天津京濱工業(yè)園開(kāi)發(fā)有限公司 崔偉

引言

隨著電網(wǎng)中非線性負(fù)載的日益增多，諧波污染治理的問(wèn)題越來(lái)越受到重視就目前工業(yè)應(yīng)用而言[1]，無(wú)源電力濾波器（PF）以其投資少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而在眾多領(lǐng)域得到了廣泛使用，但其缺點(diǎn)是濾波特性受電力系統(tǒng)參數(shù)的影響大，特別是在高壓系統(tǒng)中，濾波電容不可能很大，濾波器失諧狀態(tài)下的濾波要求有時(shí)難以滿足，還可能導(dǎo)致諧波放大，甚至與系統(tǒng)發(fā)生諧振危機(jī)電網(wǎng)安全，這使得PF的設(shè)計(jì)比較復(fù)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(duì)PF這些缺點(diǎn)，于20世紀(jì)80年代才發(fā)展起來(lái)的有源電力濾波器（APF）作為一種能動(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置受到了廣泛關(guān)注，并出現(xiàn)了眾多的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案[2-5]。APF功能全面，可以同時(shí)補(bǔ)償諧波，不對(duì)稱(chēng)電流、母線電壓波動(dòng)和無(wú)功，而且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)；諧波補(bǔ)償?shù)男Ч茈娋W(wǎng)阻抗的影響小，不易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；APF能夠跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，因而補(bǔ)償性能不受頻率變化的影響；同時(shí)APF補(bǔ)償電流的大小可控，當(dāng)補(bǔ)償對(duì)象發(fā)生變化時(shí)不會(huì)過(guò)載。因此有源電力濾波器也成了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。

另一方面，隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，能源和環(huán)保問(wèn)題已成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。人口眾多，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理，經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)快等因素導(dǎo)致我國(guó)的能源和環(huán)保問(wèn)題更為嚴(yán)重，因此，加速開(kāi)發(fā)利用新能源和綠色能源迫在眉睫，太陽(yáng)能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢(shì)已成為最具光明前景的新能源之一[6-8]。

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

有源電力濾波器主要表現(xiàn)在如下方面：

（1）應(yīng)用成本較高，由于要用到大容量的電力開(kāi)關(guān)器件和高速的數(shù)字控制芯片,成本比傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器成本高出很多,嚴(yán)重阻礙的推廣應(yīng)用；

（2）功能比較單一，由于電能質(zhì)量問(wèn)題日益多樣化,對(duì)電能質(zhì)量治理裝置的功能多樣性要求也越來(lái)越高,對(duì)敏感負(fù)載最關(guān)心的電壓閃變和電力瞬時(shí)中斷無(wú)能為力；

（3）裝置容量較小，諧波和無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)而言危害很大,電網(wǎng)中的諧波和無(wú)功總量也很大,但是由于功率開(kāi)關(guān)器件的限制,目前的容量較小,安裝少量的APF對(duì)改善電能質(zhì)量的效果并不明顯。

光伏發(fā)電主要表現(xiàn)在如下方面：

（1）應(yīng)用成本較高，2003年光伏發(fā)電系統(tǒng)價(jià)格約為60－80元/W，相對(duì)與目前的火力和水利發(fā)電，光伏發(fā)電的成本約為后者的6－20倍。成本高是當(dāng)前制約光伏發(fā)電市場(chǎng)快速發(fā)展的主要原因；

（2）設(shè)備利用率較低，由于日夜交替的原因，夜里光伏發(fā)電裝置要停機(jī)，只有白天且天氣較好的時(shí)候才能發(fā)電工作，這種間歇性的工作不僅降低了設(shè)備的利用率，并且頻繁的投切電網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)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(wǎng)裝置的容量不大,并且目前的并網(wǎng)裝置對(duì)電力系統(tǒng)日益關(guān)心的電能質(zhì)量問(wèn)題改善作用不大,甚至,有時(shí)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電能質(zhì)量造成負(fù)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(jìn)的電力電子技術(shù)對(duì)兩者實(shí)施統(tǒng)一控制，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓δ芡卣梗员M量解決兩者推廣應(yīng)用的障礙，這不僅對(duì)兩種技術(shù)的推廣具有重大意義，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)、新能源開(kāi)發(fā)和綠色電力的和諧發(fā)展具有一定的意義。

1 APF與光伏并網(wǎng)發(fā)電的對(duì)比分析

1.1 APF的工作原理

根據(jù)與補(bǔ)償對(duì)象連接方式的不同，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，實(shí)際應(yīng)用中多為并聯(lián)型，下面以并聯(lián)型為例介紹其工作原理。圖1所示為最基本的APF系統(tǒng)的原理圖。

圖1 并聯(lián)型原理圖

圖中， au 、 bu、 cu 代表三相交流電源,負(fù)載為諧波源,它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功功率。系統(tǒng)主要由兩部分組成，即指令電流運(yùn)算和電流跟蹤控制部分（包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路）。其中,指令電流運(yùn)算部分的核心是檢測(cè)出被補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功電流分量，電流跟蹤控制部分的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算得出的補(bǔ)償電流指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。作為主電路的PWM變流器，在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，主要作為逆變器工作，但是在電網(wǎng)向直流側(cè)充電時(shí)，它作為整流器工作。也就是說(shuō)，它既可以工作在逆變狀態(tài)，又可以工作在整流狀態(tài)。

APF的基本工作原理是檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算單元計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令電流信號(hào)，電流跟蹤控制部分按照指令電流信號(hào)控制補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功電流相抵消，最終得到期望的電網(wǎng)電流。

1.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電的工作原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)功能通常分為兩類(lèi)，一種為含有蓄電池組的可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，另一種為不含蓄電池的不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。通常，可調(diào)度式系統(tǒng)應(yīng)用在規(guī)模較大的集中式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，不可調(diào)度式應(yīng)用在分散小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。兩種并網(wǎng)系統(tǒng)中，前者較后者功能要強(qiáng)，因?yàn)榍罢呔哂袃?chǔ)能能力，可以用于電網(wǎng)調(diào)峰和應(yīng)急供電。

下面以不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明光伏并網(wǎng)發(fā)電的工作原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理如圖2所示：

圖2 不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作過(guò)程為白天，光伏陣列有電能輸出時(shí)，并網(wǎng)逆變器通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤使光伏陣列輸出最大電能并以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)供電夜晚，光伏陣列無(wú)電能輸出，并網(wǎng)逆變器停止工作，保證夜間低損耗當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，并網(wǎng)逆變器停止工作，避免孤島效應(yīng)發(fā)生。

1.3 APF和光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的相同電點(diǎn)分析

從上面兩節(jié)對(duì)和光伏并網(wǎng)發(fā)電原理的介紹可知,兩者有諸多相同之處，下面從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，功能和控制方法三方面分別進(jìn)行比較分析。

結(jié)構(gòu)方面。APF和光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3所示:

圖3 有源電力濾波器和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

從上圖可知兩者在變流器拓?fù)湟约斑B接電網(wǎng)的方式上相同，只是直流側(cè)不同，APF的直流側(cè)是電容器,而光伏并網(wǎng)發(fā)電的直流側(cè)是光伏陣列。

（2）功能方面。APF的功能是補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流，即向電網(wǎng)注入諧波和無(wú)功電能；光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的功能是并網(wǎng)發(fā)電,即向電網(wǎng)注入有功電能,兩者只是注入到電網(wǎng)的電能種類(lèi)不同,本質(zhì)上是相同的。

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

2 具有APF功能的光伏發(fā)電控制系統(tǒng)

由上節(jié)的分析可知,APF和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能和控制方法等諸方面是相同的,所以理論上存在對(duì)兩者實(shí)施統(tǒng)一控制的可能性,如果能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)和光伏并網(wǎng)發(fā)電的統(tǒng)一控制,就可以在同一裝置上實(shí)現(xiàn)多種功能,有利于技術(shù)推廣。

分析對(duì)直流側(cè)的控制原理可知,APF的直流側(cè)電容電壓是靠系統(tǒng)自身與電網(wǎng)的能量交換來(lái)維持的。當(dāng)直流側(cè)電壓超過(guò)給定時(shí)，會(huì)通過(guò)向電網(wǎng)注入有功電能來(lái)降低直流側(cè)的電壓，也就是說(shuō)通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂瓶梢岳冒阎绷鱾?cè)的電能以有功電流的形式注入到電網(wǎng)。這也就是光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)施統(tǒng)一控制的理論基礎(chǔ),這樣就可以把光伏陣列直接或經(jīng)過(guò)升壓電路接到的直流側(cè),通過(guò)對(duì)其實(shí)施最大功率點(diǎn)跟蹤可以實(shí)現(xiàn)光伏陣列以最大功率向電網(wǎng)注入電能，并且在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)不會(huì)對(duì)的原有功能造成影響。

按照上述思想對(duì)兩種裝置進(jìn)行合并實(shí)施統(tǒng)一控制,與光伏并網(wǎng)發(fā)電統(tǒng)一控制系統(tǒng)示意圖如下：

圖4 APF與光伏并網(wǎng)發(fā)電統(tǒng)一控制系統(tǒng)

APF與光伏并網(wǎng)發(fā)電統(tǒng)一控制系統(tǒng)可以集諧波與無(wú)功電流補(bǔ)償和光伏并網(wǎng)發(fā)電于一體。工作原理簡(jiǎn)述如下：電流檢測(cè)部分通過(guò)檢測(cè)算法檢測(cè)出非線性負(fù)載的無(wú)功和諧波電流,形成無(wú)功和諧波補(bǔ)償指令電流。最大功率跟蹤控制部分負(fù)責(zé)跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，形成并網(wǎng)指令電流，控制部分把無(wú)功和諧波補(bǔ)償指令電流和并網(wǎng)指令電流進(jìn)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(wǎng)注入電流,就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流質(zhì)量治理和光伏并網(wǎng)發(fā)電。針對(duì)上述APF和光伏發(fā)電統(tǒng)一控制系統(tǒng)，本文提出如下控制策略：

（1）電網(wǎng)正常時(shí)，統(tǒng)一控制系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式，該模式下系統(tǒng)被控制成一個(gè)受控電流源。系統(tǒng)利用合適的電流跟蹤控制方法，按照諧波補(bǔ)償和光伏并網(wǎng)合成指令向電網(wǎng)注入電流，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流質(zhì)量治理和光伏并網(wǎng)發(fā)電。在諧波補(bǔ)償和光伏并網(wǎng)發(fā)電容量相沖突時(shí)，系統(tǒng)利用蓄電池組或其它方法對(duì)兩者進(jìn)行容量協(xié)調(diào)，以保證裝置的安全穩(wěn)定工作。

（2）在電網(wǎng)因故障中斷時(shí)，系統(tǒng)快速?gòu)牟⒕W(wǎng)工作模式轉(zhuǎn)換到工作模式對(duì)重要負(fù)載實(shí)施電力中斷補(bǔ)償功能，此時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于從一個(gè)受控電流源轉(zhuǎn)變成一個(gè)受控電壓源，保證重要負(fù)載不間斷地工作,同時(shí)系統(tǒng)把裝置本身和重要負(fù)載切離電網(wǎng)，以防止孤島效應(yīng)發(fā)生。

（2）當(dāng)電力恢復(fù)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)鎖相環(huán)節(jié)調(diào)整系統(tǒng)與電網(wǎng)相位同步，然后從模式轉(zhuǎn)換到并網(wǎng)模式繼續(xù)工作。此時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于從受控電壓源轉(zhuǎn)換回受控電流源，繼續(xù)進(jìn)行諧波補(bǔ)償和光伏并網(wǎng)發(fā)電。在兩種工作模式的轉(zhuǎn)換過(guò)程中采取適當(dāng)?shù)姆椒ūＷC負(fù)載端電壓幅值和相位的連續(xù)性。

（4）根據(jù)系統(tǒng)性能要求和蓄電池的特性，對(duì)蓄電池組進(jìn)行合理的充放電控制和直流側(cè)優(yōu)化管理。按照不同的工作環(huán)境和狀態(tài),對(duì)直流側(cè)電容器、光伏陣列和蓄電池組進(jìn)行具體的組合優(yōu)化管理，確保電力中斷時(shí)系統(tǒng)能繼續(xù)向負(fù)載供電至電力恢復(fù)或達(dá)到預(yù)定的應(yīng)急供電時(shí)間。

（5）根據(jù)系統(tǒng)的整體性能和安全穩(wěn)定工作的需要,系統(tǒng)還需要具有軟啟動(dòng)、電力中斷檢測(cè)、電網(wǎng)電壓鎖相、最大功率點(diǎn)跟蹤控制和光伏充電等技術(shù)作為系統(tǒng)正常工作的技術(shù)保障。

3 諧波檢測(cè)和光伏并網(wǎng)發(fā)電的合成算法

統(tǒng)一控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是無(wú)功和諧波電流的檢測(cè)。最早的諧波電流檢測(cè)方法是采用模擬電路實(shí)現(xiàn)的，這種方法對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)和電路元件參數(shù)十分敏感:而采用周期電流相位的無(wú)功電流檢測(cè)方法由于其具有較長(zhǎng)時(shí)間的延遲，實(shí)時(shí)性不好，且不能檢測(cè)電流中的諧波，因而不適應(yīng)要求快速反應(yīng)的統(tǒng)一控制系統(tǒng)系統(tǒng)。自適應(yīng)檢測(cè)方法、基于小波理論的檢測(cè)方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法。這些方法還較少被應(yīng)用于實(shí)際工程中?；谌嗨矔r(shí)無(wú)功功率理論的瞬時(shí)無(wú)功和諧波電流檢測(cè)方式具有良好的實(shí)時(shí)性，而采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為控制中心，其運(yùn)算能力和速度可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)要求，并大大減少硬件電路的復(fù)雜性，避免了器件的離散性帶來(lái)的測(cè)量誤差。

統(tǒng)一控制系統(tǒng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)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(qiáng)烈的非線性，雖然光伏陣列的MPPT實(shí)現(xiàn)方法已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的研究歷史和眾多文獻(xiàn)介紹，如功率回授法、電導(dǎo)增量法、間歇掃描法等，但理論方法和仿真結(jié)果的成功并不能表示其在實(shí)際應(yīng)用中能夠獲得一致性的滿意效果，本文提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大功率跟蹤法，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)討論，仿真實(shí)驗(yàn)表明其具有良好的最大功率跟蹤特性。

3.1 無(wú)功及諧波電流的檢測(cè)

本文所提出的APF與光伏發(fā)電統(tǒng)一控制系統(tǒng)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功及諧波電流補(bǔ)償和光伏并網(wǎng)發(fā)電，這就決定指令電流計(jì)算包含無(wú)功及諧波電流的補(bǔ)償指令電流計(jì)算、光伏并網(wǎng)發(fā)電有功指令電流計(jì)算以及上述兩者的合成運(yùn)算，其中無(wú)功及諧波電流的檢測(cè)是系統(tǒng)完成諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。

諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)方法作為APF的一個(gè)重要研究分支，多年來(lái)有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，新的檢測(cè)方法也層出不窮。其實(shí)諧波檢測(cè)技術(shù)伴隨著交流電力系統(tǒng)發(fā)展的全過(guò)程，誕生了頻域理論和時(shí)域理論，形成了多種諧波檢測(cè)方法。日本學(xué)者赤木泰文等人于1983年提出了瞬時(shí)無(wú)功功率理論，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種諧波電流的檢測(cè)方法，它是目前APF中應(yīng)用最廣的檢測(cè)方法，對(duì)于諧波和無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究和開(kāi)發(fā)起了極大的推動(dòng)作用。瞬時(shí)無(wú)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(shí)值變換到阿爾法與貝塔正交坐標(biāo)系，并將電壓、電流矢量的點(diǎn)積定義為瞬時(shí)有功功率，電壓和電流矢量的叉積定義為瞬時(shí)無(wú)功功率。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展出廣為使用的p-q法和ip-iq法。由于電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)或電壓畸變時(shí)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(wǎng)電壓進(jìn)行功率計(jì)算，而是通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）獲取A相電網(wǎng)電壓的相位，然后產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正、余弦信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)有功、無(wú)功電流的計(jì)算。根據(jù)定義可以計(jì)算出 ip、iq，經(jīng)低通濾波器后得出其直流分量 ip、iq。然后經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)最終的檢測(cè)結(jié)果包含無(wú)功和諧波電流含量， 合并時(shí)只檢測(cè)諧波電流。

圖5 ip-iq檢測(cè)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(guān)系可以得到在不同環(huán)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(yáng)輻射強(qiáng)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(kāi)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(kāi)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(qiáng)度S越強(qiáng)，則光伏電池的短路電流就越高，輸出功率越大；輻射強(qiáng)度越低，則光伏電池的短路電流越低，輸出功率越小。

在實(shí)際光伏系統(tǒng)中，光伏電池的輸出功率往往同時(shí)受到溫度T及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度S變化的影響，但總的來(lái)說(shuō)，溫度T的增加使得光伏電池的輸出功率產(chǎn)生減小的趨勢(shì)，輻射強(qiáng)度S的增加使得光伏電池的輸出功率產(chǎn)生增大的趨勢(shì)，光伏電池的實(shí)際輸出功率正是這兩種趨勢(shì)相互作用的結(jié)果。光伏電池在任何時(shí)刻都存在一個(gè)最大功率輸出的工作點(diǎn)，而且隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化。為能讓太陽(yáng)能電池在供電系統(tǒng)中充分發(fā)揮它的光電轉(zhuǎn)換能力，就需實(shí)時(shí)控制太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)以獲得最大功率輸出。目前已經(jīng)發(fā)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(yù)測(cè)數(shù)據(jù)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(cè)和光伏并網(wǎng)發(fā)電的合成算法

本文利用ip-iq檢測(cè)方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波電流的檢測(cè)及其與并網(wǎng)發(fā)電有功電流的合成。電流檢測(cè)及指令電流的合成原理框圖如圖7。圖中數(shù)字鎖相環(huán)PLL跟蹤A相電網(wǎng)電壓ea的相位保證電流檢測(cè)精度。圖中，K斷開(kāi)時(shí)檢測(cè)結(jié)果中包含負(fù)載的無(wú)功和諧波電流，K閉合時(shí)算法只檢測(cè)負(fù)載中的諧波電流含量，并與并網(wǎng)指令電流合成，得到諧波補(bǔ)償和并網(wǎng)發(fā)電電流的合成指令。

圖7 諧波、無(wú)功檢測(cè)及其與并網(wǎng)指令合成算法示意圖

根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論，三相負(fù)載電流ai、bi、ci經(jīng)過(guò)32C 、C轉(zhuǎn)換和低通濾波后得到的直流分量是有功基波為光伏并網(wǎng)直流指令分量，它是由最大功率點(diǎn)跟蹤控制器（MPPT）計(jì)算出的最大功率點(diǎn)指令電壓或系統(tǒng)直流側(cè)給定電壓和當(dāng)前的光伏陣列輸出電壓或直流側(cè)電壓 dcu 經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)（AVR）后得到的有功直流分量，和經(jīng)以下算法合成。

從（4）的結(jié)果可以看出，前一項(xiàng)正是瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的無(wú)功及諧波電流分量，而后項(xiàng)正是包含指令信息的三相基波電流?？刂谱兞髌靼延?jì)算的指令電流注入電網(wǎng)即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功、諧波電流補(bǔ)償及光伏并網(wǎng)發(fā)電。

4 具有APF功能的光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)

上文對(duì)無(wú)功和諧波檢測(cè)方法以及指令電流的合成算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為了驗(yàn)證所提控制策略的有效性，本文使用MATLAB/simulink建立了系統(tǒng)模型如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)模型圖

圖9 （a）不具有APF功能的系統(tǒng)仿真波形

圖9 （b）具有APF功能的系統(tǒng)仿真波形

5 結(jié)論

具有APF功能的光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)的研究是光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，它包含并網(wǎng)發(fā)電和有源濾波等電力變換技術(shù)兩大應(yīng)用領(lǐng)域，也是高壓大功率變換器在新能源發(fā)電領(lǐng)域里的重要應(yīng)用。本文全面、深入地分析了有源電力濾波器和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作機(jī)理和數(shù)學(xué)模型，并由此建立了有源電力濾波器和光伏并網(wǎng)發(fā)電的統(tǒng)一控制系統(tǒng)。根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論，分析了基于ip-iq法的瞬時(shí)無(wú)功和諧波實(shí)時(shí)在線檢測(cè)法，有效地實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制功能。在分析比較現(xiàn)有算法的基礎(chǔ)上，建立了有源電力濾波器和光伏并網(wǎng)發(fā)電的統(tǒng)一控制系統(tǒng)模型，并用仿真驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

[1]王群，姚為正，劉進(jìn)軍等.諧波源與有源濾波器的補(bǔ)償特性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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(guó)柱，呂征宇，錢(qián)照明.有源濾波器的一般原理及應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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(zhàn)鷹，任震，楊澤明.有源濾波裝置及其應(yīng)用綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，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