光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波抑制方法研究

西燈考

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，傳統(tǒng)能源消耗日益增長(zhǎng)，化石能源面臨枯竭的危險(xiǎn)，當(dāng)前最主要的任務(wù)就是尋找新能源來(lái)替代污染嚴(yán)重的化石能源。新能源主要來(lái)源于太陽(yáng)，因?yàn)樘?yáng)能取之不盡、用之不竭，所以，它受到了人們的高度關(guān)注。當(dāng)今社會(huì)科技發(fā)展迅猛，一些新技術(shù)、新理念也應(yīng)用到了太陽(yáng)能行業(yè)，再加上世界各國(guó)的大力扶植，太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)借此機(jī)遇也得到了快速發(fā)展[1]。光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的必然趨勢(shì)，具有高環(huán)保、低噪聲、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，備受社會(huì)的青睞。但是，光伏并網(wǎng)帶來(lái)的諧波污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，不僅導(dǎo)致電能質(zhì)量不斷下降，還引起了不必要的能量損耗。如今，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，消除諧波和提高電流波形質(zhì)量成為了重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1 諧波的產(chǎn)生與危害

隨著人們生活水平的不斷提高，大量的非線性負(fù)載逐漸出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中，許多電能質(zhì)量問(wèn)題也隨之產(chǎn)生，比如諧波問(wèn)題。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電力電子設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而且在產(chǎn)生諧波的諧波源種類中，這些非線性設(shè)備所占的比例越來(lái)越大。所以在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由大量電力電子設(shè)備組成的逆變器是產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備[2]。波形是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)。諧波成分的出現(xiàn)不僅會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行，還會(huì)對(duì)通信線路造成干擾以及其他不良影響。

2 諧波治理措施

目前，主要有3種治理諧波的措施：①主動(dòng)治理，采取一些措施讓系統(tǒng)源頭不產(chǎn)生諧波；②受端治理，主要是提高受諧波影響設(shè)備的抗干擾能力；③被動(dòng)治理，在并網(wǎng)前安裝濾波裝置，阻止諧波注入電網(wǎng)。目前，在選擇治理諧波方法時(shí)，主要采用被動(dòng)治理的方法。下面簡(jiǎn)單介紹幾種濾波方法。

2.1 無(wú)源濾波器

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般在逆變器與并網(wǎng)側(cè)之間安裝無(wú)源濾波器，由電阻R、電感L和電容C構(gòu)成回路。為了阻止高次諧波流入電網(wǎng)，可以通過(guò)計(jì)算來(lái)選擇電感L、電容C的參數(shù)，當(dāng)回路中諧波頻率與高次諧波頻率相同時(shí)，即達(dá)到消除諧波的目的。無(wú)源濾波器就相當(dāng)于一種波形發(fā)生器，先采集諧波信息，然后再輸出一種幅值相等方向相反的諧波，從而抵消諧波源產(chǎn)生的諧波。傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器有L型濾波器、LC型濾波器、LCL濾波器[3]。目前，一些新型無(wú)源濾波器也相繼出現(xiàn)，但大都是在傳統(tǒng)濾波器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，穩(wěn)定性好，便于維護(hù)。但是，無(wú)源濾波器只能消除某一固定級(jí)的諧波，如果線路中含有很多級(jí)次諧波，需要針對(duì)每次諧波設(shè)計(jì)一種濾波器，這樣會(huì)導(dǎo)致有效材料的過(guò)多消耗，不符合經(jīng)濟(jì)性原則。

圖1 有源濾波器

2.2 有源濾波器

有源濾波器主要分為2部分，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流跟蹤控制電路3部分組成，各部分缺一不可，協(xié)同工作。濾波器的工作流程是，先檢測(cè)電路中的諧波和無(wú)功，然后經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算產(chǎn)生足以抵消電路諧波和無(wú)功的諧波和無(wú)功。如圖1所示，有源電力濾波器檢測(cè)出諧波源負(fù)載電流iL的諧波分量iLh，通過(guò)運(yùn)算輸出指令信號(hào)i*C，而由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流iC與負(fù)載電流中的諧波分量iLh模值相等、方向相反，iLh＝-iC，這樣兩者就可以互相抵消，負(fù)載側(cè)電流中只有基波，不再含有諧波。

有源濾波器可以實(shí)時(shí)進(jìn)行諧波補(bǔ)償，不僅能夠達(dá)到消除諧波的目的，還能夠進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。由于基波是由交流電源直接加到變流器上的，而變流器也提供大部分的補(bǔ)償電流，這樣就要求變流器擁有足夠大的容量，這也是很多有源電力濾波器單獨(dú)使用時(shí)的主要缺點(diǎn)。

2.3 統(tǒng)一控制光伏并網(wǎng)發(fā)電和有源濾波

目前的光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置和有源電力濾波器各有各的優(yōu)勢(shì)，但不足之處也很明顯。由于光照強(qiáng)度是不斷變化的，光伏發(fā)電裝置在晚上并不能工作，處于閑置狀態(tài)，利用率比較低。而有源電力濾波器的造價(jià)比較高，如果只是用來(lái)抑制諧波和進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。對(duì)比分析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，發(fā)現(xiàn)它們都向電網(wǎng)提供能量，前者提供有功電能，后者提供無(wú)功電能和各種諧波，它們只是提供的電能不同而已。鑒于此，可將并網(wǎng)控制與文中提到的并聯(lián)混合型有源濾波器統(tǒng)一控制[4]。

圖2為光伏并網(wǎng)和有源濾波統(tǒng)一控制策略圖，在這種控制方式下，最大功率跟蹤主要依賴于光伏陣列輸出電壓Vpv和輸出電流ipv。根據(jù)這2項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算生成光伏并網(wǎng)發(fā)電有功指令電流，同時(shí)，為了使每項(xiàng)指標(biāo)清晰可見(jiàn)，需要將負(fù)載電流中的無(wú)功電流分量與諧波電流分量分離。此時(shí)，無(wú)功電流和諧波電流檢測(cè)單元就將發(fā)揮其分離2部分分量的作用，根據(jù)2部分分量電流合成指令電流，最終由電流控制器完成光伏并網(wǎng)發(fā)電和無(wú)功及諧波電流補(bǔ)償。其中，為負(fù)載電流，為電網(wǎng)電流，為補(bǔ)償電流，iC為電網(wǎng)電流。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于諧波產(chǎn)生的源頭復(fù)雜多樣，在選擇諧波治理方法時(shí)，需要考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、效率、精度、成本和穩(wěn)定性等因素。主動(dòng)治理和受端治理的應(yīng)用領(lǐng)域比較窄，而被動(dòng)治理方法應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是目前治理電力諧波問(wèn)題時(shí)采用的主要方法之一。正如文中所述，為了消除諧波，我們可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)中安裝無(wú)源電力濾波器和有源電力濾波器。根據(jù)兩者各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可將有源濾波器與無(wú)源濾波器協(xié)同使用，無(wú)源濾波器可以解決一些有源濾波器不能解決的問(wèn)題。除此之外，光伏并網(wǎng)逆變器和有源濾波器有許多相同點(diǎn)，所以，可以確定一種統(tǒng)一控制光伏逆變與濾波的策略。

圖2 光伏并網(wǎng)和有源濾波統(tǒng)一控制策略

［1］劉文洲，西燈考，蔡長(zhǎng)青，等.太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT綜述［J］.長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，17（3）：39-41.

［2］黃欣科，關(guān)雅娟，王還，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)低功率運(yùn)行并網(wǎng)電流諧波抑制研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2015，36（2）：414-421.

［3］吳春華.光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)研究［D］.上海：上海大學(xué)，2008.

［4］仝其豐，李田澤，史春玉，等.具有諧波補(bǔ)償功能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究［J］.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，19（4）：16-24.