光伏并網(wǎng)逆變器對(duì)臺(tái)區(qū)供電質(zhì)量的諧波影響量分析與消除研究

張銀行

（河南森源電氣股份有限公司，河南鄭州，450000）

0 引言

光伏并網(wǎng)逆變器的輸出諧波包含有低次諧波、高次諧波。低次諧波出現(xiàn)的原因較為錯(cuò)綜復(fù)雜，當(dāng)逆變器輸出高次諧波含量比較高時(shí)，其開關(guān)管的開斷頻率也就相對(duì)比較低，光伏電站的出力也就越大。當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器陣列輸出功率信號(hào)經(jīng)過 DC/AC 變換后，其內(nèi)通常也會(huì)摻雜著大量諧波成分，使得并網(wǎng)電流在升壓變壓器側(cè)端并網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)逆變器在不同狀態(tài)下的輸出諧波電流容易在并網(wǎng)點(diǎn)（PCC）處相互疊加，從而導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。

現(xiàn)有技術(shù)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電的分析仍有很多不足之處，比如分析諧波次數(shù)不全面，對(duì)諧波分析不夠準(zhǔn)確等。這就有必要針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的諧波影響量進(jìn)行分析和消除進(jìn)行研究，下文將詳細(xì)描述。

1 整體方案設(shè)計(jì)

在本研究設(shè)計(jì)中，在光伏并網(wǎng)逆變器中接入諧波補(bǔ)償裝置，通過該裝置過濾并網(wǎng)中的電流諧波含量，使得并網(wǎng)中輸出較為純凈的電能參數(shù)，圖1為光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

在圖1中，PV表示光伏并網(wǎng)逆變器陣列，其能夠?qū)⑻?yáng)光照或者其他光照、輻射轉(zhuǎn)換成電能，并且能夠使用最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤、控制，以便使得光伏電池板的利用率達(dá)到最大，光伏并網(wǎng)逆變器輸出信號(hào)通過逆變器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，使得直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷骸Ｈ缓笸ㄟ^逆變器控制回路，通過將電網(wǎng)電壓和直流側(cè)的電壓達(dá)到并網(wǎng)要求后，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

在諧波分析架構(gòu)設(shè)計(jì)中，其主要包括計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、總控中心、A/D轉(zhuǎn)換單元、DSP計(jì)算單元、諧波檢測(cè)裝置。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PV陣列的輸出信號(hào)輸入至諧波檢測(cè)裝置，通過諧波檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出的諧波信號(hào)。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，引起電壓畸變的因素包括很多種，諸如3次至9次諧波、11次至15次諧波、17次至21次諧波、23次至33次諧波等，引起電壓畸變的諧波影響量還有5次負(fù)序諧波（較大量）、7次正序諧波，其中并網(wǎng)中電流諧波含量比較多的也有負(fù)序5次諧波和正序7次諧波，在設(shè)計(jì)時(shí)，基于上述分析，設(shè)計(jì)出如圖2所示的光伏并網(wǎng)逆變器諧波控制架構(gòu)圖。

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器諧波控制架構(gòu)圖

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，DSP計(jì)算單元采用TI公司的DSP2812，將其作為中央處理的核心控制芯片。并且采用Xilinx CPLD XC9572XL作為數(shù)字鎖相和保護(hù)電路，其中XC9572XL的內(nèi)核電壓為3.3V，其組成模塊包含4個(gè)54V18功能模塊，能夠提供1600個(gè)5ns延遲可用門。在本技術(shù)方案設(shè)計(jì)中，通過諧波檢測(cè)裝置檢測(cè)PV陣列中的輸出信號(hào)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)，DSP計(jì)算單元接收A/D轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換得出的數(shù)字信號(hào)，通過DSP控制單元計(jì)算、處理。DSP控制單元對(duì)采集到的諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，然后總控中心根據(jù)計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行控制，并將控制指令通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，下文將詳細(xì)介紹諧波檢測(cè)、控制方法。

2 諧波控制方法

根據(jù)計(jì)算出的諧波含量情況來對(duì)不同波段的諧波進(jìn)行控制。出于抑制并網(wǎng)逆變器中輸出電流內(nèi)所帶有的諧波成分的目的，本研究采用了組合諧波抑制方式，即使電網(wǎng)電壓前饋控制與多諧振控制進(jìn)行結(jié)合起來，這種結(jié)合的方式能夠使并網(wǎng)電流中的諧波含量最大程度地降低，進(jìn)而提升光伏并網(wǎng)逆變器運(yùn)行中的諧波干擾，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。下面對(duì)控制方法進(jìn)行說明。

圖3 電網(wǎng)電壓前饋控制框圖

其中，圖3中多諧振控制的方框1的表達(dá)式可以記作為：

圖3中多諧振控制的方框2的表達(dá)式可以記作為：

圖3中多諧振控制的方框3的表達(dá)式可以記作為：

在本研究中，通過采用電網(wǎng)電壓前饋控制，電網(wǎng)電壓、電流、諧波等信息量能夠被前饋到并網(wǎng)逆變器中的 PR 控制器中。通過調(diào)制并驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)并網(wǎng)中的不同信號(hào)，大大減少并網(wǎng)逆變器輸出電網(wǎng)電壓所含的諧波成分，可以避免電網(wǎng)電壓中的背景諧波的干擾，使得并網(wǎng)電能質(zhì)量大大提高，在采用該方式進(jìn)行控制時(shí)，該系統(tǒng)容易出現(xiàn)數(shù)字延時(shí)現(xiàn)象，在并網(wǎng)中，數(shù)字控制延時(shí)和多諧振控制均有可能對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)靜態(tài)性造成影響，在對(duì)組合諧波抑制方法下，本技術(shù)方案的閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)在輸出阻抗特性時(shí)，有必要分析并網(wǎng)系統(tǒng)開環(huán)幅頻特性和相頻特性。圖4是一種開環(huán) Bode 圖，該圖是通過數(shù)字控制延時(shí)一級(jí)多諧振控制時(shí)，通過并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出的圖示。

圖4 數(shù)字延時(shí)和多諧振控制下并網(wǎng)系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

通過圖4可以看到，電網(wǎng)電壓完全前饋控制能夠有效地抑制并網(wǎng)逆變器低次諧波附近的輸出阻抗幅值。在多諧振控制中，主要集中在個(gè)別特定諧波頻率附近，尤其是在該附近表現(xiàn)出高阻抗的特性，這種方式抑制低次諧波的干擾的效果比較明顯。尤其單獨(dú)、采用電網(wǎng)電壓前饋控制或多諧振控制的情況下，采用組合諧波抑制方法在抑制電網(wǎng)背景諧波電壓擾動(dòng)以及逆變器的輸出諧波方面表現(xiàn)為突出。在數(shù)字控制延時(shí)的情況下，本技術(shù)方案的多諧振控制能夠?qū)?、5、7、9 次諧波電流實(shí)現(xiàn)快速跟蹤并抑制，使得光伏電站的并網(wǎng)電能質(zhì)量得到很好的控制。

在本研究中，逆變器的選擇也是有要求的，其選擇依據(jù)是對(duì)輸出電流諧波含量的限制情況，根據(jù)GB/T 19939-2005 標(biāo)準(zhǔn)，按照光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電流畸變限制的要求來選擇，

其中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)奇次諧波電流畸變限制值如下：奇次諧波3次至9次諧波時(shí)，畸變限值小于4.0%，11次至15次諧波、17次至21次諧波和23次至33次諧波時(shí)，畸變限值小于2.0%。

根據(jù)上述的標(biāo)準(zhǔn)值參考諧波含量情況，在選用的PR控制器中，其指定的頻率點(diǎn)包含有比較大的增益，在實(shí)現(xiàn)個(gè)別頻率的無(wú)靜差跟蹤方面，具有突出的顯示效果，使得控制的穩(wěn)態(tài)精度較高，利用傳遞函數(shù)，則可以采用下面公式來表示：

在本文設(shè)計(jì)中，Kp為比例增益，KR為峰值增益，ωc與帶寬相關(guān)，在該控制器系統(tǒng)，控制的參數(shù)為：Kp=6，KR=41，ωc=21。

3 結(jié)束語(yǔ)

在光伏并網(wǎng)逆變器在發(fā)電時(shí)，其產(chǎn)生大量的不同波次的諧波將消耗大量的電能。本文針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)出一種諧波檢測(cè)方法和控制策略，通過諧波檢測(cè)裝置能夠快速實(shí)現(xiàn)3、5、7、9 次諧波的檢測(cè)，并且通過諧波控制裝置對(duì)其快速跟蹤和抑制，使光伏并網(wǎng)逆變器的電能質(zhì)量得到很好的控制。本文最后通過在實(shí)驗(yàn)室Matlab/Simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)架進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)，電網(wǎng)中的電流諧波含量大大降低，從而消除了電網(wǎng)諧波對(duì)負(fù)載光伏并網(wǎng)逆變器的影響，因此，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析，本技術(shù)方案具有一定的實(shí)用價(jià)值和科研價(jià)值。