有源電力濾波器與光伏發(fā)電的統(tǒng)一控制技術(shù)

【摘要】21世紀(jì)是新能源為主的能源時(shí)代，太陽(yáng)能是國(guó)際大力提倡的能源之一。近年來(lái)，光伏發(fā)電已從國(guó)外傳入國(guó)內(nèi)，在國(guó)內(nèi)正處于應(yīng)用推廣階段，其中光伏并網(wǎng)是其未來(lái)的趨勢(shì)。工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)的大沖擊負(fù)載大量涌現(xiàn)，導(dǎo)致公共電網(wǎng)污染加劇，以往使用的濾波器難以達(dá)到要求，故有必要對(duì)有源濾波器進(jìn)行研究。有源電力濾波器與光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)階段仍存在很多問(wèn)題，比如，推廣問(wèn)題、設(shè)備利用率問(wèn)題、成本問(wèn)題以及國(guó)內(nèi)政策問(wèn)題等。本文針對(duì)這些存在的問(wèn)題，對(duì)有源電力濾波器與光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)其控制原理、結(jié)構(gòu)演變過(guò)程、原理及策略進(jìn)行詳細(xì)的介紹，使其能進(jìn)一步的得到推廣與發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】有源電力濾波器；光伏發(fā)電；統(tǒng)一控制；控制技術(shù)

一、背景

新能源的開(kāi)發(fā)利用是國(guó)際性問(wèn)題，在工業(yè)高速發(fā)展的中國(guó)對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)顯得更為重要，工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)的大沖擊負(fù)載大量涌現(xiàn)，導(dǎo)致公共電網(wǎng)污染加劇，以往使用的濾波器難以達(dá)到要求，有源電力濾波器因此成為研究的重點(diǎn)。

但是在國(guó)內(nèi)，有源電力濾波器與光伏發(fā)電處于起步階段，想得到進(jìn)一步發(fā)展需要解決的問(wèn)題很多。首先是有源電力濾波器的使用會(huì)產(chǎn)生諧波與無(wú)用功率，諧波會(huì)縮短機(jī)器的使用壽命、干擾通信系統(tǒng)等，誤導(dǎo)繼電保護(hù)裝置等，導(dǎo)致電流變大、供電設(shè)備功率增大，損耗增加，干擾其他設(shè)備的運(yùn)行。光伏發(fā)電的問(wèn)題主要有，設(shè)備運(yùn)行成本高且利用效率低、運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性低、組成器件的容量小、設(shè)備功能單一等問(wèn)題。另外，政府出臺(tái)的相關(guān)政策不不健全，使其發(fā)展受阻。

本文會(huì)對(duì)有源濾波器、光伏發(fā)電以及有源濾波器與光伏發(fā)電的同一控制技術(shù)進(jìn)行介紹，分析他們的原理，將其基本原理知識(shí)進(jìn)一步推廣。

二、相關(guān)知識(shí)介紹

（一）有源濾波器原理

有源濾波器由電流系統(tǒng)指令運(yùn)算中心與控制跟蹤電流部分組成，運(yùn)算中心是將產(chǎn)生的無(wú)功功率、諧波分量屬于被檢測(cè)電流的部分計(jì)算出來(lái)，控制跟蹤根據(jù)計(jì)算出的結(jié)果發(fā)出信號(hào)控制，補(bǔ)償電流由此產(chǎn)生。產(chǎn)生的補(bǔ)償電流將被負(fù)載中的電流以及諧波和無(wú)功電流抵消，最終電網(wǎng)電流達(dá)到期望值。

（二）光伏發(fā)電基本原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)有含蓄電池可調(diào)度式與不含蓄電池不可調(diào)度式兩種，前者多用于規(guī)模巨大的發(fā)電系統(tǒng)，后者常用于分散的小型發(fā)電系統(tǒng)。而兩者中，含有蓄電池的系統(tǒng)由于具有蓄電儲(chǔ)能的特點(diǎn)，故其功能強(qiáng)大，可以將其應(yīng)用于電網(wǎng)的調(diào)峰，還有緊急情況的供電。[1]

在白天，系統(tǒng)光伏陣通過(guò)逆變器以最大的功率輸出電能，將電供給電網(wǎng)；在晚上由于沒(méi)有日光時(shí)，逆變器的工作暫停，陣列電能不輸出。

（三）二者的聯(lián)系

1.方法技術(shù)：二者的控制方法是相同的，這是由于兩者系統(tǒng)中都有控制跟蹤電流技術(shù)及鎖相，但是有源電力濾波器系統(tǒng)還需要有檢測(cè)諧波與無(wú)用功率的技術(shù)，而光伏電系統(tǒng)還有最大功率追蹤技術(shù)與孤島檢測(cè)技術(shù)。

2.功能作用：有源濾波器是補(bǔ)償無(wú)用功，而光伏發(fā)電是注入有用功。雖然二者向電網(wǎng)輸入的類型不一樣，但是他們的本質(zhì)都是相同的。

3.接入結(jié)構(gòu)：有源濾電力波器及光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)大致上是一樣的，就只有直流測(cè)的器件不一樣而已，有源濾波器是電容器，另一個(gè)是光伏陣。[2]

有源濾波器與光伏發(fā)電同一控制基本原理。

三、發(fā)展存在的問(wèn)題

有源濾波器電容器的維持依賴于系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行電流交換式產(chǎn)生的能量運(yùn)作的，電壓過(guò)高時(shí)，有源濾波器向電網(wǎng)注入有用功一保護(hù)自身，這就是統(tǒng)一控制有源濾波器與光伏發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)理論。這個(gè)方法可以實(shí)現(xiàn)將光伏陣接到有源電力濾波器直流側(cè)的目的，并且不會(huì)原有的功能產(chǎn)生不良的影響。

原理概括如下：諧波和無(wú)用功率根據(jù)指令輸出補(bǔ)償電流—跟蹤最大功率，并形成指令電流—合并補(bǔ)償電流與指令電流—按指令流入電網(wǎng)電流。

按照以上方法可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制有源濾波器與光伏發(fā)電的目的。以上是有源電力濾波器、光伏發(fā)電以及有源濾波器和光伏發(fā)電同一控制技術(shù)基本原理的簡(jiǎn)單介紹。

（一）關(guān)于有源濾波器，其運(yùn)作主要有以下問(wèn)題：

1.運(yùn)作成本高。由于有源濾波器的運(yùn)行需要超大容量器件、精密開(kāi)關(guān)以及數(shù)字芯片，其成本是以往使用的無(wú)源濾波器的3到4倍，只是推廣的極大阻礙。[3]

2.行業(yè)規(guī)則問(wèn)題。前面提到有源濾波器會(huì)產(chǎn)生諧波，但國(guó)內(nèi)對(duì)諧波的治理問(wèn)題并不做強(qiáng)制規(guī)定，這會(huì)導(dǎo)致商家及用戶的治理責(zé)任意識(shí)淡薄。

3.功能單一。電能管理要求隨著電能利用問(wèn)題的多樣化變得越來(lái)越嚴(yán)格，也越來(lái)越多樣，但是有源濾波器卻無(wú)能為力。

4.器件規(guī)格達(dá)不到要求。有源濾波器產(chǎn)生的諧波與無(wú)用功率危害很大，加上電網(wǎng)本身也會(huì)產(chǎn)生諧波和無(wú)用功率，而規(guī)格達(dá)不到要求，危害會(huì)更大，因此這也是一個(gè)阻礙。

5.系統(tǒng)性能可靠度不高。我國(guó)現(xiàn)階段處于起步階段，相應(yīng)的理論與實(shí)踐都很缺乏，系統(tǒng)性能的可靠性還沒(méi)有扎實(shí)保障。

（二）關(guān)于光伏發(fā)電技術(shù)，其運(yùn)行主要有以下問(wèn)題：

1.運(yùn)作成本高。與火力及水電發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電技術(shù)由于使用晶體管，所以其成本是傳統(tǒng)方法的3-5倍。

2.設(shè)備的利用率很低。夜里及其由于沒(méi)有日光而停止運(yùn)作，這不僅導(dǎo)致設(shè)備的利用率低下，而且會(huì)對(duì)機(jī)器的運(yùn)作造成不良的影響。

3.政府出臺(tái)的規(guī)章政策不完整。政府的態(tài)度是通過(guò)法規(guī)體現(xiàn)的，而不完整不健全的法規(guī)對(duì)技術(shù)的發(fā)展是極其不利的，雖然必要的法規(guī)有了，但缺乏鼓動(dòng)力。[4]

4.器件規(guī)格偏小且功能不全。由于對(duì)成本有要求，器件規(guī)格被限制，這導(dǎo)致系統(tǒng)容量達(dá)不到要求，會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)作產(chǎn)生負(fù)面影響。

有源濾波器與光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)階段存在的主要問(wèn)題如上所述，要想有源濾波器與光伏發(fā)電同一控制技術(shù)得到發(fā)展我們必須對(duì)存在問(wèn)題進(jìn)行研究，探討解決的方法。

四、有源濾波器與光伏發(fā)電統(tǒng)一控制技術(shù)的策略

增強(qiáng)儲(chǔ)能能力是彌補(bǔ)電力中斷問(wèn)題的方法之一，可以按要求給系統(tǒng)配置多個(gè)蓄電池，組成符合要求的蓄電池組，另外，對(duì)系統(tǒng)直流測(cè)進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已達(dá)到是系統(tǒng)更完善的目的。另外，針對(duì)上文提到的問(wèn)題，提出以下策略：

1.正常時(shí)，系統(tǒng)控制成受控源，利用控制跟蹤方法，向電網(wǎng)注入電流，在有源濾波器諧波補(bǔ)償電流與光伏發(fā)電電流發(fā)生沖突的時(shí)候，利用配置的電池組對(duì)沖突的兩組進(jìn)行協(xié)調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定安全的工作得到保證，同時(shí)達(dá)到同一控制的目的。

2.設(shè)置UPS工作模式，在電網(wǎng)意外斷開(kāi)時(shí)迅速轉(zhuǎn)換成該模式，對(duì)電網(wǎng)中重要負(fù)載進(jìn)行電力補(bǔ)償，也就是說(shuō)，受控源在電網(wǎng)中斷轉(zhuǎn)化模式以后成為了電壓源。這樣保證了不在即使在電網(wǎng)中斷時(shí)也能正常的運(yùn)行。

3.加入鎖相技術(shù)的應(yīng)用，這會(huì)在電網(wǎng)斷電恢復(fù)供電時(shí)，轉(zhuǎn)換回正常模式進(jìn)行正常的運(yùn)作，也就是說(shuō)，這種技術(shù)可以將電池組有電壓受控變成電流受控。與前面的UPS模式想結(jié)合，負(fù)載的供電得到保證。

4.根據(jù)不同的環(huán)境，對(duì)有源濾波器與光伏發(fā)電裝置的器件進(jìn)行優(yōu)化管理，確保電力在緊急情況下也能供給負(fù)載運(yùn)作所需的電流直至電網(wǎng)恢復(fù)正常供電。

5.為了使整個(gè)系統(tǒng)可以安全運(yùn)行、穩(wěn)定工作，在系統(tǒng)中還應(yīng)加入軟啟動(dòng)、檢測(cè)中斷技術(shù)、控制跟蹤功率點(diǎn)技術(shù)等保障系統(tǒng)以外故障得到解決。

以上是有源濾波器與光伏發(fā)電同一控制技術(shù)的一些策略。

五、有源濾波器與光伏發(fā)電同一控制技術(shù)有關(guān)的重要技術(shù)

1.控制變流器。此技術(shù)的目的是使系統(tǒng)中變流器按照要求輸出指令電流，目前采用的方法主要是三角波控制方法，具有運(yùn)行簡(jiǎn)便、理論知識(shí)扎實(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)點(diǎn)。三角波比較放在容器里的指令與補(bǔ)償電流的偏差，輸出包含有相同頻率的諧波，由于過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，響應(yīng)的電流會(huì)比較晚輸出。

2.孤島效應(yīng)檢測(cè)。孤島效應(yīng)是電網(wǎng)出現(xiàn)故障意外停電或正常停電后，系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)，但是有些會(huì)繼續(xù)運(yùn)作進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)自己運(yùn)行的系統(tǒng)。孤島效應(yīng)使維修工作進(jìn)行困難，威脅維修人員的安全，所以孤島效應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)是系統(tǒng)必備的技術(shù)之一。目前，檢測(cè)的方法有，插入阻抗和擾動(dòng)電流法，這兩種都是主動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)中電壓超過(guò)給定值，即定位孤島效應(yīng)。

3.跟蹤最大功率技術(shù)。跟蹤最大功率技術(shù)目前主要由兩種，一種是電壓恒定跟蹤，本方法利用光伏陣在日光下的變化規(guī)律鎖定最大功率，達(dá)到跟蹤的目的，另一種是擾動(dòng)跟蹤法，其原理比較復(fù)雜，可概括為，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出指令，在幾個(gè)電路上徘徊，尋找最大的功率。

4.雙級(jí)電源隔離技術(shù)。本技術(shù)首先通過(guò)晶管轉(zhuǎn)換電源，1000V高壓轉(zhuǎn)換成24V，再把外圍電源輸入電網(wǎng)，變換出可以獨(dú)立運(yùn)行不同電路所需的隔離電源。此技術(shù)除了能保證電路正常運(yùn)行之外，還能增強(qiáng)電網(wǎng)的抗干擾能力，是利用一種PWM的單端控制器實(shí)現(xiàn)的，主要輔助電路中電壓轉(zhuǎn)換、電路保護(hù)。

六、總結(jié)

根據(jù)前文對(duì)有源濾波器、光伏發(fā)電以及有源濾波器與光伏發(fā)電同一控制技術(shù)的介紹，可以得出如下結(jié)論：

有源濾波器與光伏發(fā)電統(tǒng)一控制技術(shù)在我國(guó)處于起步階段，進(jìn)一步的推廣還有很多問(wèn)題需要解決，有理論層次的、技術(shù)層次的，有來(lái)自市場(chǎng)的、有關(guān)于政策的。但是這一技術(shù)的發(fā)展前景是很好的，我們有必要努力將其推廣。根據(jù)對(duì)有源濾波器、光伏發(fā)電裝置院里的介紹，總結(jié)出兩者的公共點(diǎn)與不同的地方，從兩者基本工作原理相似可以得出，實(shí)現(xiàn)二者的同一控制可能性是極大的。對(duì)有源濾波器與光伏發(fā)電統(tǒng)一控制技術(shù)目前存在的主要問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)介紹、深入研究，總結(jié)他們的相似之處，得出技術(shù)發(fā)展需要解決的問(wèn)題。根據(jù)對(duì)存在問(wèn)題的研究，提出有源濾波器與光伏發(fā)電統(tǒng)一控制技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，發(fā)展策略。對(duì)策略中用到的重要技術(shù)進(jìn)行介紹，加深理解。

總之，有源濾波器與光伏發(fā)電統(tǒng)一控制技術(shù)的發(fā)展前景是很光明的，我們必須克服困難，解決相關(guān)問(wèn)題，促進(jìn)其在中國(guó)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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