CN105119319A - 一种有源滤波三相四线制光伏并网系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源滤波三相四线制光伏并网系统及方法，系统由DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路串联组成的零序电流解耦控制的有源滤波三相四线制光伏并网系统拓扑结构电路，DC/DC升压电路实现光伏发电的最大功率点追踪。DC/AC逆变电路由零序电流解耦控制的电流环和PI控制电压环进行控制，PI控制电压环实现逆变器系统直流母线电压的稳定控制，并生成光伏有功电流参考值。方法包括参考电流生成，零序电流与dq轴解耦控制电流环，参考电压合成与脉宽调制三个步骤。零序电流解耦控制的电流环不仅能实现对光伏有功电流的跟踪控制输出，还能实现对谐波电流和中性线上的零序电流的跟踪补偿，兼具有光伏发电和谐波及不平衡电流补偿的功能。

Description

一种有源滤波三相四线制光伏并网系统及方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，涉及一种有源滤波三相四线制光伏并网系统及方法，尤其涉及一种零序电流解耦控制的有源滤波三相四线制光伏并网系统及方法。

背景技术

随着能源和环境压力的增大，太阳能光伏发电作为可再生能源发电日益得到国家产业政策的扶持和社会的关注，是当前国内外最具发展前景的新能源发电形式之一，而并网发电已成为大规模利用太阳能光伏的主要发展趋势。小型光伏发电系统通过接入城市、民用住宅等三相四线制供电系统中实现并网发电，具有离负荷中心近，接入方式灵活等优点。但由于昼夜交替和天气阴晴变化，导致光伏发电的间歇性和逆变器容量的利用率较低。同时，在城市及民用住宅等三相四线制配电系统中，非线性负载广泛应用，所产生的谐波对电网系统和电网中用电设备的安全性及高效性产生了恶劣影响，三相四桥臂有源电力滤波器可以有效补偿并联型负载产生的谐波、解决三相电流不平衡问题。但目前单独加装并联有源滤波器存在投资大的问题。

分析表明，光伏发电系统(PV)的逆变器和有源电力滤波器(APF)在硬件结构和控制方法方面具有很高的相似性，具有有源滤波功能的光伏并网PV-APF系统能将二者功能进行结合，能够解决光伏并网逆变器由于昼夜、天气阴晴变化等导致其利用率低的问题，同时避免单独使用并联有源电力滤波器时硬件成本过高的问题，可在提高光伏系统利用率的同时有效改善电网电能质量。研究具有有源电力滤波功能的光伏并网发电系统越来越受到国内外专家学者的重视。

目前关于住宅型单相光伏并网逆变器与有源滤波的统一拓扑结构及控制策略方面的研究较多，而三相四线制配网系统中兼具有源滤波功能的光伏并网系统的拓扑结构及控制技术方面的研究很少，且具有有源滤波功能的三相四线制光伏并网系统电流环控制策略多采用无差拍控制和比例谐振控制，无差拍控制依赖于精确的系统模型，鲁棒性欠佳，而比例谐振控制需要并联多个控制器，只能对指定次谐波进行跟踪控制，难以满足非线性负载任意次谐波的跟踪要求。重复控制电流环在三相三线制系统中已被广泛研究，但在三相四线制系统中由于多了中性线，系统中存在零序电流和零序电压，适用于跟踪控制零序电流的控制策略目前还没有相应的研究。

发明内容

本发明的目的在于提出零序电流解耦控制的有源滤波三相四线制光伏并网系统及方法，解决了三相四线制配网中的谐波及中性线不平衡电流的问题，同时避免单独使用并联有源电力滤波器时硬件成本过高的问题，提高了光伏逆变器的设备利用率并改善了三相四线制配网系统的电能质量。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种有源滤波三相四线制光伏并网系统，其特征在于：由DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路串联组成，两级电路间的控制互不干扰，灵活可靠；DC/DC升压电路利用基于扰动观测法的最大功率点追踪实现光伏发电的最大有功功率输出；DC/AC逆变电路由零序电流解耦控制的电流环和PI控制电压环进行控制，PI控制电压环对逆变器系统的直流母线电压进行控制，并生成光伏有功电流参考值，零序电流解耦控制的电流环不仅能实现对光伏有功电流的跟踪控制输出，还能实现对谐波电流和中性线上的零序电流的跟踪补偿，兼具有光伏发电和谐波补偿的功能；

光伏电池依次通过DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路后向外界提供电力。

作为优选，所述的DC/DC升压电路包括低压稳压电容C、平波电感L，绝缘栅双极型晶体管S、反向截止二极管D、逆变器侧高压稳压电容C_dc；低压稳压电容C与平波电感L串联，平波电感L与绝缘栅双极型晶体管S及反向截止二极管D相连，反向截止二极管D与逆变器侧高压稳压电容C_dc串联；所述的DC/AC逆变电路包括光伏系统三相四桥臂逆变器的绝缘栅双极型晶体管开关管S1～S8；开关管包括A桥臂上下串联的开关管S1、S2，B桥臂上下串联的开关管S3、S4，C桥臂上下串联的开关管S5、S6，N桥臂上下串联的开关管S7、S8；逆变器四桥臂的A、B、C桥臂输出滤波电感L₁和N桥臂输出滤波电感L_n；光伏系统逆变器直流侧电容C_dc分别与S1、S2，S3、S4，S5、S6，S7、S8相互并联，A、B、C桥臂中点与输出滤波电感L₁串联，N桥臂中点与输出滤波电感L_n串联。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种有源滤波三相四线制光伏并网方法，其特征在于：包括参考电流生成，零序电流与dq轴解耦控制电流环，参考电压合成与脉宽调制三个步骤；

步骤1：参考电流生成；

负载电流i_La、i_Lb、i_Lc为非线性不平衡负载三相电流，利用abc-dq0坐标变换技术，计算得到i_La、i_Lb、i_Lc的d和q轴分量i_p和i_q，然后利用i_p-i_q谐波检测法检测出dq0坐标系中谐波电流的参考值i_hd*、i_q*、i_o*；利用光伏发电系统最大功率追踪算法，计算得到直流电容C_dc上电压的参考值u_dc*，将该参考值减去直流电容C_dc上电压的实际值u_dc后进行PI控制，生成光伏发电系统输出有功电流的指令i_p*，i_p*与谐波电流d轴参考指令i_hd*相减生成具有d轴参考电流i_d*；

步骤2：零序电流与dq轴解耦控制电流环；

对逆变器输出电流i_1a、i_1b和i_1c进行abc-dq0坐标变换，得到正、负与零序电流i_1d、i_1q、i_1o，分别对i_1d、i_1q、i_1o进行闭环重复控制，重复控制电流环记为C(z)；闭环重复控制输出为正负序参考电压u_d*和u_q*以及零序参考电压u_1o*，N桥臂输出电感L_n上的零序参考电压为u_1o*，将u_d*和u_q*进行dq0-abc坐标变换得到A、B和C桥臂输出电感L₁上的参考电压u_1a*、u_1b*、u_1c*；

步骤3：参考电压合成与脉宽调制；

分别计算A、B、C桥臂对N桥臂中点电压的参考值，u_AN*＝e_a+u_1a*+u_1o*，u_BN*＝e_b+u_1b*+u_1o*，u_CN*＝e_c+u_1c*+u_1o*，对参考电压u_AN*、u_BN*、u_CN*进行三维空间矢量脉宽调制，生成A、B、C桥臂对N桥臂中点电压的实际值u_AN、u_BN、u_CN，u_AN、u_BN、u_CN经过相桥臂输出滤波器L₁+L_n产生A、B、C桥臂的输出电流i_1a、i_1b和i_1c，实现了兼具有有源滤波功能的光伏并网系统的功能。

本发明由DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路串联组成的零序电流解耦控制的有源滤波三相四线制光伏并网系统拓扑结构电路，DC/DC升压电路实现光伏发电的最大功率点追踪。后级DC/AC逆变电路由零序电流解耦控制的电流环和PI控制电压环进行控制，PI控制电压环实现逆变器系统直流母线电压的稳定控制，并生成光伏有功电流参考值。i_p-i_q电流检测法检测出负载电流中的谐波及不平衡电流，谐波及不平衡电流和光伏有功电流叠加生成零序电流解耦控制电流环的综合指令参考电流。零序电流解耦控制的电流环不仅能实现对光伏有功电流的跟踪控制输出，还能实现对谐波电流和中性线上的零序电流的跟踪补偿，兼具有光伏发电和谐波及不平衡电流补偿的功能。

本发明能在有源滤波三相四线制光伏并网系统中跟踪控制输出光伏有功电流、谐波电流和零序电流、同时能实现零序电流与正负序电流的解耦控制，整个有源滤波三相四线制光伏并网系统的电流环结构具有光伏有功电流、谐波电流和零序电流控制输出独立，可靠性高的优点，在实现光伏并网发电的同时可以改善三相四线制配网系统的电能质量，对于提高有源滤波三相四线制光伏并网系统的工程实用化程度具有重要现实意义。

附图说明

图1：是本发明实施例的系统拓扑结构图；

图2：是本发明实施例中零序电流解耦控制的电流环实现原理图；其中(a)为参考电流生成原理图，(b)为零序电流与dq轴解耦控制电流环原理图，(c)为参考电压合成与脉宽调制原理图；

图3：是本发明实施例的系统实验波形图；图3-1为有源滤波三相四线制光伏并网系统进行单一有源滤波功能时的实验波形图，其中(a)、(b)分别是有源滤波功前电网三相电流波形图和有源滤波功后电网三相电流波形图；图3-2为有源滤波三相四线制光伏并网系统进行单一光伏并网发电功能时的实验波形图，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别是光伏MPPT过程中光伏电池电压V_P、光伏电池输出电流I_P、光伏电池输出功率p_v、A相有功电流i_sa的变化曲线图；图3-3为有源滤波三相四线制光伏并网系统同时进行光伏并网发电与有源滤波功能时的实验波形图，其中(a)、(b)是有源滤波过程中投入光伏发电后系统A相电流i_sa和A桥臂输出电流i_1a的变化曲线图，(c)、(d)分别是光伏发电过程中加入有源滤波后系统A相电流i_sa和A桥臂输出电流i_1a的变化曲线图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种有源滤波三相四线制光伏并网系统，由DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路串联组成，DC/DC升压电路包括低压稳压电容C、平波电感L，绝缘栅双极型晶体管S、反向截止二极管D、逆变器侧高压稳压电容C_dc；低压稳压电容C与平波电感L串联，平波电感L与绝缘栅双极型晶体管S及反向截止二极管D相连，反向截止二极管D与逆变器侧高压稳压电容C_dc串联；DC/AC逆变电路包括光伏系统三相四桥臂逆变器的绝缘栅双极型晶体管开关管S1～S8；开关管包括A桥臂上下串联的开关管S1、S2，B桥臂上下串联的开关管S3、S4，C桥臂上下串联的开关管S5、S6，N桥臂上下串联的开关管S7、S8；逆变器四桥臂的A、B、C桥臂输出滤波电感L₁和N桥臂输出滤波电感L_n；光伏系统逆变器直流侧电容C_dc分别与S1、S2，S3、S4，S5、S6，S7、S8相互并联，A、B、C桥臂中点与输出滤波电感L₁串联，N桥臂中点与输出滤波电感L_n串联；

光伏电池依次通过DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路后向外界提供电力；两级电路间的控制互不干扰，灵活可靠；DC/DC升压电路利用基于扰动观测法的最大功率点追踪实现光伏发电的最大有功功率输出；DC/AC逆变电路由零序电流解耦控制的电流环和PI控制电压环进行控制，PI控制电压环对逆变器系统的直流母线电压进行控制，并生成光伏有功电流参考值，零序电流解耦控制的电流环不仅能实现对光伏有功电流的跟踪控制输出，还能实现对谐波电流和中性线上的零序电流的跟踪补偿，兼具有光伏发电和谐波补偿的功能；

请见图2，本发明提供的一种有源滤波三相四线制光伏并网方法，包括参考电流生成，零序电流与dq轴解耦控制电流环，参考电压合成与脉宽调制三个步骤；

步骤1：负载电流i_La、i_Lb、i_Lc为非线性不平衡负载三相电流，利用成熟的abc-dq0坐标变换技术，可计算得到i_La、i_Lb、i_Lc的d和q轴分量i_p和i_q，然后利用现有成熟的i_p-i_q谐波检测法检测出dq0坐标系中谐波电流的参考值i_hd*、i_q*、i_o*。利用现有的光伏发电系统最大功率追踪算法，可计算得到直流电容C_dc上电压的参考值u_dc*，将该参考值减去直流电容C_dc上电压的实际值u_dc后进行PI控制，生成光伏发电系统输出有功电流的指令i_p*，i_p*与谐波电流d轴参考指令i_hd*相减生成具有d轴参考电流i_d*；

步骤2：对逆变器输出电流i_1a、i_1b和i_1c进行abc-dq0坐标变换，得到正、负与零序电流i_1d、i_1q、i_1o，分别对i_1d、i_1q、i_1o进行闭环重复控制，重复控制电流环是现有的成熟技术，重复控制电流环记为C(z)。闭环重复控制输出为正负序参考电压u_d*和u_q*以及零序参考电压u_1o*，N桥臂输出电感L_n上的零序参考电压为u_1o*，将u_d*和u_q*进行dq0-abc坐标变换得到A、B和C桥臂输出电感L₁上的参考电压u_1a*、u_1b*、u_1c*；

步骤3：分别计算A、B、C桥臂对N桥臂中点电压的参考值，u_AN*＝e_a+u_1a*+u_1o*，u_BN*＝e_b+u_1b*+u_1o*，u_CN*＝e_c+u_1c*+u_1o*，对参考电压u_AN*、u_BN*、u_CN*进行3D-SVPWM(三维空间矢量脉宽调制)，3D-SVPWM是现有的成熟技术，生成A、B、C桥臂对N桥臂中点电压的实际值u_AN、u_BN、u_CN，u_AN、u_BN、u_CN经过相桥臂输出滤波器L₁+L_n可产生A、B、C桥臂的输出电流i_1a、i_1b和i_1c，实现了兼具有有源滤波功能的光伏并网系统的功能。

请见图3，是采用零序电流解耦控制技术的有源滤波三相四线制光伏并网系统的实验波形图。实验波形图包含三部分的内容：

(1)请见图3-1，为有源滤波三相四线制光伏并网系统进行单一有源滤波功能时的实验波形图。其中(a)、(b)分别是有源滤波功前电网三相电流波形图和有源滤波功后电网三相电流波形图；经傅里叶分析，在进行有源滤波前电网电流i_sx(x＝a、b、c)的THD达到了23.9％，电网输出电流谐波畸变严重，经过有源滤波后电网电流i_sx的THD小于2.3％，电网电流波形明显改善，表明采用本发明零序电流解耦控制电流环技术具备良好的谐波电流和零序电流的跟踪补偿能力；

(2)请见图3-2，为有源滤波三相四线制光伏并网系统进行单一光伏并网发电功能时的实验波形图。其中(a)、(b)、(c)、(d)分别是光伏MPPT过程中光伏电池电压V_P、光伏电池输出电流I_P、光伏电池输出功率p_v、A相有功电流i_sa的变化曲线图，可以看出光伏MPPT过程快速稳定，采用零序电流解耦控制电流环技术可以即时将光伏电池输出的有功功率转化为并网有功电流，三相四线制光伏并网系统进行单一光伏并网发电功能良好；

(3)请见图3-3，为有源滤波三相四线制光伏并网系统同时进行光伏并网发电与有源滤波功能时的实验波形图。其中(a)、(b)是有源滤波过程中投入光伏发电后系统A相电流i_sa和A桥臂输出电流i_1a的变化曲线图，由图可以看出系统在进行有源滤波时向非线性不平衡负载负载提供基波正序电流，此时逆变器桥臂输出补偿电流对非线性不平衡负载中的谐波及不平衡电流进行补偿，在投入光伏发电后系统从提供有功电流逐渐变为0，然后变为吸收有功电流，表明在进行有源滤波的同时投入光伏发电，其发出的有功功率顺利实现并网发电。(c)、(d)分别是光伏发电过程中加入有源滤波后系统A相电流i_sa和A桥臂输出电流i_1a的变化曲线图，由图可以看出在进行光伏发电时系统吸收有功电流，在进行有源滤波后，逆变器桥臂在输出光伏并网有功电流的同时也输出谐波及不平衡电流对非线性负载进行补偿，由于系统同时需要向非线性不平衡负载负载提供一部分有功电流，所以系统吸收的有功电流变小。无论在有源滤波时投入光伏发电还是在光伏发电时投入有源滤波，整个过程都能顺利过渡，最终同时实现有源滤波与光伏并网发电的功能。表明本发明设计应用于有源滤波三相四线制光伏并网系统的基于重复控制的零序电流解耦控制电流环技术效果良好，稳定可靠。

本发明克服了无差拍控制对系统参数鲁棒性差，比例谐振控制只能跟踪指定次数谐波，传统三相重复控制电流环无法跟踪控制零序电流的问题。将零序电流解耦控制电流环技术应用在有源滤波三相四线制光伏并网系统中，解决了光伏有功电流、谐波电流和零序电流的跟踪控制问题，在实现光伏并网发电的同时提高了三相四线制配网的电能质量，无需单独使用并联有源电力滤波器，提高了光伏并网逆变器系统设备利用率和经济效益。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种有源滤波三相四线制光伏并网系统，其特征在于：由DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路串联组成，两级电路间的控制互不干扰，灵活可靠；DC/DC升压电路利用基于扰动观测法的最大功率点追踪实现光伏发电的最大有功功率输出；DC/AC逆变电路由零序电流解耦控制的电流环和PI控制电压环进行控制，PI控制电压环对逆变器系统的直流母线电压进行控制，并生成光伏有功电流参考值，零序电流解耦控制的电流环不仅能实现对光伏有功电流的跟踪控制输出，还能实现对谐波电流和中性线上的零序电流的跟踪补偿，兼具有光伏发电和谐波补偿的功能；

光伏电池依次通过DC/DC升压电路和DC/AC逆变电路后向外界提供电力。

2.根据权利要求1所述的有源滤波三相四线制光伏并网系统，其特征在于：

所述的DC/DC升压电路包括低压稳压电容C、平波电感L，绝缘栅双极型晶体管S、反向截止二极管D、逆变器侧高压稳压电容C_dc；低压稳压电容C与平波电感L串联，平波电感L与绝缘栅双极型晶体管S及反向截止二极管D相连，反向截止二极管D与逆变器侧高压稳压电容C_dc串联；

所述的DC/AC逆变电路包括光伏系统三相四桥臂逆变器的绝缘栅双极型晶体管开关管S1～S8；开关管包括A桥臂上下串联的开关管S1、S2，B桥臂上下串联的开关管S3、S4，C桥臂上下串联的开关管S5、S6，N桥臂上下串联的开关管S7、S8；逆变器四桥臂的A、B、C桥臂输出滤波电感L₁和N桥臂输出滤波电感L_n；光伏系统逆变器直流侧电容C_dc分别与S1、S2，S3、S4，S5、S6，S7、S8相互并联，A、B、C桥臂中点与输出滤波电感L₁串联，N桥臂中点与输出滤波电感L_n串联。

3.一种利用权利要求1所述的有源滤波三相四线制光伏并网系统进行有源滤波三相四线制光伏并网方法，其特征在于：包括参考电流生成，零序电流与dq轴解耦控制电流环，参考电压合成与脉宽调制三个步骤；

步骤1：参考电流生成；

负载电流i_La、i_Lb、i_Lc为非线性不平衡负载三相电流，利用abc-dq0坐标变换技术，计算得到i_La、i_Lb、i_Lc的d和q轴分量i_p和i_q，然后利用i_p-i_q谐波检测法检测出dq0坐标系中谐波电流的参考值i_hd*、i_q*、i_o*；利用光伏发电系统最大功率追踪算法，计算得到直流电容C_dc上电压的参考值u_dc*，将该参考值减去直流电容C_dc上电压的实际值u_dc后进行PI控制，生成光伏发电系统输出有功电流的指令i_p*，i_p*与谐波电流d轴参考指令i_hd*相减生成具有d轴参考电流i_d*；

步骤2：零序电流与dq轴解耦控制电流环；

对逆变器输出电流i_1a、i_1b和i_1c进行abc-dq0坐标变换，得到正、负与零序电流i_1d、i_1q、i_1o，分别对i_1d、i_1q、i_1o进行闭环重复控制，重复控制电流环记为C(z)；闭环重复控制输出为正负序参考电压u_d*和u_q*以及零序参考电压u_1o*，N桥臂输出电感L_n上的零序参考电压为u_1o*，将u_d*和u_q*进行dq0-abc坐标变换得到A、B和C桥臂输出电感L₁上的参考电压u_1a*、u_1b*、u_1c*；

步骤3：参考电压合成与脉宽调制；

分别计算A、B、C桥臂对N桥臂中点电压的参考值，u_AN*＝e_a+u_1a*+u_1o*，u_BN*＝e_b+u_1b*+u_1o*，u_CN*＝e_c+u_1c*+u_1o*，对参考电压u_AN*、u_BN*、u_CN*进行三维空间矢量脉宽调制，生成A、B、C桥臂对N桥臂中点电压的实际值u_AN、u_BN、u_CN，u_AN、u_BN、u_CN经过相桥臂输出滤波器L₁+L_n产生A、B、C桥臂的输出电流i_1a、i_1b和i_1c，实现了兼具有有源滤波功能的光伏并网系统的功能。