于諧波電流注入法的光伏發(fā)電并網(wǎng)電流諧波抑制方案。在逆變電路PI控制的基礎上，通過引入對特定次諧波電流的抑制模塊，對光伏發(fā)電并網(wǎng)電流中影響較為嚴重的5次、7次等低次諧波進行有效抑制，并對未加入諧波電流注入模塊和加入諧波電流注入模塊2種方法進行了分析比較。最后，通過MATLAB/Simulink和試驗驗證了基于諧波電流注入法的光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)可以有效降低諧波抑制率，值得在實際應用中推廣。

［1］ 馮偉, 孫凱, 關雅娟, 等. 基于分層控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)諧波電流主動抑制控制策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(6): 1400-1409. FENG Wei, SUN Kai, GUAN Yajuan, et al. An active harmonic grid-connecting current suppression strategy for hierarchical control based microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(6): 1400-1409.

［2］ 呂佃順, 許洪華. 并網(wǎng)型中壓變流器濾波電路設計[J]. 太陽能學報, 2018, 39(11): 3245-3252. LYU Dianshun, XU Honghua. Desigh of power filter used in grid-connected medium voltage converter[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(11): 3245-3252.

［3］ LIN J, MU F Y. Synergy micro-electronics technology with a high linearity BiCMOS sample-and-hold circuit[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 473: 50-53.

［4］ 閆朝陽, 張青山, 楊麗君, 等. 電網(wǎng)故障時基于雙自調(diào)諧SOGI鎖頻環(huán)同步方法[J]. 太陽能學報, 2017, 38(7): 1901-1911. YAN Chaoyang, ZHANG Qingshan, YANG Lijun, et al. A novel frequency locked loop method based on self-tuning sogi under distorted grid conditions[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2017, 38(7): 1901-1911.

［5］ 梅恒榮, 殷禮勝, 劉冬梅, 等. 改進粒子群算法優(yōu)化的SVM模擬電路故障診斷[J]. 電子測量與儀器學報, 2017, 31(8): 1239-1246.MEI Hengrong, YIN Lisheng, LIU Dongmei, et al. Analogue circuit fault diagnosis based on SVM optimized by IPSO[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2017, 31(8): 1239-1246.

［6］ LIN J, MU F Y, WILSON L, et al. A chopper stabilized voltage reference using diode-connected MOS transistor[C]. 2010 International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems (Chengdu). IEEE, 2010: 1-4.

［7］ 張中華, 李智, 宋鵬, 等. LC型儲能虛擬同步發(fā)電機諧波諧振機理與抑制策略研究[J]. 可再生能源, 2018, 36(12): 1842-1848. ZHANG Zhonghua, LI Zhi, SONG Peng, et al. Research on harmonic resonance mechanism and inhibition strategy of LC type virtual energy storage virtual synchronous generator[J]. Renewable Energy Resources, 2018, 36(12): 1842-1848.

［8］ 王碩, 康勁松. 一種基于自適應線性神經(jīng)網(wǎng)絡算法的永磁同步電機電流諧波提取和抑制方法[J]. 電工技術學報, 2019, 39(4): 654-662. WANG Shuo, KANG Jinsong. Harmonic extraction and suppression method of permanent magnet synchronous motor based on adaptive linear neural network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 39(4): 654-662.

［9］ 包廣清, 譚宏濤, 丁坤, 等. 基于虛擬同步機的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制研究[J]. 電氣工程學報, 2018, 13(12): 19-23. BAO Guangqing, TAN Hongtao, DING Kun, et al. Research on grid-connected photovoltaic system control based on virtual synchronous generator[J]. Journal of Electrical Engineering, 2018, 13(12): 19-23.

［10］ MU F Y, YE B S, LIN J, et al. An L-band low spurious multi-tuned frequency synthesizer[J]. Advanced Materials Research, 2014, 850: 441-444.

［11］ 宋平崗, 李云豐, 王立娜, 等. 死區(qū)時間對模塊化多電平換流器的影響[J]. 高電壓技術, 2014, 40(5): 1530-1538. SONG Pinggang, LI Yunfeng, WANG Lina, et al. Influence of dead time on modular multi-level converter[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(5): 1530-1538.

［12］ 楊沛豪, 王曉蘭, 劉向辰, 等. 基于新型自適應滑模觀測器的BLDC控制[J]. 電氣傳動, 2019(4): 6-10.

YANG Peihao, WANG Xiaolan, LIU Xiangchen, et al. New adaptive sliding mode observer based BLDC control[J]. Electric Drive, 2019(4): 6-10.

［13］ LIN J, YUAN J S. Analysis and simulation of capacitor-less reRAM-based stochastic neurons for the in-memory spiking neural network[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2018, 12(5): 1004-1017.

［14］ 徐瑞東, 周建勇, 王博雅, 等. 基于虛擬諧波阻抗的微電網(wǎng)諧波抑制控制策略[J]. 工礦自動化, 2017, 43(4): 72-76. XU Ruidong, ZHOU Jianyong, WANG Boya, et al. Control strategy of harmonic suppression of micro-grid based on virtual harmonic impedance[J]. Industry and Mine Automation, 2017, 43(4): 72-76.

［15］ 王沁東, 陳大勇. 基于比例復數(shù)積分的SVG控制方法研究[J]. 電力電子技術, 2018, 52(12): 122-125. WANG Qindong, CHEN Dayong. Research on SVG control method based on proportional complex integrales[J]. Power Electronics, 2018, 52(12): 122-125.

［16］ 張榮建. 基于諧波電流注入法的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2014: 55. ZHANG Rongjian. Torque ripple suppression strategy of permanent magnet synchronous motor based on harmonic current injection method[D]. Harbin: Harbin University of Technology, 2014: 55.

Harmonic suppression scheme of L-type photovoltaic grid-connected inverter based on harmonic injection method

SHAN Shirui1, YANG Fuying1, YANG Peihao2

(1. Xuchang Vocational and Technical College, Xuchang 461000, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In the process of photovoltaic power generation, the power quality is not good. The reason is that the output current generally contains low-order harmonics, among which the low-order harmonics of 5 times and 7 times are most serious, due to the switching characteristics of the inverter. In order to suppress the low-order harmonics in the output current and reduce the loss of loads and line, a harmonic suppression control strategy based on grid-connected inverter topology of L-type is proposed in this paper. A harmonic modulation scheme based on SPWM harmonic injection, which is to inject compensation voltage of low-order harmonics of 5th times and 7th times, is discussed in detail. The purpose is reducing the specific harmonics of the output current and improving the power quality of the grid connection. The MATLAB/Simulink simulation and experiment verifies that this scheme can effectively reduce the specific sub-harmonic content in grid-connected current, reduce the harmonic distortion rate and improve the grid-connected power quality of photovoltaic power generation.

photovoltaic power generation, inverter, low-order harmonics, harmonic injection, electric power quality, harmonic distortion rate

TM464+.32; TM614

B

10.19666/j.rlfd.201902036

單士睿, 楊富營, 楊沛豪. 基于諧波注入法的L型光伏并網(wǎng)逆變器諧波抑制方案[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(7): 97-102. SHAN Shirui, YANG Fuying, YANG Peihao. Harmonic suppression scheme of L-type photovoltaic grid-connected inverter based on harmonic injection method[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 97-102.

2019-02-06

單士睿(1982—)，男，碩士，副教授，主要研究方向為機電一體化技術，330353931@qq.com。

（責任編輯 杜亞勤）