船电技术ｌ电力系统 具有有源电力滤波器功能的光伏 并网发电系统的研究 金海梁星星 ｆ中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉４３００６４） 摘要：本文分析了有源电力滤波器（ＡＰＦ）和光伏并网发电系统的工作机理和数学模型，建立了有源电力 滤波器和光伏并网发电系统的统一控制系统。根据瞬时无功功率理论，分析了基于／ｐ—ｉ 法的瞬时无功和谐 波实时在线检测法，有效地实现了无功补偿和谐波抑制功能。在分析比较现有算法的基础上，建立了有源 电力滤波器和光伏并网发电系统的统一控制系统模型，并用仿真验证了该控制方法的有效性。 关键词：有源电力滤波器（ＡＰＦ） 光伏并网逆变器 无功补偿 谐波抑制 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—４８６２（２０ｌ１）０５—０００４－０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｊｉｎ Ｈａｉ，Ｌｉａｎｇ Ｘｉｎｇｘｉｎｇ （Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ＣＳＩＣ，Ｗｕｈａｎ ４３００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｐ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（尸 ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｌｆｔｅｒｓ（ＡＰＦ）ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｉｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｆ口一 ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ａｎｄ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｓｕｃｈ ｔｈｅｏｒｙ ａｒｅ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒｆｉＩｔｅｒｓ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，＂ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，＂ １ 引言 近年来，有源电力滤波器（ＡＰＦ）¨ 在电力 色电力的发展具有一定的意义。 ２ ＡＰＦ与光伏并网发电系统的比较分析 通过对有源电力滤波器与光伏发电系统两者 的比较分析可知，两者有诸多相同之处。下面从 系统中以及光伏新能源发电系统 Ｊ中获得广泛应 用。对有源电力滤波器与光伏发电系统进行对比 分析，发现两种装置有诸多相同之处，同时，也 有不同和不足之处。利用先进的电力电子技术对 两者实施统一控制，并进行适当的功能拓展，就 可以在同一装置上实现多种功能，以尽量解决两 者推广应用的障碍，这不仅对两种技术的推广具 有重大意义，而且对环境保护、新能源开发和绿 系统结构，功能和控制方法三方面分别进行比较 分析。 （１）典型结构方面。本文主要研究三相系统 中的ＡＰＦ￣ＩＩ光伏并网发电装置，典型的ＡＰＦ和三 相光伏并网发电装置的结构对比如图１所示。 从图１可知两者在变流器拓扑以及连接电网 的方式上相同，只是直流侧不同，ＡＰＦ的直流侧 是电容器，而光伏并网发电的直流侧是光伏阵列。 （２）功能方面。ＡＰＦ的功能是补偿谐波和无 收稿日期：２０１０．１０—２７ 作者简介：金海（１９６６．），男，高工，专业方向：自 动控制。 ４ 船电技术ｌ电力系统 功电能，即向电网注入谐波和无功电能；光伏并 功电能，两者只是注入到电网的电能种类不同， 本质上是相同的。 网发电装置的功能是并网发电，即向电网注入有 有源电力滤波嚣 光伏并嘲发电 图１有源电力滤波器和光伏并网发电系统结构对比图 （３）控制方法。两者都含有电流跟踪控制技 术和锁相技术，并且控制方法是一致的，不同的 体。工作原理简述如下：电流检测部分通过检测 算法检测出非线性负载的无功和谐波电流，形成 无功和谐波补偿指令电流。最大功率跟踪控制部 是ＡＰＦ还涉及谐波和无功检测技术，而光伏并网 系统涉及最大功率跟踪和孤岛效应检测技术，但 两者的主要技术是相同的。 分负责跟踪光伏阵列的最大功率点，形成并网指 令电流，控制部分把无功和谐波补偿指令电流和 并网指令电流进行合并后，利用合适的控制方法 控制变流器按合成后的指令电流向电网注入电流， 就可以同时实现电流质量治理和光伏并网发电。 ３具有ＡＰＦ功能的光伏发电控制系统 由上节的分析可知，ＡＰＦ和光伏并网发电系 统在典型结构、功能和控制方法等诸方面是相同 的，所以理论上存在对两者实施统一控制的可能 性，如果能够实现ＡＰＦ￣［Ｉ光伏并网发电的统一控 制，就可以在同一装置上实现多种功能，有利于 针对上述ＡＰＦ和光伏发电统一控制系统，本 文提出如下控制策略： （１）电网正常时，统一控制系统工作在并网 模式，该模式下系统被控制成一个受控电流源。 系统利用合适的电流跟踪控制方法，按照谐波补 偿和光伏并网合成指令向电网注入电流，以同时 技术推广。 对ＡＰＦ直流侧的控制原理进行分析可知， ＡＰＦ的直流侧电容电压是靠系统自身与电网的能 量交换来维持的，也就是说通过适当的控制可以 利用把直流侧的电能以有功或者无功电流的形式 注入到电网。光伏并网发电装置是把光伏阵列的 能量以电压的形式注入到其直流侧，通过对其实 施最大功率点跟踪、并网算法等控制方法，以实 现光伏阵列以最大功率向电网注入电能，实现光 伏电能的有效利用。 实现电流质量治理和光伏并网发电。在谐波补偿 和光伏并网发电容量相冲突时，系统利用蓄电池 组或其它方法对两者进行容量协调，以保证装置 的安全稳定工作。 （２）在电网因故障中断时，系统快速从并网 工作模式转换到工作模式对重要负载实施电力中 断补偿功能，此时系统相当于从一个受控电流源 转变成一个受控电压源，保证重要负载不问断地 工作，同时系统把装置本身和重要负载切离电网， 以防止孤岛效应发生。 按照上述思想对两种装置进行合并实施统一 控制，ＡＰＦ与光伏并网发电统一控制系统示意图 如图２： （３）当电力恢复时，系统通过锁相环节调整 系统与电网相位同步，然后转换到并网模式继续 工作。此时系统相当于从受控电压源转换回受控 电流源，继续进行谐波补偿和光伏并网发电。在 两种工作模式的转换过程中采取适当的方法保证 负载端电压幅值和相位的连续性。 图２ ＡＰＦ与光伏并网发电统一控制系统 （４）根据系统的整体性能和安全稳定工作的 上述的ＡＰＦ与光伏并网发电统一控制系统可 以集谐波与无功电流补偿和光伏并网发电于一 需要，系统还需要具有软启动、电力中断检测、 电网电压锁相、最大功率点跟踪控制和光伏充电 ５ 船电技术Ｉ电力系统 等技术作为系统正常工作的技术保障。 ４谐波检测和光伏并网发电的合成算法 统一控制系统的关键技术之一是无功和谐波 电流的检测。谐波电流的检测采用ｉｐ—ｉ 法。该 方法不直接使用三相电网电压进行功率计算，而 是通过锁相环（ＰＬＬ）获取Ａ相电网电压的相位，然 后产生标准的正、余弦信号进行瞬时有功、无功 电流的计算。根据定义可以计算出 、 ，经低通 滤波器后得出其直流分量 、 。然后经过反变 器件的离散性带来的测量误差。 统～控制系统系统的关键技术之二是光伏阵 列的最大功率跟踪。光伏阵列的输出功率与阵列 工作电压具有强烈的非线性，虽然光伏阵列的 ＭＰＰＴ实现方法已经有相当长的研究历史和众多 文献介绍，如功率回授法、电导增量法、间歇扫 描法等，但理论方法和仿真结果的成功并不能表 示其在实际应用中能够获得一致性的满意效果， 本文提出了基于神经网络的最大功率跟踪法，并 对其进行了详细讨论，仿真实验表明其具有良好 的最大功率跟踪特性 Ｊ。 换可以求出 ｒ、ｆ６ ｆ。，，再与ｉ ｉ 。作差，就可 电流检测及指令电流的合成原理框图如图 得到谐波分量 、 、 。基于三相瞬时无功功 ３。图中数字锁相环ＰＬＬ跟踪Ａ相电网电压的相 率理论的瞬时无功和谐波电流检测方式具有良好 位保证电流检测精度。图３中，Ｋ断开时检测结 的实时性，而采用数字信号处理器ＤＳＰ作为控制 果中包含负载的无功和谐波电流，Ｋ闭合时算法 中心，其运算能力和速度可以满足系统的实时检 只检测负载中的谐波电流含量，与并网指令电流 测要求，并大大减少硬件电路的复杂性，避免了 合成，得到谐波补偿和并网发电电流的合成指令。 图３谐波、无功检测及其与并网指令合成算法示意图 ５具有ＡＰＦ功能的光伏并网发电控制系 统的仿真实现 《 一 蟋 — 图４（ｂ）具有ＡＰＦ功能的系统仿真波形 系统仿真运行结果如图４所示。图中，厶为电 图４（ａ）不具有ＡＰＦ功能的系统仿真波形 网Ａ相电流，厶ｃ为负载无功电流，ｌｅ 伏发电系 统输出电流。系统运行过程中，０．０３ ｓ光伏发电系 上文对无功和谐波检测方法以及指令电流的 统并网开关合上，０．０７ ｓ容性无功负载突加，０．１ ｌ 合成算法进行了详细的分析，为了验证所提控制 Ｓ阻性负载突减。图４（ａ）为不具有有源电力滤 策略的有效性，根据图２所示的ＡＰＦ与光伏并网 波器功能的光伏发电系统的仿真波形，图４（ｂ） 发电统一控制系统，使用仿真软件ＭＡＴＬＡＢ／ 为具有有源电力滤波器功能的光伏发电系统的仿 ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了系统模型。 真波形。从图中可以看出，当负载无功电流没有 ６ 船电技术ｌ电力系统 突加时，电网电流和光伏发电系统输出电流同相， 系统输出功率因数为１。当负载无功电流突加时， 不具有有源电力滤波器功能的光伏发电系统的输 出电流中不含有无功电流补偿分量，无功电流直 接输入电网；含有有源电力滤波器功能的光伏发 电系统的输出电流中含有无功电流补偿分量，输 并由此建立了有源电力滤波器和光伏并网发电的 统一控制系统。在分析比较现有算法的基础上， 建立了有源电力滤波器和光伏并网发电的统一控 制系统模型，用仿真验证了该控制方法的有效性。 参考文献： ［１】 陈国柱，吕征宇，钱照明．有源滤波器的一般原理 及应用［Ｊ］．中国电机工程学报，２０００，２０（９）：１７．２１． ［２］ Ｊ．Ｄｉｎｇ，Ｘ．Ｃｈｅｎｇ，ａｎｄ Ｔ．Ｆｕ，Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｔａｎｃｅ ａｎｄ Ｐ－Ｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ， 入电网电流的功率因数为１。同时，当阻性负载变 化时，输入电网电流只是幅值变化，系统能够稳 定运行。 ６结论 具有ＡＰＦ功能的光伏并网发电控制系统的研 究是光伏并网发电技术的一个重要研究方向，它 包含并网发电和有源滤波等电力变换技术两大应 用领域。本文全面、深入地分析了有源电力滤波 器和光伏并网发电系统的工作机理和数学模型， Ｖａｃｕｕｍ，７７（２）：１６３—１６７，Ｊａｎ．２００５． ［３］ Ｎ．Ｆｅｍｉａ，Ｇ Ｐｅｔｒｏｎｅ，Ｇ Ｓｐａｇｎｕｏｌｏ，ａｎｄ Ｍ．Ｖｉｔｅｌｌｉ， Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｒｔｕｒｂ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０（４）：９６３—９７３，Ｊｕ１．２００５． ［海装动态］ ● ＲＯＬＬＳ．ＲＯＹＣＥ公司的ＭＴ３０动力的透 平发电机组实现全功率运行 ２０１０年１２月９日报道，Ｒｏｌｌｓ—Ｒｏｙｃｅ实现了 ・混合电力驱动（ＨＥＤ）推进系统用在美 国海军水面战舰上 ２０１０年１２月１日报道，美国ＤＲＳ技术有限 公司的电力技术试验室在为美国海军水面战舰用 的混合驱动电力推进系统的测试和配置方面迈进 了一大步，专家认为这种舰艇有潜力每年节省数 千桶燃料。ＤＲＳ的工程师们已完成了公司的混合 电力驱动（ＨＥＤ）永磁电动机的试验，它是美国 海军的Ａｒｌｅｉｇｈ Ｂｕｒｋｅ—ｃｌａｓｓ（ＤＤＧ ５１）驱逐舰的 ＨＥＤ系统样机的关键部件。通过２００９年７月海 军海上系统指挥部（ＮＡＶＳＥＡ）所授予的一项合 同，ＤＲＳ与ＧＡ公司合作提供概念验证的ＨＥＤ 系统。这项最新的发展里程标扫清了集成和测试 永磁电动机和ＨＥＤ系统变频器（也由ＤＲＳ制造） 的道路。该系统的集成满负载试验包括控制接口， 随后将在ＧＡ公司的实验室，然后交付给海军的 其首台交付给美国海军的ＭＴ３０动力的主透平 发电机组产品的满功率运行。交付给美国海军的 ＤＤＧ．１０００、ＵＳＳ Ｚｕｍｗａｌｔ计划的ＭＴ３０已经在 费城的海军陆基试验场的试验期间实现了３６ Ｍｗ下的满功率运行。美国海军的ＤＤＧ一１０００计 划的这项选择，标志着美国海军订购的首台大型 燃气轮机发动机能用于发电机组中，为推进和全 船系统提供电力。 研发ＭＴ３０是为了满足海军对３４—４０ Ｍｗ范 围的更高功率燃气轮机的要求，它能配置在机械 驱动或发电机驱动中。ＭＴ３０通过在一个紧凑的 空间中发出高输出而实现高功率密度，这在海军 推进系统中是一个关键因素。 Ｌｏｃｋｈｅｅｄ Ｍａｒｔｉｎ也选择了ＭＴ３０用于近海战 斗舰艇计划。该级艇的第一艘ＵＳＳ Ｆｒｅｅｄｏｍ号有 两台ＭＴ３０，作为柴燃混合结构的一部分，为 Ｒｏｌｌｓ—Ｒｏｙｃｅ的喷水推进器提供动力。ＭＴ３０还被 英国皇家海军新型航母Ｑｕｅｅｎ Ｅｌｉｚａｂｅｔｈ选中，如 费城陆基工程试验场，２０１１年春天进行测试。 美国海军和工业专家将安装ＨＥＤ系统到弹 道导弹驱逐舰ＵＳＳ Ｔｒｕｘｔｕｎ（ＤＤＧ １０３）上，于２０１２ 年进行海上验证。该ＨＥＤ将在低速下给舰艇提 供动力，永磁电动机与舰艇的主减速齿轮结合， 使得舰艇减少主燃气轮机设备的运行时间。 混合电力船舶推进系统将安装到弹道导弹驱 逐舰ＵＳＳ Ｔｒｕｘｔｕｎ（ＤＤＧ １０３）上，于２０１２年进行 海上验证。 同Ｚｕｍｗａｌｔ号那样，该航母将得益于综合全电力 推进。 ７
