具有自適應(yīng)無(wú)功和諧波補(bǔ)償功能的并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

馬凱莉，黃桂根，馬靈甫，張曉玲，王正仕

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

具有自適應(yīng)無(wú)功和諧波補(bǔ)償功能的并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

馬凱莉，黃桂根，馬靈甫，張曉玲，王正仕

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

針對(duì)電網(wǎng)的污染問(wèn)題設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變器，實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)傳遞有功功率的同時(shí)對(duì)電網(wǎng)電流中的無(wú)功和諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償，改善電網(wǎng)質(zhì)量，使電網(wǎng)電流正弦化?；谧赃m應(yīng)陷波濾波器ANF原理，介紹了一種適用于單相電路負(fù)載的無(wú)功和諧波電流提取的新方法。該方法能較為準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出所需信號(hào)的幅值、相位和頻率等信息，并且在負(fù)載變化時(shí)保持較快的響應(yīng)速度。最后，在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)該理論進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方法的可行性。

并網(wǎng)逆變器；無(wú)功；諧波；自適應(yīng)陷波濾波器ANF

引言

目前全世界范圍內(nèi)90%以上的電力負(fù)荷供電均采用集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離傳輸和大電網(wǎng)互聯(lián)的方式，但是隨著非再生能源的枯竭，環(huán)境問(wèn)題以及電能需求增加等問(wèn)題日益突出，分布式電源DG［1］以其清潔、靈活、投資低的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到人們的重視［2］。與此同時(shí)電力電子裝置，尤其是整流裝置（如電牽引負(fù)荷［3］）會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量造成污染，導(dǎo)致電力系統(tǒng)元器件附加功率損耗及故障。作為光電轉(zhuǎn)換設(shè)備接口的光伏PV并網(wǎng)逆變器，由于太陽(yáng)能一次能源的波動(dòng)性很大，使得逆變器達(dá)不到額定功率。本文設(shè)計(jì)內(nèi)容的重點(diǎn)正是將逆變器的這部分“空閑”能量加以利用，對(duì)電網(wǎng)中無(wú)功和諧波成分進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。

對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功、諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)是如何快速檢測(cè)和精確提取非線性負(fù)載電流中的無(wú)功和諧波分量，以獲得系統(tǒng)控制電路所需要的參考指令信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外的研究方法有很多，例如基于時(shí)域的瞬時(shí)無(wú)功功率理論［4-5］、同步d-q變換［6］、陷波濾波器［7］和近似的帶通諧振濾波器［8］；基于頻域的快速傅里葉變換FFT［9］和離散傅里葉變換DFT［10］等。由于瞬時(shí)無(wú)功理論建立在三相逆變器的基礎(chǔ)上，對(duì)于單相電路的檢測(cè)需要通過(guò)延時(shí)環(huán)節(jié)構(gòu)造三相電流，因此不能很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)；FFT算法則存在頻譜泄露的現(xiàn)象，雖然通過(guò)加窗算法能大大消除，但卻使得分析復(fù)雜化［11］。

本文介紹了一種新型的基于自適應(yīng)陷波濾波器ANF（adaptive notch filter）的無(wú)功電流和諧波電流的提取方法［12］，優(yōu)點(diǎn)是：（1）不需要鎖相環(huán)PLL；（2）不需要簡(jiǎn)化假設(shè)即可提取出各次諧波及其相關(guān)信息，如頻率、幅值、相角；（3）響應(yīng)速度較快?；贏NF原理，本文在并網(wǎng)系統(tǒng)中加入逆變器增強(qiáng)型電能質(zhì)量控制策略，即：逆變器在向電網(wǎng)傳輸有功的基礎(chǔ)上補(bǔ)償無(wú)功和諧波成分，提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，使電網(wǎng)電流的波形正弦化。

1 自適應(yīng)陷波濾波法介紹

定義自適應(yīng)陷波器ANF輸入信號(hào)為

傳統(tǒng)ANF的表達(dá)式為

式中：θ為輸入信號(hào)頻率的估計(jì)值；ζ和γ分別為可調(diào)整的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)收斂速度；x為中間變量；iload為輸入信號(hào)，當(dāng)iload不含高次諧波時(shí)，iload=A1（sin ω1t）+φ1），式（2）有唯一的解，即

當(dāng)輸入信號(hào)有諧波時(shí)，傳統(tǒng)ANF不能準(zhǔn)確提取基波的頻率、幅值等信息。而改進(jìn)后的ANF動(dòng)態(tài)微分方程［13］為

式中：x˙i、-iθxi分別為第ith次諧波及其90°相移量；ω1為輸入信號(hào)的基波頻率。則第ith次諧波的幅值為

對(duì)于改進(jìn)后的ANF，其特定的收斂根軌跡為

圖1 ANF的主從結(jié)構(gòu)Fig.1 ANF master-slave structure

對(duì)電流中的基波頻率、幅值和相角的提取可由ANF主從結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。（1）不失一般性，和-iθxi由圖1可以得到，在此基礎(chǔ)上，由多個(gè)從ANF結(jié)構(gòu)估計(jì)出∑Aisin（ωit+φi）；（2）在從ANF基礎(chǔ)上，由主ANF結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)整ζ和γ精確快速地估計(jì)出iload的基波頻率ω1、基波U1、基波90°相移量S90-U1。此外，由式（4）可得到基波幅值A(chǔ)1，繼而可以得到cos φi和sin φi。

2 無(wú)功和諧波電流信號(hào)的提取

文中ANF的輸入信號(hào)是單相電路瞬時(shí)電壓和負(fù)載電流，設(shè)定瞬時(shí)電壓為us（t）=Ussin φv，則電網(wǎng)瞬時(shí)電流為

單相電壓、電流向量如圖2所示。

圖2 單相電壓、電流向量Fig.2 Phasor of single-phase voltage and currents

式中，I1、sin φv和cos φv以及sin φi、cos φi均可由圖1中的ANF主從結(jié)構(gòu)獲得，而未知量sin（φi1-φv）、cos（φi1-φv）分別為

在圖1基礎(chǔ)上，基于Simulink的瞬時(shí)基波有功電流和無(wú)功電流提取的仿真模型如圖3所示。

圖3 基于Simulink的有功和無(wú)功分量的提取模型Fig.3 Simulink model based on extraction of active and reactive compenents

3 仿真與結(jié)果分析

圖4 單相光伏并網(wǎng)逆變器信號(hào)檢測(cè)與控制Fig.4 Detection and control of single-phase PV inventer signals

本文在Matlab環(huán)境下基于ANF設(shè)計(jì)并搭建了具有無(wú)功和諧波補(bǔ)償功能的單相光伏并網(wǎng)逆變器。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏電池、BOOST升壓電路、H橋逆變器和控制回路組成，總體控制策略如圖4所示。母線電壓由PV輸出經(jīng)BOOST抬升得到，系統(tǒng)將檢測(cè)到的VDC與電壓環(huán)參考量進(jìn)行比較，所得的誤差信號(hào)與正弦表相乘，同時(shí)將檢測(cè)到的負(fù)載電流經(jīng)ANF處理，根據(jù)補(bǔ)償目的將處理過(guò)的信號(hào)一起作為電流環(huán)的參考信號(hào)，逆變器實(shí)際輸出的電流與參考值進(jìn)行比較所得的誤差信號(hào)通過(guò)PI處理驅(qū)動(dòng)H橋臂的IGBT，在實(shí)際應(yīng)用中為了提高電路工作的可靠性，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中要采用退飽和檢測(cè)及其過(guò)流保護(hù)技術(shù)。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)不接負(fù)載時(shí)，逆變器只工作在向電網(wǎng)傳遞有功功率的模式下，設(shè)定PV模型工作在25℃、光照強(qiáng)度1 000 W/M2，Ugrid=220sin（wt），f＝50 Hz，Vref＝390 V，fs＝20 kHz，考慮到電流紋波的允許范圍和電感電流跟隨參考值的能力［15］，濾波電感L＝6.7 mH。逆變器向電網(wǎng)傳遞有功功率的電壓、電流波形如圖5所示，從仿真結(jié)果可以看到電網(wǎng)電流is和電網(wǎng)電壓Ugrid同頻同相。

圖5 逆變器向電網(wǎng)傳遞有功功率時(shí)電壓電流波形Fig.5 Waveforms of V and iswhen inventer delivering active power to grid

t＝0.2 s時(shí)電網(wǎng)側(cè)接入整流性負(fù)載，電網(wǎng)電流is和電網(wǎng)電壓Ugrid波形如圖6所示?；贏NF對(duì)is中的有功、無(wú)功和諧波含量進(jìn)行提取，結(jié)果圖7所示；t＝0.3 s時(shí)，將提取到的諧波電流作為參考量進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流呈正弦化，可以看出此時(shí)is和Ugrid仍存在相位差，如圖8所示；t＝0.4 s時(shí)加入無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償后的is和Ugrid同頻同相，結(jié)果如圖9所示。

t＝0.5 s時(shí)將圖4中虛線框內(nèi)的感性器件Z切換成2個(gè)相同的Z并聯(lián)，則動(dòng)態(tài)負(fù)載下is和Ugrid的波形如圖10所示，大約2個(gè)工頻周期后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故基于ANF法系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖6 電網(wǎng)側(cè)接入負(fù)載后Ugrid和is波形Fig.6 Waveforms of Ugridand iswhen load connected to the grid

圖7 基于ANF提取到的、和波形Fig.7 Waveforms of，andbased on ANF

圖8 逆變器工作在諧波補(bǔ)償模式時(shí)Ugrid和is波形Fig.8 Waveforms of Ugridand iswhen inverter compensating harmonics

圖9 逆變器加入無(wú)功補(bǔ)償后Ugrid和is波形Fig.9 Waveforms of Ugridand iswhen inverter compensating reactive power

圖10 ANF法在動(dòng)態(tài)負(fù)載下對(duì)電網(wǎng)電流的補(bǔ)償效果Fig.10 Compensation effect on grid current under dynamic load in ANF method

圖11給出了負(fù)載切換前后系統(tǒng)提取到的基波幅值和頻率信息，從中可以看出系統(tǒng)可以較快地得到中間變量的相關(guān)信息，同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)估計(jì)值ω1與實(shí)際值非常接近。

圖11 基于ANF提取到基波電流I1和頻率ω1Fig.11 Waveforms of I1and ω1based on ANF

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)自適應(yīng)陷波濾波器原理進(jìn)行了介紹，并采用該方法對(duì)電網(wǎng)側(cè)整流性負(fù)載中的諧波和無(wú)功成份進(jìn)行同步檢測(cè)和提取，通過(guò)單相光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行補(bǔ)償，使電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相。最后通過(guò)Matlab平臺(tái)搭建了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，最終驗(yàn)證該方法具有良好的自適應(yīng)性，同時(shí)也獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和令人滿意的檢測(cè)精度。

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Design of Grid-connected Inverters with Functions of Adaptive Reactive and Harmonic Compensation

MA Kaili，HUANG Guigen，MA Lingfu，ZHANG Xiaoling，WANG Zhengshi
（College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Aiming at the problem of grid pollution，PV grid-connected inverter is designed to both transfer active power and compensate the reactive and harmonic current，improve the power quality and make the grid current sinusoidal.Based on the adaptive notch filter（ANF）theory，a new approach to extracting the load′s reactive and harmonic current is proposed，which is adapted to single-phase load current.The foregoing method can accurately and quickly detect the necessary signal for the amplitude，phase position and frequency，What′s more，it can response fast when the load is changed.Finally，the result of Matlab/Simulink simulation shows that the above-mentioned theory is effective.

grid-connected inverter；reactive power；harmonic；adaptive notch filter（ANF）

馬凱莉

馬凱莉（1987-），女，碩士研究生，研究方向：開(kāi)關(guān)電源和光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)，E-mail：Makl_ee@126.com；

黃桂根（1991-），男，碩士研究生，研究方向：為電機(jī)控制和逆變器相關(guān)，E-mail：ytcx100@sina.com；

馬靈甫（1992-）男，碩士研究生，研究方向：可通訊電源設(shè)計(jì)，E-mail：65705 7262@qq.com；

張曉玲（1991-）女，碩士研究生，研究方向：光伏并網(wǎng)逆變器，E-mail：10658 05748@qq.com；

王正仕（1965-）通信作者，男，博士，副教授，研究方向：包括高性能開(kāi)關(guān)電源、逆變器功率電源、伺服電機(jī)智能控制、電力電子在節(jié)能與新能源中的應(yīng)用，E-mail：wzs@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.1

：TM 464

：A

2014-11-07

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（863計(jì)劃）（2012AA053601）

Project Supported by National High-tech R＆D Program of China（863Program）（2012AA053601）