張峰朝 張蓉

摘 ?要：目前光伏發(fā)電是解決環(huán)境污染、能源短缺等問題的重要方法之一。光伏發(fā)電系統(tǒng)中大量電力電子器件的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波，進(jìn)而影響其電能質(zhì)量。然而光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的要求較高，因此需要對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和分析，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。對(duì)此，該文基于光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的希爾伯特-黃變換（HHT）算法，并通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法能夠精確地檢測(cè)在光伏并網(wǎng)中諧波的含量，使其能夠快速實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)同頻同相的并網(wǎng)功能。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng) ?諧波檢測(cè) ?HHT改進(jìn)算法

中圖分類號(hào)：TN929 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）05（c）-0031-05

Abstract： At present， photovoltaic power generation is one of the important methods to solve environmental pollution and energy shortages. The application of a large number of power electronic devices in photovoltaic power generation systems generates a certain amount of harmonics， which in turn affects the power quality. However， photovoltaic power generation systems have higher requirements for power quality， so it is necessary to accurately detect and analyze harmonics to improve the power quality of the system. In this paper， based on the photovoltaic power generation system， an improved Hilbert-Huang transform （HHT） algorithm is proposed and verified by building an experimental platform. The results show that the method can accurately detect the harmonic content in the photovoltaic grid connection， so that it can quickly realize the grid-connected function with the same frequency in the same frequency as the large power grid.

Key Words： Photovoltaic grid-connected; Harmonic detection; HHT improved algorithm

新能源應(yīng)用可以有效地緩解能源短缺和環(huán)境污染問題，引起人們的廣泛關(guān)注，對(duì)其的研究越來(lái)越多[1]。太陽(yáng)能是一種非常有發(fā)展前途的新能源，主要是因?yàn)樗哂羞B續(xù)、清潔、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能有效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，并通過(guò)逆變器饋入電網(wǎng)，有效地緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染[2]。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用電力電子裝置組成的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳輸，這也是造成諧波源存在的原因[3]。然而諧波作為衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此對(duì)電網(wǎng)諧波的準(zhǔn)確檢測(cè)和分析是諧波影響研究的首要任務(wù)。

根據(jù)諧波的特征，目前已有不少學(xué)者提出了不同的諧波檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[4]利用頻域分析法對(duì)電力系統(tǒng)諧波進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于瞬時(shí)無(wú)功理論的檢測(cè)諧波方法。文獻(xiàn)[6]闡述了電力系統(tǒng)中各種基于小波變換的電能質(zhì)量分析方法。在微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中存在的諧波，由于其具有隨機(jī)性和非平穩(wěn)性，因此采用一般的檢測(cè)方法具有一定的局限性。然而希爾伯特-黃變換檢測(cè)方法能夠?qū)Ψ蔷€性和非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析，但是存在包絡(luò)擬合和模態(tài)混疊的現(xiàn)象。該文根據(jù)微電網(wǎng)諧波的特點(diǎn)，提出了改進(jìn)的希爾伯特-黃變換（HHT）檢測(cè)方法。通過(guò)建立并網(wǎng)的微電網(wǎng)模型，用于諧波檢測(cè)，并對(duì)該HHT算法存在一些不足進(jìn)行了改進(jìn)。利用改進(jìn)后的算法對(duì)微電網(wǎng)的諧波進(jìn)行檢測(cè)，證明算法的可行性。

1 ?光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

不同類型的微電網(wǎng)模式，分布式電源具有不同的接入方式。與此同時(shí)，需要針對(duì)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行諧波檢測(cè)和分析。因此，有必要對(duì)微電網(wǎng)的模型進(jìn)行研究。光伏電池是將光能轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換裝置。

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池的等效電路圖如圖1所示。當(dāng)日照強(qiáng)度恒定時(shí)，則可將光電流看作是一個(gè)恒流源，電流流經(jīng)二極管、并聯(lián)電阻以及串聯(lián)電阻，流出光伏電池最后流入負(fù)載。

1.2 光伏并網(wǎng)主電路及控制

該文采用了變換器和全橋逆變器，研究了三相兩級(jí)式非隔離型的光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電。如圖2所示為三相光伏并網(wǎng)主電路結(jié)構(gòu)。主電路的控制方式采用電壓源輸入和電流源輸出的控制方式。

如圖3所示為光伏并網(wǎng)控制策略原理，為了改善并網(wǎng)電流，抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，引入基于電流環(huán)控制的電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償。

將光伏電池模型和并網(wǎng)逆變器模型相結(jié)合，建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，為后續(xù)諧波檢測(cè)和分析提供了基礎(chǔ)。

2 ?改進(jìn)希爾伯特-黃變換（HHT）方法

針對(duì)非線性和非平穩(wěn)信號(hào)的分析，為了彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)方法對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)檢測(cè)存在的不足，廣泛采用希爾伯特-黃變換的分析方法，但其也存在著包絡(luò)線擬合、模態(tài)混疊等問題。因此提出了一種改進(jìn)的包絡(luò)線擬合方法用于解決HHT方法本身的包絡(luò)線擬合問題;設(shè)計(jì)了數(shù)字高通濾波器去濾除基波分量，解決HHT方法在諧波檢測(cè)中遇到的模態(tài)混疊現(xiàn)象。

2.1 包絡(luò)線擬合方法的改進(jìn)

任何復(fù)雜的信號(hào)可以由一組固有模式函數(shù)（IMF）組成。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）是將信號(hào)分解為固有模態(tài)函數(shù)的方法。EMD方法是基于局部極值點(diǎn)擬合上包絡(luò)線和下包絡(luò)線，然后計(jì)算它們的平均線。HHT方法的起點(diǎn)就是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解。其擬合極值點(diǎn)的上下包絡(luò)線采用三次樣條插值函數(shù)。具有二階光滑性的三次樣條插值函數(shù)，其包絡(luò)線不能將信號(hào)完全包含，容易出現(xiàn)過(guò)沖或下沖的現(xiàn)象[7]。因此該文提出求上包絡(luò)線和下包絡(luò)線采用分段三次Hermite插值方法。其過(guò)程如下。

然后將位于原始信號(hào)包絡(luò)線外的數(shù)據(jù)點(diǎn)列出，將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)作為新的極值點(diǎn)，插入到原始最大點(diǎn)的序列中，最后用分段三次Hermite插值曲線作為新的上下包絡(luò)線進(jìn)行擬合。

2.2 模擬混疊抑制方法的改進(jìn)

在大多數(shù)情況下，微電網(wǎng)中基波分量的振幅比諧波分量大得多。采用傳統(tǒng)的HHT方法進(jìn)行信號(hào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，容易出現(xiàn)模態(tài)混疊問題。這主要是由于能量較小的IMF分量將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，這將會(huì)影響到各IMF分量的分解結(jié)果[8]。為了解決模態(tài)混疊問題，該文對(duì)于抑制模態(tài)混疊提出改進(jìn)HHT，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不影響諧波分量的檢測(cè)。其過(guò)程主要是在分析之前濾除幅值比較大的基波分量，則其余的高次諧波分量的幅值相對(duì)接近，這樣就解決了混疊的問題。

2.3 綜合改進(jìn)思路

該文提出的包絡(luò)線改進(jìn)方法實(shí)際上是在不改變?cè)夹盘?hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法的改進(jìn)。模式混疊抑制是基于電網(wǎng)和微電網(wǎng)中的諧波檢測(cè)，通過(guò)對(duì)基波分量進(jìn)行濾波，提高了諧波分量的檢測(cè)精度。將這兩種改進(jìn)方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合改進(jìn)，不但實(shí)現(xiàn)了一定程度上避免模態(tài)混疊，而且能夠提高諧波檢測(cè)的精度。

3 ?光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電流的諧波檢測(cè)

3.1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真

該文基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的微電網(wǎng)并網(wǎng)模型，并進(jìn)行仿真得到并網(wǎng)電流。將改進(jìn)的HHT算法用于含光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電流諧波分析。微電網(wǎng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖4所示。

并網(wǎng)光伏電流的基波幅值為20A。假定并網(wǎng)光伏逆變器中注入了0.8A的3次諧波，由于光照條件的變化，并網(wǎng)光伏逆變器中又增加了0.6A的5次諧波。在Matlab/Simulink中建立微電網(wǎng)仿真模型，得到PCC點(diǎn)電流波形，如圖5所示。PCC點(diǎn)電流是一種非平穩(wěn)電流信號(hào)。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電流諧波檢測(cè)與分析

光伏發(fā)電的并網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由光伏電池、DC/AC電路、電源電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和采樣電路組成。

如圖7所示為采用FFT方法對(duì)電流諧波檢測(cè)的結(jié)果，可以看出，F(xiàn)FT方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出PCC點(diǎn)電流中存在的基波、3次諧波，但是FFT方法對(duì)于5次諧波的檢測(cè)卻有著明顯誤差，且其對(duì)于諧波的檢測(cè)不能跟隨電流信號(hào)變化的具體時(shí)刻，對(duì)于信號(hào)存在的間斷性不能呈現(xiàn)，因此，采用FFT方法對(duì)于非平穩(wěn)電流諧波的檢測(cè)并不完美。

表1所示是PCC點(diǎn)的電流檢測(cè)結(jié)果?？梢钥闯觯贗MF1中可以檢測(cè)到0.1s之前的3次諧波，并且在0.1s之前和之后IMF1的瞬時(shí)振幅和頻率已經(jīng)改變，特別是在0.1s時(shí);0.1s后，IMF1中可以提取出更高頻率的5次諧波。在IMF2中可以檢測(cè)到0.1s之前除去3次諧波沒有的諧波，此時(shí)其瞬時(shí)幅值約為0，則頻率沒有參考性。而0.1s前后與IMF1發(fā)生相同變化。IMF2中0.1s后，從IMF2中提取3次諧波，幅度與IMF1的前0.1s一致，表明信號(hào)中總是有3個(gè)諧波。該文提出的方法可以準(zhǔn)確地檢測(cè)諧波信號(hào)中斷的時(shí)間點(diǎn)，這對(duì)于微電網(wǎng)的隨機(jī)和非平穩(wěn)諧波檢測(cè)具有重要意義。該方法更適合于微電網(wǎng)的諧波檢測(cè)。

圖8是實(shí)驗(yàn)測(cè)試的并網(wǎng)電流功率因數(shù)和諧波分析結(jié)果。系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.99，滿足電網(wǎng)連接的功率因數(shù)要求。其穩(wěn)態(tài)基波電流為4.89A，并網(wǎng)電流THD=3.1%，也驗(yàn)證了該文提出的檢測(cè)方法具有足夠的檢測(cè)精度。

4 ?結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)諧波的檢測(cè)與分析提出了一種改進(jìn)的希爾伯特-黃變換算法，首先建立了光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，其次采用該文提出的方法對(duì)微電網(wǎng)的并網(wǎng)電流中存在的諧波進(jìn)行檢測(cè)和分析。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該文提出的方法相比傳統(tǒng)FFT方法，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到并網(wǎng)時(shí)電流信號(hào)中的諧波分量，可以反映信號(hào)突變的時(shí)間點(diǎn)，對(duì)于非平穩(wěn)電流信號(hào)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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