基于自適應陷波器的分布式電源并網技術

殷桂梁，郭磊

（燕山大學電氣工程學院，秦皇島066004）

基于自適應陷波器的分布式電源并網技術

殷桂梁，郭磊

（燕山大學電氣工程學院，秦皇島066004）

分布式電源并網時要求與公共電網保持同頻同相，傳統(tǒng)的方法是使用鎖相環(huán)提取公共電網電壓的相角。為了提高控制系統(tǒng)的性能，該文提出了基于自適應陷波器的單相和三相并網控制系統(tǒng)，單相控制系統(tǒng)以電流控制為基礎，參考電流的相角由ANF提取，三相控制系統(tǒng)采用PQ控制原理，電網電壓的頻率、幅值和相角由ANF檢測。與基于鎖相環(huán)的并網控制系統(tǒng)相比，文中的方法抗干擾能力強，最后通過仿真驗證該文所提方法的快速性和準確性。

自適應陷波器；分布式電源；并網；頻率變化；幅值變化；諧波

為了解決能源供求矛盾，改善地球環(huán)境，世界各國加快了對新能源的開發(fā)利用。分布式發(fā)電DG（distributed generation）是近年關注度較高的一種發(fā)電形式，所以相關技術在世界范圍內得到廣泛的發(fā)展[1-3]。分布式電源的形式多種多樣，其中有一部分輸出為直流電源或非工頻交流電，它們必須經過并網逆變器并入公共電網，因此，逆變器的控制已經成為當前分布式發(fā)電研究的熱點[4-8]。DG并網時需要保持與電網電壓同頻同相，所以逆變器控制系統(tǒng)中需要有提取電網電壓相角的工具。最簡單的相角提取方法是電壓過零檢測法[9]，但是，過零點只在電壓的每半個周期出現一次，而且此方法不能有效地抑制諧波的干擾，因此當電壓波動或存在諧波時，它的性能將會降低。后來有學者提出了濾波算法，基本原理是三相電壓首先進行坐標變換，進而通過濾波器得到基頻成分，最終得到相角[10]，這種方法的主要缺點是當電網頻率變化或者電壓不平衡時，性能會降低。在當前同步技術中，鎖相環(huán)PLL（phase-locked loop）是使用最廣泛的[11]。它主要由相位比較器、低通濾波器和壓控振蕩器組成。學者們不斷地改進其中的相位比較器，進而得到了增強鎖相環(huán)EPLL（enhanced PLL）[12]、移相鎖相環(huán)QPLL（quadrature PLL）[13]、雙二階廣義積分鎖相環(huán)DSOGI-PLL（double second ordergeneral-ized integrator-PLL）[14]和同步參考坐標鎖相環(huán)SRFPLL（synchronous reference frame-PLL）[15]。鎖相環(huán)技術的主要缺點是對諧波的抗干擾能力不理想，頻率追蹤的速度較慢。文獻[16]提出了自適應陷波器ANF（adaptive notch filter）用來檢測信號的頻率，能夠把它引入分布式電源并網系統(tǒng)中，用來檢測電網側電壓的相角。

本文提出將ANF的方法應用于分布式電源并網控制系統(tǒng)中，用它取代鎖相環(huán)。在單相并網系統(tǒng)中，設計了基于ANF的電流控制系統(tǒng)，三相并網系統(tǒng)中，設計了基于ANF的PQ控制系統(tǒng)。與基于鎖相環(huán)的并網系統(tǒng)比較，本文提出的方法在電網電壓處于非標準情況時也能可靠地工作。

1 ANF的基本原理

1.1 ANF的基本原理

文獻[16]提出的ANF能夠快速準確地跟蹤輸入信號的頻率變化，可以得到輸入信號的正交變換，幅值、頻率等信息，在頻率檢測，序分量分解，諧波檢測等領域得到了廣泛應用。

設任一周期信號為

自適應陷波器的動態(tài)方程為

式中：u（t）為輸入信號；γ和ζ分別為ANF的參數；x為中間變量；θ為輸入信號頻率的估計值。當輸入信號為單一頻率的正弦波時，ANF具有唯一的局部收斂根軌跡[16]，即

1.2 ANF提取基波和諧波分量

當信號含有諧波時，動態(tài)微分方程[16]變?yōu)?/p>

對ANF的結構進行修改，其中主ANF用來檢測基頻成分的信息，副ANF可以檢測各個諧波的信息，每次諧波都有與其對應的ANF。提取基波和5次諧波分量的結構如圖1所示。ζi為第i個ANF的參數，θ為輸入信號基頻頻率的估計值。

圖1 ANF提取基波和5次諧波分量Fig.1 Extraction of fundamentaland 5th harmonic based on ANF

2 基于ANF的單相并網系統(tǒng)

圖2 單相并網系統(tǒng)Fig.2 Single phase grid-connected system

分布式電源的單相并網主電路結構如圖2（a）所示，電感用于濾除由于開關動作引起的高次諧波電流，使并網輸出電流是與電網電壓同頻同相的正弦波。本節(jié)提出的逆變器控制系統(tǒng)采用電流控制，具體的原理如圖2（b）所示，其中u（t）為電網電壓，Im為并網電流的幅值，i（t）為并網電流，A為輸入信號幅值，uf（t）為輸入信號的基頻分量，當輸入信號為單一頻率時，即為原樣輸出。電網電壓信號通過ANF得到其原樣輸出和幅值，將兩者相除可得到電網電壓的三角函數值，同時通過頻率計算相角，進而計算三角函數值，然后將兩者相比。本節(jié)提出的方法能夠整體獲得相角的三角函數值，減小了誤差，設定的并網電流的幅值與三角函數值相乘即可得到并網電流的參考值，它與當前并網電流做差依次送入PI調節(jié)器和PWM發(fā)生器產生PWM信號，進而控制逆變器。

3 基于ANF的三相并網系統(tǒng)

三相分布式電源并網時通常使用PQ控制，這樣能夠提高能量利用效率[17]。設計的分布式電源三相并網控制系統(tǒng)如圖3（a）所示，控制子系統(tǒng)由圖3（b）、（c）和（d）給出。PQ控制的基本原理是通過P和Q的設定值計算出參考有功電流和參考無功電流，然后調節(jié)并網電流的有功成分與無功成分跟蹤參考值。

其中，ANF單元的主要功能是提取電網側電壓的相角信息，得到相角的三角函數值，同時得到并網電流的d軸和q軸分量；功率控制單元的主要功能是通過設定的PQ值，計算并網電流的d軸和q軸分量的參考值；PWM信號單元的主要功能為將當前并網電流的d軸和q軸分量與d軸和q軸分量的參考值的差別送入PI控制器，進而控制PWM信號發(fā)生器產生響應的脈沖信號。

圖3 三相并網系統(tǒng)Fig.3 Three phase grid-connected system

4 仿真分析

4.1 單相并網系統(tǒng)的仿真

用Matlab/Simulink建立了系統(tǒng)仿真模型，由于ANF檢測的幅值都是從零開始，所以在仿真過程中需添加一個階躍函數，以保證在仿真開始時不會出現奇異點。為了全面驗證本文提出的基于ANF的單相并網控制系統(tǒng)，分別在電網電壓為標準情況，電壓幅值發(fā)生變化，電壓頻率變化，電壓含有諧波等情況下仿真。直流電源電壓為440 V，電網電壓的標準情況為u=220sin（100πt），并網電流的幅值Im=10 A，逆變器的濾波電感L= 0.003 H，電阻R=0.1Ω，PI控制器的kp=2，ki= 512，ANF的參數γ=800，ζ=1.2。

4.1.1 標準情況

圖4為基于ANF控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出的功率波形，圖5為基于PLL控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出的功率波形，通過對比可以看出，在標準情況下，兩種方法都能使并網電流基本達到與電網電壓同頻同相。

4.1.2 電壓幅值發(fā)生變化

圖4 基于ANF控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出功率波形Fig.4 Power waveformsof DG based on ANF controlsystem

圖5 基于PLL控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出功率的波形Fig.5 Power waveform sof DG based on PLL controlsystem

當t=0.1 s時，電壓幅值增大10%，當t=0.3 s時，電壓幅值恢復為初始值。圖6為基于ANF的并網系統(tǒng)中分布式電源發(fā)出的功率波形，當幅值變化時，無功功率會在1.5個周期內波動，且波動值較小，圖7為基于PLL的并網系統(tǒng)中分布式電源發(fā)出的功率波形，當幅值變化時，無功功率會在3~ 4個周期內波動，且波動較大。主要原因是在幅值變化的情況下，ANF提取電壓的相角信息比PLL的精度要高。

圖6 基于ANF控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出功率波形Fig.6 Power waveform sof DG based on ANF controlsystem

4.1.3 電壓頻率變化

當t=0.2 s時，電網電壓頻率增大0.5 Hz，當t=0.5 s時，電網頻率恢復為初始值，即50Hz。圖8為基于ANF的并網系統(tǒng)中分布式電源發(fā)出的無功功率波形圖，當電網電壓頻率變化時，無功功率會在1個周期內波動，且幅度較小，圖9為基于PLL的并網系統(tǒng)中分布式電源發(fā)出的無功功率波形，當電網電壓頻率變化時，無功功率會在7個周期內波動，且幅度較大。主要原因是基于ANF的并網系統(tǒng)具有更好的頻率適應性。

圖8 基于ANF控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出的無功功率Fig.8 Reactive power of DG based on ANF controlsystem

圖9 基于PLL控制系統(tǒng)下的分布式電源發(fā)出的無功功率Fig.9 Reactive power of DG based on PLL controlsystem

4.1.4 電壓含有諧波

當t=0.2 s時，電壓突然含有40%的5次諧波，30%的7次諧波，t=0.4 s時，諧波消失，電壓恢復為標準情況。圖10為基于ANF控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出的無功功率波形，從圖中可以看出，基于ANF的并網系統(tǒng)中，分布式電源發(fā)出的無功功率會在1.5個周期內波動，即1.5個周期后并網電流將會與電網電壓同頻同相，從圖11看出，基于PLL的系統(tǒng)中，無功功率會波動6個周期，且波動值較大。主要原因是含有諧波的情況下，ANF依然能夠快速準確的檢測相位信息，而PLL的響應時間變長，且精度下降。

圖10 基于ANF控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出的無功功率Fig.10 ReactivepowerofDG based on ANFcontrolsystem

圖11 基于PLL控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出的無功功率Fig.11 Reactivepower ofDG based on PLL controlsystem

4.2 三相并網系統(tǒng)的仿真

用Matlab/Simulink建立了系統(tǒng)仿真模型，同樣在幅值檢測處添加一個階躍函數，以保證在仿真開始時不會出現奇異點。設三相系統(tǒng)為平衡系統(tǒng)，即不存在負序和零序分量，分別在電網電壓穩(wěn)定、和電網電壓頻率變化兩種情況下仿真，為了便于比較，仿真結果全部取A相的波形。P和Q分別設置為30 kW和0 var。直流電源電壓為600 V，電網電壓的標準情況為u=2202sin（100πt），LC濾波器的L=5×10-3H，C=1×10-5F，R=0.1Ω，ANF的參數γ=800，ζ=1.2。

4.2.1 標準情況

圖12為基于ANF的并網系統(tǒng)中A相發(fā)出的功率波形，圖13為基于PLL的并網系統(tǒng)中A相發(fā)出的功率波形，在標準情況下，分布式電源發(fā)出的無功功率均為150 var左右，有功功率為10 kW，基本達到了并網電流與電網電壓同頻同相的要求。

圖12 基于ANF控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出功率波形Fig.12 Power waveformsof DG based on ANF control system

圖13 基于PLL控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出功率波形Fig.13 Power waveformsof DG based on PLL controlsystem

4.2.2 頻率發(fā)生變化

當t=0.1 s時，電網電壓頻率增大為51Hz，圖14為基于ANF的并網系統(tǒng)中A相發(fā)出的功率波形，當頻率變化時，無功功率會在兩個周期內發(fā)生明顯的波動，最大波動值為240 var，圖15為基于PLL的并網系統(tǒng)中A相發(fā)出的功率波形，從圖中可以看出，當頻率變化時，無功功率會在8個周期內發(fā)生明顯的波動，最大波動值為540 var，這表明，在電網頻率變化的情況下，基于ANF的三相并網系統(tǒng)的性能優(yōu)于基于PLL的并網系統(tǒng)。

圖14 基于ANF控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出的無功功率Fig.14 Reactivepower ofDG based on ANF controlsystem

圖15 基于PLL控制系統(tǒng)的分布式電源發(fā)出的無功功率Fig.15 Reactivepower ofDG based on PLL controlsystem

5 結語

本文提出了基于ANF的單相和三相并網控制系統(tǒng)，其中，單相并網控制系統(tǒng)為基于ANF的電流控制系統(tǒng)，三相并網控制系統(tǒng)為基于ANF的PQ控制系統(tǒng)，分別與對應的基于PLL的控制系統(tǒng)的性能進行對比，可以得到如下結論：在電網電壓為標準情況時，本文提出的方法能夠可靠地并網，在電網電壓為非標準情況時，本文提出的方法比基于PLL的控制系統(tǒng)具有更高的精度和更快的響應速度。

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Grid-connection Technology for Distributed Generation Based on Adaptive Notch Filter

YINGuiliang，GUO Lei
（SchoolofElectric Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao066004，China）

In general，grid-connected distributed generationmustbe synchronized with the utility grid.The phase angle ofgrid voltage isdetected by phase locked loop（PLL）in traditionalcontrolsystem.In order to improve the performance of control system，in this paper，single and three phase grid-connected controlmethods based on adaptive notch filter（ANF）are proposed.Single phase grid-connected controlmethod is based on current control and the phase angle of reference current is extracted by ANF.Three phase grid-connected control approach isbased on PQ control.The frequency，amplitude and phase angle of the voltage is detected by ANF.Compared with the grid-connected control system based on PLL，the proposedmethod offers high insensitivity to the grid disturbance.Finally，the rapidity and accuracy of the proposedmethod isverified by simulation.

adaptive notch filter（ANF）；distributed generation；grid-connected；frequency variation；amplitude variation；filter

TM711

A

1003-8930（2015）04-0067-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.04.012

殷桂梁（1964—），男，博士，教授，研究方向為配電網自動化和微電網運行與控制。Email：glyin@ysu.edu.cn

2013-04-22；

2013-06-07

郭磊（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電網信息提取和微電網運行與控制。Email：jiuyinhuanpei@163.com