有源濾波的工作原理及指令電流的合成方法

辛玉剛

摘要：雖然在功能和工作原理上和光伏逆變器不同，但他們向電網(wǎng)回饋的能量是由指令操作完成的，所以都屬于逆變?cè)?。因此在一套系統(tǒng)中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)有源電力濾波功能和光伏并網(wǎng)發(fā)電，提高逆變器利用率的同時(shí)節(jié)省了大量的投資，在利用太陽(yáng)能的同時(shí)也大大提高了電網(wǎng)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：有源濾波，太陽(yáng)能，逆變器

一、光伏發(fā)電工作原理

按照與電力系統(tǒng)的關(guān)系光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)諧波治理通常沒(méi)有具體的要求，在實(shí)驗(yàn)室條件下，光伏電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換率為25%，在實(shí)際運(yùn)行中，一般達(dá)到10%甚至更低。如果配電網(wǎng)的電能由光伏電池板直接提供，那么逆變器直流側(cè)電壓在光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，需要維持在650伏左右，因此，我們就要使用很大面積的電池板，務(wù)必造成過(guò)高的成本，同時(shí)受環(huán)境的影響也變大。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏逆變系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間的電壓不匹配問(wèn)題就用變壓器來(lái)解決。

三級(jí)功率傳輸直-直-交和二級(jí)傳輸直-交兩種結(jié)構(gòu)都是為光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，分別如圖所示。在DC-DC-AC結(jié)構(gòu)光伏逆變系統(tǒng)中，實(shí)質(zhì)上是由DC-HFAC-DC-LFAC構(gòu)成的的光伏逆變系統(tǒng)，也就是說(shuō)由逆變器將與配電網(wǎng)相連的直流電壓升到很高。DC-AC的光伏逆變器結(jié)構(gòu)中，并網(wǎng)電流是由逆變器將與配電網(wǎng)相連光伏電池板直流電壓通過(guò)工頻變壓器直接產(chǎn)生的。這兩種結(jié)構(gòu)區(qū)別在于：DC-DC-AC結(jié)構(gòu)光伏逆變器中使用了常見的DC-DC環(huán)節(jié)進(jìn)行升壓，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，但效率較差；二級(jí)功率傳輸結(jié)構(gòu)則使用了一般變壓器，體積大，成本高，但是卻大大的提高了逆變的效率。

二、 APF與光伏系統(tǒng)逆變器區(qū)別

它們都具有相同的逆變部分，他們僅僅是在直流側(cè)有著部分不同。通過(guò)比較可知，在接入電網(wǎng)的方式上并聯(lián)型有源電力濾波器與光伏并網(wǎng)逆變器的主電路結(jié)構(gòu)基本上一樣。并聯(lián)型有源電力濾波器與光伏并網(wǎng)逆變器的統(tǒng)一控制是本章研究的主要內(nèi)容。我們分析后得出兩者有如下共同點(diǎn)：

1：都是電流控制電流源，他們的逆變器類型都是一樣的即電壓源型。也就是說(shuō)在直流側(cè)電壓接入相同的系統(tǒng)時(shí)對(duì)其大小的要求也是一樣的，電容需要選擇容量很大的紋波特性很好的大電容。

2：主電路具有相同的結(jié)構(gòu)。我們研究對(duì)象一般都是三相四橋臂，因?yàn)椴徽撌悄欠N橋臂都可以應(yīng)用于此系統(tǒng)中。

但是由于兩者的工作原理和目的不一樣，因此在設(shè)計(jì)上有如下區(qū)別[29，30]：

1：輸出電流頻率不同。有源電力濾波器的作用就是向電網(wǎng)饋送各次諧波電流，諧波電流頻率的范圍在150Hz～1250Hz之間，而且有源電力濾波器本身就是一個(gè)諧波電流源。

2：輸出濾波電路的設(shè)計(jì)不同。因?yàn)閮烧咻敵龅碾娏黝l率有很大的差異，所以輸出濾波電流有較大不同。光伏并網(wǎng)逆變器的輸出濾波電路主要是為了防止高次諧波進(jìn)入電網(wǎng)，截止頻率取值較低。

經(jīng)過(guò)上面的分析可以得出：

二者無(wú)論是在主電路還是直流側(cè)儲(chǔ)能都是一樣的，不同之處只在于控制方式的選擇和輸出濾波電路。我們要想在一個(gè)系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)換必須設(shè)計(jì)一種算法來(lái)完成，實(shí)際上，目前這方面的工作在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開。

三、 APF和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的統(tǒng)一控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)受到氣候、晝夜交替的影響，但是濾波器的工作則控制更為靈活，而且不受上述因素大的限制。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，只有穩(wěn)定的電壓才能輸出最大的功率，只有找出這個(gè)最佳的電壓點(diǎn)才能達(dá)到最大的利用率。

因此，為了充分發(fā)揮太陽(yáng)能的作用，提高并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的利用率，我們?cè)趯⑺鼈冞M(jìn)行統(tǒng)一控制的時(shí)候，就以光伏并網(wǎng)一同為依據(jù)。在天氣晴朗的白天，首先進(jìn)行最大功率的跟蹤太陽(yáng)能，將逆變器剩余的容量進(jìn)行有源電力濾波的同時(shí)將光伏能量盡量轉(zhuǎn)換為電能并網(wǎng)；夜間，逆變器直接用作有源電力濾波器，做到對(duì)諧波盡可能的無(wú)功補(bǔ)償，并大大提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

為了統(tǒng)一控制光伏并網(wǎng)發(fā)電和有源電力濾波，我們通常采用利于諧波補(bǔ)償?shù)闹?直-交三次功率變換傳輸?shù)哪孀兤鳂?gòu)架。統(tǒng)一控制的工作原理圖如圖采用直-直-交三次功率變換傳輸?shù)墓夥孀儤?gòu)架，在其變換的直流側(cè)采用電流環(huán)，目的是為最大功率點(diǎn)跟蹤算法提供電流的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)跟蹤輸出最大功率，使系統(tǒng)的發(fā)電效率提高到最大；而逆變電路的直流側(cè)的穩(wěn)定電壓是由直流側(cè)的電壓閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)保障的。

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