并網(wǎng)逆變器合成諧波阻抗主動諧波抑制

王湘明，王衛(wèi)鑫

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110178）

并網(wǎng)逆變器合成諧波阻抗主動諧波抑制

王湘明，王衛(wèi)鑫

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110178）

針對并網(wǎng)逆變器接入帶有大量非線性負(fù)載的電網(wǎng)時存在諧波干擾的影響，采用一種并網(wǎng)逆變器合成諧波阻抗諧波抑制方法，建立了并網(wǎng)逆變器功率控制、電壓環(huán)和電流環(huán)以及控制系統(tǒng)的合成諧波阻抗環(huán)仿真模型.在電壓控制回路中增加諧波阻抗環(huán)，并基于瞬時無功理論提取諧波.利用Matlab/Simulink對并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)進(jìn)行合成諧波阻抗諧波抑制仿真的結(jié)果表明，在實現(xiàn)逆變器輸出給定的有功功率和無功功率情況下，即能并網(wǎng)又有效抑制了電網(wǎng)諧波。

并網(wǎng)逆變器；諧波抑制；瞬時無功理論；合成諧波阻抗；Matlab/Simulink仿真

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的非線性負(fù)荷投入電網(wǎng)，使得電網(wǎng)的諧波分量也隨之增加，其會發(fā)生過熱、振蕩甚至故障等問題。通常把周期性非正弦波中幅值比基波小而頻率是基波整數(shù)倍的一系列正弦波分量稱為諧波[1]。諧波能夠產(chǎn)生很大的危害，影響設(shè)備的穩(wěn)定性，對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。諧波電流將在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓，引起電網(wǎng)電壓畸變，最終造成電力系統(tǒng)諧波污染，并使電網(wǎng)及用電負(fù)載的安全受到影響。因此，對電網(wǎng)諧波加以檢測和限制具有重要意義[2]。

針對諧波抑制的措施主要有3種：一是主動治理；二是受端治理；三是被動治理。實現(xiàn)諧波抑制的重要前提是實時檢測出電網(wǎng)中的諧波電流[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者提出的諧波檢測方法大部分都是建立在瞬時無功功率理論的Ip-Iq諧波電流檢測基礎(chǔ)上的[4]。針對逆變器諧波抑制已經(jīng)出現(xiàn)多種控制方案[5]。文獻(xiàn)[6]提出一種電壓環(huán)、電流環(huán)的PI控制策略，這種方法實現(xiàn)簡單、易于控制，廣泛應(yīng)用于逆變器控制，但其精度、抗干擾能力還有待于提高；文獻(xiàn)[7]采用PR比例諧振積分器，該算法簡單，性能優(yōu)于PI控制，但PR控制器在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，網(wǎng)側(cè)逆變器控制性能隨之變化，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。文中采用主動治理措施，提出基于合成諧波阻抗功率控制，該控制方法既在電壓環(huán)加入諧波阻抗環(huán)來抑制電網(wǎng)諧波，在電流環(huán)使用PI調(diào)節(jié)來調(diào)整逆變器輸出電流。

1 基于Ip-Iq的諧波檢測方法

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，形成了多種諧波檢測的方法。目前諸多諧波檢測方法中，應(yīng)用較多的有模擬濾波、傅里葉變換、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、瞬時無功功率理論、廣義d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等[8]。文中選取基于瞬時無功功率理論法來提取電網(wǎng)諧波。

圖1是三相并網(wǎng)逆變器諧波抑制框圖，在并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)諧波抑制過程中有兩個重要環(huán)節(jié)，其一是負(fù)載諧波提取環(huán)節(jié)，其二是諧波抑制環(huán)節(jié)。其中電網(wǎng)電壓、電流分別為電網(wǎng)上所接非線性負(fù)載代表諧波源；并網(wǎng)逆變器經(jīng)過濾波電感L與電網(wǎng)并聯(lián)一起為負(fù)載供電，iL為含有諧波的負(fù)載電流為逆變器輸出電流，ih為負(fù)載諧波電流為諧波抑制電路的參考電流。若這樣并網(wǎng)逆變器就能補償電網(wǎng)的諧波電流，通過對并網(wǎng)逆變器輸出電流控制回路的控制，使得電網(wǎng)諧波含量為0，達(dá)到抑制電網(wǎng)諧波電流的目的?，F(xiàn)對三相瞬時無功功率理論做具體分析[9]。

圖1 并網(wǎng)逆變器抑制諧波框圖

設(shè)三相電路的各相電壓、相電流瞬時值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic.先經(jīng)過CLARCKE變換將其變換到α-β兩相直角坐標(biāo)系中，根據(jù)式（1）和式（2）得到兩相直角坐標(biāo)系α-β上的瞬時電壓eα、eβ和瞬時電流iα、iβ。

如圖2所示，eα、eβ和iα、iβ經(jīng)過PARK變換可以分別合成電壓矢量和電流矢量i。

圖2 α-β坐標(biāo)系矢量圖

式中：e、i分別為電壓矢量e、i的模；φe、φi分別為的幅角。定義ip為三相電路瞬時有功電流、iq為三相電路瞬時無功電流，ip、iq分別是矢量在矢量及其法線上的投影。即：

式中：φ=φe-φi

通過對瞬時無功理論的理解[10]，下面分析諧波提取方式。文中根據(jù)瞬時無功功率理論應(yīng)用了ip-iq諧波提取方式，其原理如圖3所示，圖中ia、ib、ic是系統(tǒng)三相電流的瞬時值；ea是a相電壓的瞬時值；PLL為鎖相環(huán)；LPF是低通濾波器；iaf、ibf、icf是d-q變換后分解出的系統(tǒng)基波分量；iah、ibh、ich是系統(tǒng)諧波分量[11]。

圖3 諧波檢測框圖

由圖3可得ip、iq為

然后通過低通濾波器（LPF）分別得出ip、iq的直流分量ip和iq，再通過下面的反變換就得到電網(wǎng)三相電流基本分量iaf、ibf、icf， 再用三相電網(wǎng)電流ia、ib、ic分別減去基波電流分量iaf、ibf、icf就是電網(wǎng)的諧波電流 iah、ibh、ich。

2 合成諧波阻抗諧波抑制控制策略研究

文中基于諧波阻抗的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)原理如圖4所示，采用電壓控制回路和電流控制回路的控制方式控制逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)目標(biāo)，并且在電壓控制回路中增加諧波阻抗環(huán)節(jié)抑制諧波電壓。其中V1-V6構(gòu)成并網(wǎng)逆變器經(jīng)過濾波電感、電容連接到電網(wǎng)上，電網(wǎng)上存在非線性負(fù)載，此非線性負(fù)載代表諧波源[12]。Uabc和Iabc分別是并網(wǎng)逆變器輸出三相電壓和電網(wǎng)含有諧波的電流 （單相代表三相）；Uαβ、Iαβ分別為經(jīng)過CLARCKE坐標(biāo)變換得到α-β直角坐標(biāo)系下逆變器輸出電壓、電網(wǎng)側(cè)含有諧波的電流[13]。

引入諧波阻抗環(huán)使逆變器在主要諧波頻率點處重新塑造輸出阻抗，增加的合成諧波阻抗是為補償傳輸線路上的阻抗，這樣減小諧波在傳輸線路上的壓降，諧波電壓在通過傳輸線路時失真就會得到有效抑制。應(yīng)用瞬時無功理論，通過低通濾波器得到各次諧波分量[14]。為分析合成諧波阻抗對系統(tǒng)的影響，圖5給出單相并網(wǎng)逆變器在諧波頻次點的等效電路圖。在電壓控制回路中使用多重諧振積分器，使得在諧波頻率點逆變器阻抗等效于諧波阻抗。圖中二極管整流器代表電路中的諧波源，用來產(chǎn)生電網(wǎng)諧波。Zsh、ZLh、Zch、Zih分別表示連接到電網(wǎng)線路的電感 Ls、逆變器輸出電壓濾波器電感L、逆變器輸出電壓濾波器電容C和合成諧波阻抗電感Lh。

據(jù)戴維寧等效定理，各相電壓控制回路可簡化成圖6所示。

則整個控制回路可表示為：

圖4 整體控制系統(tǒng)

圖5 單相逆變在主要諧波處的等效電路

圖6 相電壓控制回路等效原理圖

式中：Zh（s）為合成諧波阻抗是由功率解耦控制得到的參考電壓為經(jīng)過諧波阻抗環(huán)節(jié)抑制后得到的電壓控制回路的參考電壓，可得到新的逆變器輸出阻抗Zc（s）。從式（10）可以看出，總阻抗Zc（s）不僅與合成諧波阻抗Zh（s）有關(guān)，還與傳遞函數(shù)Gc（s）有關(guān)[15]。

為分析方便將圖6展開成圖7。

圖7 相電壓控制回路框圖

圖中α坐標(biāo)軸與β坐標(biāo)軸的分析情況一樣，這里只分析一個坐標(biāo)軸，令I(lǐng)o為零，得到電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)：

式中：R為L的寄生電阻；Ki為電流增益；Gc（s）為電壓控制回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)；GPR（s）為電壓控制回路PR的傳遞函數(shù)；Zo（s）為逆變器的閉環(huán)輸出阻抗；Vo（s）為逆變器輸出電壓；Io（s）為逆變器輸出電流。

3 實驗仿真

利用Matlab/Simulink仿真平臺，對所提出的策略進(jìn)行仿真分析，逆變器仿真模型如圖8所示，逆變器仿真參數(shù)如表1所示，該系統(tǒng)主要由逆變器主電路、功率控制部分、電壓控制回路、電流控制回路組成。并在電壓控制回路中增加諧波阻抗環(huán)節(jié)減小并網(wǎng)逆變器輸出諧波電流在傳輸線路上的諧波壓降，有效抑制并網(wǎng)點諧波電壓。

圖8 逆變器仿真整體結(jié)構(gòu)圖

表1 仿真參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析

電網(wǎng)電流仿真如圖9所示，逆變器在0.04 s時接入電網(wǎng)，分別測出了控制方法作用前后的電網(wǎng)電流和負(fù)載電流。逆變器接入電網(wǎng)前后電網(wǎng)電流波形變化如圖9（a）所示，0.04 s逆變器接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)電流近似為正弦波，受負(fù)載諧波影響發(fā)生畸變的電流得到了有效抑制；電網(wǎng)中非線性負(fù)載側(cè)的電流波形如圖9b所示，此策略可以檢測非線性負(fù)載的波形情況。

加入諧波阻抗環(huán)逆變器電流諧波FFT分析如圖10所示[16-17]，由圖10可見加入諧波阻抗環(huán)逆變器輸出電流諧波含量僅為2.77%，可見此控制策略在逆變器輸出給定的情況下，即能并網(wǎng)又能使諧波明顯減少，有效抑制電網(wǎng)電流諧波。

5 結(jié) 論

文中提出了一種基于合成諧波阻抗諧波檢測抑制控制方法，該方法在的諧波檢測的基礎(chǔ)上加入諧波阻抗環(huán)，并建立電壓控制回路和電流控制回路。從仿真結(jié)果可以看出，此方法可以有效抑制并網(wǎng)點的諧波電壓，并補償了負(fù)載的諧波電流。

圖9 逆變器作用前后電流波形

圖10 加入諧波阻抗環(huán)逆變器相電流諧波FFT分析

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Synthesis harmonic impedance for automatic harmonic suppression of micro-grid inverter

WANG Xiang-ming，WANG Wei-xin
（School of Information Science and Engineering of SUT，Shenyang 110178，China）

In order to solve the problem of harmonic interference when the grid-connected inverter connects to the power grid with nonlinear load，an harmonic suppression method for synthesis harmonic impedance of grid-connected inverter was adopted.The simulation model for power control，voltage loop and current loop as well as synthesis harmonic impedance of control system for grid-connected inverter. Through increasing the harmonic impedance loop in voltage loop and extracting harmonic based on instantaneous reactive power theory.The harmonic suppression of synthesis harmonic impedance for the control system of grid-connected inverter was simulated with Matlab/Simulink software.The simulated results show that in the situation of realizati the inverter output given the active and reactive power，the method can achieve grid and suppress harmonic effectively in the grid.

grid-side inverter；harmonic suppression；instantaneous reactive power theory；synthesis of harmonic impedance；Matlab/Simulink

TN4

：A

：1674－6236（2017）01-0185-05

2015-11-25稿件編號：201511251

王湘明（1963—），男，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士，副教授。研究方向：風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。