分布式電源并網諧波抑制自動控制方法研究

李 瑋，武曉峰，王懷俊，段 煒

（國網吳忠供電公司，吳忠 751100）

0 引言

電力能源已經成為了當下社會發展的必需能源，隨著生產規模的擴大，對于電能的需求量也在不斷增大，對于電能的依賴程度也呈現上漲趨勢。傳統發電廠中主要依靠化石燃料的燃燒產生電能，但是隨著生態環境的污染以及一次能源的日漸枯竭，人們不得不轉變能源的供給方式，從依靠燃燒化石燃料的傳統火力發電轉換為一些可再生的清潔能源發電，目前比較常用的新型能源有太陽能、水利、風力等[1]。根據我國大部分城市所處的地理位置，光伏發電成為了大面積使用的清潔能源，光伏發電能夠高效利用太陽能，對環境基本沒有影響且占地面積小，具有多種發電優勢。但是光伏發電項目要想成為民用電的來源之一，就需要與傳統電網進行并網。光伏發電由于其自身的獨特性能，與傳統的火力發電相比，供電穩定性較差。當外界環境出現變化時，例如太陽的光照強度、光伏電源溫度發生變化時，分布式光伏電源的發電量會受到不同程度的影響，使得光伏發電存在波動性，且其輸出的電流是直流的，因此需要經過逆變器才能與傳統電網進行并網，傳統電網中的電壓是正弦型，與非線性的逆變器結合之后，就會產生諧波[2]，導致分布式電源并網之后產生大量諧波，對于電能質量產生了極大的威脅。

針對這種現象，一般需要采取一些手段對并網后產生的諧波進行抑制控制。但是傳統的諧波抑制自動控制方法中，對于低壓的分布式電源并網中產生的微小諧波抑制效果較差，對此本文設計一種針對低壓環境下分布式電源并網諧波抑制自動控制方法。

1 分布式電源并網諧波抑制自動控制方法

1.1 分布式電源并網建模

分布式電源主要是依靠其功率的大小進行型號的劃分，當分布式電源的功率小于80MW時，一般應用在單集電線路中的情況比較多[3]。大型的太陽能光伏發電設備在電力系統電子元件中接入適用于分布式電源的變壓器后，光伏發電站的每個獨立的發電單元都需要依次通過不同的電力電子裝置之后，接入分布式變壓器。不同的分布式發電光伏中，主要是將太陽輻射能量轉化成直流電能，經過電流匯聚之后能夠輸出穩定的直流電能，這些直流電能需要經過逆變器轉換為交流電之后，才能并入到傳統電網中為用戶提供電能。在分布式電源并網建模過程中，直流穩壓側是重點的分析對象。假設直流電壓的輸入端的電流中不存在紋波，即輸出的電流為質量較好的電流，此時多個分布式光伏電源在并網過程中從母線上進行匯流后，輸入到傳統電網中。假設并網中的電流調制信號以及輸出的有功功率已知或可計算，那么逆變器中的參考輸出電流在計算是能夠獲取到穩定的直流側電壓。因此在整體的分布式電源并網過程中，需要補償的電流Ipf可以表示為：

式(1)中，Upcc表示電壓的有效值，upv表示電壓采樣值，ipv表示電流采樣值。逆變器在完成濾波之后，輸出的計算電流波形中的幅值與幅值的控制量需要完成相位同步。在電流諧振控制中，根據不同次數的諧波分量，按照比例進行電流控制。對于電流分量所展示出的基礎波情況，計算出正弦載波的最大幅值，并得到直流穩壓在輸出側的電壓采樣值。為了獲取到不同次的諧波分量，需要提高電流和特征諧波的調控精度。至此完成分布式電源并網建模。

1.2 優化諧波檢測算法

在完成分布式電源的并網建模之后，想要對諧波進行抑制自動控制，首先要對諧波進行檢測。因此在本章中對諧波檢測算法進行優化，算法中基于瞬時無功功率理論上得到有源電力濾波器在工作中所產生的諧波[4]。在檢測過程中，假設分布式電源并網之后，測量得到電源三相的瞬時電壓值分別為ua，ub，uc，得到的同時間點各自所對應的電流值分別為ia，ib，ic，以上幾個電力測量值滿足以下方程：

為了便于分析諧波位置以及各參量，將三相的值在坐標系中進行變化，得到兩相坐標系并求出相應的值。兩坐標系之間的轉換電流電壓矢量圖如圖1所示：

圖1 兩相坐標系和三相坐標系之間電流電壓矢量轉換圖

在三相電流電壓轉化為兩相電流電壓的過程中，依靠坐標系進行變換是準確、高效的手段。在兩相坐標系中，將三相坐標系在不同線上的投影進行計算，能夠獲取或依據角度各自合成出電壓值和電流值，在旋轉角的計算下，得到旋轉電壓和電流矢量。圖1中瞬時有功電流ip矢量與α方向上的夾角記作ψu，與i方向上的夾角記作ψ，i方向與α方向上的夾角記作ψi，且存在：

根據以上條件，能夠得到三相電路條件下的瞬時有功功率P與無功功率Q之間存在的矩陣形式為：

假設在三相情況下的電壓和電流均為標準的正弦波時，并取相電壓和相電流的有效值，計算出基波正序分量后完成反變換，得到諧波參數。至此完成諧波檢測算法的優化。

1.3 諧波抑制自動控制方法的實現

在完成諧波檢測之后，針對諧波的參數等條件進行抑制自動控制。光伏發電設備在與傳統電網進行發電并網時，影響光伏電能輸出的外界環境主要是光照強度和輻射溫度。根據諧波產生的原因來看，一旦外界條件環境發生變化時，對于有源逆變器來說也會產生輸出變化，令并網系統中產生諧波[5]。當分布式電源系統中的有關于電壓的變化函數應用在并網之后的線性電路中時，電流會保持其原有的頻率，并以正態波的形式出現。當并網之后的線路為非線性狀態時，頻率則會改變為非正弦波。但是此時的非正弦波會出現一定的壓降，影響負載端的電壓波形。在這樣的情況下，一旦出現低壓環境，則控制過程會對微小的諧波產生免疫。

為了有效實現諧波的抑制自動控制，本文在此過程中以電壓電流閉環控制PWM為基礎進行優化，從電壓諧波基礎上進行控制，保證在低壓環境下的控制精度。傳統的PWM諧波抑制技術中，一般是以電流為主要優化對象進行補償。但是低壓環境下，電流的變化范圍比較小，無法引起控制方法的敏感性，因此本文通過控制電壓的穩定輸出為突破口，以求降低逆變器元件在輸出過程中產生的波動與諧波。在電壓跟蹤自動控制的過程中，還能將產生的波動與諧波作為控制參考的指令信號，電感電流閉環控制以輸出電流為依據對補償電流進行控制，以電感電流采樣基準進行調制可以提高系統的動態響應能力和抗負載干擾能力。在以上的電壓控制中，其控制流程如圖2所示：

圖2 電壓諧波控制過程示意圖

圖2中的光伏系統的輸出量主要是由MPPT進行控制的，輸出電壓在經過PI控制器之后會生成補償電壓。其中的AVR能夠實現有功功率部分的補償，在控制中以串聯的形式連接，能夠將不同位置的電壓進行分流，將大部分的微小諧波電流引入到電源并網的濾波器中，實現諧波的抑制自動控制。至此完成分布式電源并網諧波抑制自動控制方法的研究。

2 方法性能測試

2.1 實驗環境與平臺設計

為了驗證本文設計的諧波抑制自動控制方法對于低壓環境下分布式電源并網諧波的控制有效性，在本章中模擬工程的實際環境，搭建實驗平臺。利用實驗室中380V的供電電源進行測試，搭建的實驗平臺框圖如圖3所示：

圖3 實驗平臺系統框圖

圖3中，380V的市電在經過電力濾波器以及單相的有源電力濾波器協調治理集電線路的包含諧波的電流，流經整流二極管，經過處理之后，輸出的是諧波振幅較大的電壓，給負載的電阻供電。APF是實驗中設置的波形發生器，能夠通過特定的算法產生能夠消除負荷側諧波和無功功率。在以上實驗環境下，實驗平臺的系統參數如表1所示：

表1 實驗平臺參數

在以上參數的支撐下，有源電力濾波器輸出的電壓頻率能夠達到上千赫茲，并且能夠作為開關信號。但是由于實驗系統中一些功率元件在進行開關操作過程中，會使電流波形產生毛刺。為了保證控制結果的精準度，需要去除波形中的毛刺。經過處理后，輸出的波紋電流ΔIL與其他參數之間存在以下函數關系：

式(5)中，Udc表示儲能電容兩端的電壓，u0(t)表示在t時間序列內交流輸出瞬時電壓的變化函數，L表示電流流經的總長度，fc表示開關的頻率。在上式中，當u0(t)的值為Udc的一半時，此時的電流振幅能夠達到最大，在電流波形的輸出情況中，能夠有效避免波形毛刺的產生。經過以上的預處理之后，設計實驗中自動控制的流程框圖，如圖4所示：

圖4 實驗控制測試流程圖

在以上實驗環境和實驗流程下，分別使用本文設計的分布式電源并網諧波抑制自動控制方法和傳統的基于DSP的諧波抑制自動控制方法進行測試，并將實驗結果進行對比與分析。

2.2 實驗結果對比與分析

經過測試，得到本文方法和傳統基于DSO控制方法下的分布式電源并網諧波抑制自動控制結果，如圖5所示：

圖5 兩種控制方法調節后的電壓波形與原始波形對比圖

分別使用兩種方法對諧波進行抑制控制之后，得到電壓波形圖，從上圖的波形圖可以看出，在對諧波進行抑制控制之前，電壓波形受到了實驗平臺中電阻的非線性負載的影響，電壓波形圖發生了嚴重的畸變，且其中包含了不同次數的諧波分量。經過本文方法進行抑制控制后，正弦圖像的振幅有效降低，其中的諧波分量明顯減少。為了更加直觀的看出不同方法的控制差距，對上圖進行頻譜分析，得到的結果如表2所示：

表2 頻譜分析結果對比

從表2的頻譜分析結果可以看出，在兩種諧波抑制控制方法下，對于降低母線電壓總畸變率THD均有降低的作用，但是本文方法下得到的電壓波形圖的畸變率更低，且高頻諧波電壓基本不存在，在諧波治理方面，本文方法的效果與傳統的基于DSP的諧波抑制自動控制方法相比更加顯著。

3 結語

分布式光伏電源的發展有效解決了目前能源短缺的現狀，這種可再生能源能夠在一定程度上緩解傳統化石燃料發電所帶來的一些問題。本文針對分布式電源并網之后所產生的諧波進行研究，得到一種適用于低壓環境下諧波抑制自動控制的精準方法。本文通過建立分布式電源并網模型，對諧波進行檢測并實現抑制自動控制，經過實驗驗證了本文方法的有效性。本文設計的方法雖然取得了一定的成績，但是由于一些客觀原因，還存在一些有待改進之處。在方法的驗證過程中，主要是基于分布式電源并網的穩態運行條件，實驗平臺的狀況單一，在后續的研究中，需要針對不同程度擾動或運行狀態下進行測試，并將其脫離實驗環境，真正應用到實際環境中。