光伏发电系统SPWM逆变电源谐波的抑制技术

光伏发电系统 SPWM 逆变电源谐波的抑制技术曹太强 1， 许建平 1， 徐顺刚 1， 2（ 1. 西南交通大学 电气工程学院 ， 四川 成都 610031；2. 重庆师范大学 物理学与信息技术学院 ， 重庆 400047）摘要 对光伏发电系统的 SPWM 逆变电源产生谐波的原因进行了分析 ， 设计了一种新型无源三相三角形 - 带通滤波器 ， 该滤波器将 LCL 串联装置并联在主电路中 ， 通过仿真数据选取最佳的 LCL 参数 ， 并与阻波器串联以共同抑制光伏系统产生的谐波 。 理论分析 、 仿真和实验研究结果表明 ， 该三相三角形 - 带通滤波器能有效抑制光伏发电系统中的 3 ～ 19 次等谐波 ， 谐波总含量从 31.5 减小到 3.1 。关键词 光伏发电 ； 谐波分析 ； 逆变器 ； 三角形 - 带通无源滤波器 ； 交流纹波中图分类号 TM 741 文献标识码 A 文章编号 1006 － 6047（ 2011） 06 － 0020 － 03收稿日期 2010- 05- 20； 修回日期 2011- 04-1 8基金项目 国家自然科学基金资助项目 （ 50677056）Project supported by the National Natural Science Founda-tion of China（ 50677056）电 力 自 动 化 设 备Electric PowerAutomation EquipmentVol ．31 No.6Jun.2011第 31 卷第 6 期2011 年 6 月50250U／V200 400 600 800f ／ Hz图 2 光伏发电 SPWM 逆变电源的频谱图Fig.2 Spectrum of PV SPWM inverter0 引言光伏发电系统中的逆变电源 （ DC ／ AC） 产生的谐波是影响光伏发电系统正常运行的主要干扰源 ［ 1］ 。逆变电源产生的 3 ～ 20 次谐波在光伏发电 SPWM 逆变电源中含量比较大 （ 由于主电路设计不同 ， 有些电路 3 次谐波含量很少 ）， 必须进行有效的抑制 ， 系统才能稳定 、 可靠运行 。 理论上有源滤波器虽然可以有效地抑制谐波 ， 但由于其技术复杂 、 成本较高 ， 而未能获得广泛应用 。 在实际应用中 ， 由于无源滤波器成本低 ， 相对于有源滤波器更加稳定 、 可靠 ［ 2］ ， 无源滤波器既可以抑制谐波 ， 也可以进行无功补偿 ， 因此 ，无源滤波器在治理谐波方面仍起着重要作用 ［ 1- 5］ 。逆变电源输出电压的谐波不仅与其控制算法有关 ， 而且还受逆变器开关频率 、 负载参数等因素的影响 ， 即使在设计时尽量减小谐波含量 ， 系统中也仍存在大量的谐波成分 。 本文分析了光伏发电系统 SPWM逆变电源的原理 ， 研究了光伏发电 SPWM 逆变电源三相交流电的谐波抑制方法 ， 设计了一套新型的三角形 - 串并联带通无源滤波器 ［ 3 - 4］ ， 实验证明该方法可以取得满意的滤波效果 。1 光伏发电三相 SPMW逆变电源谐波分析图 1 为光伏发电逆变电源 SPWM 仿真波形 ， ur为调制波 ， uc 为三角波载波 ， ur 和 uc 比较得 到 开 关管触发波形 ug， 根据面积等效原理可得出线电压 uab。由图 2 的频谱分析结果可知 ， 3 ～ 13 次奇数谐波含量成分较多 ， 实际的光伏系统中各次谐波都存在 ，有些谐波成分含量较低 。 在工程应用中 ， 由于采样时刻的误差以及开关管死区时间的影响 ， 谐波还更加严重 。 上述谐波成分中 ， 其他高次谐波可以很容易地由主电路的 LC 滤波电路滤除 ， 但是 3 20 次左右的谐波要用专用的滤波电路进行滤波 。2 新型无源滤波器光伏发电系统谐波的抑制可分为预防性和补救性两类 。 预防性抑制是在设计光伏发电系统时采用有效的过程和方法来控制开关管 ， 降低光伏发电系统的谐波 ； 补救性抑制是采取措施克服系统已经存在的谐波成分 。 目前 ， 补救性抑制方法主要是采用滤波器 （ 无源滤波器 、 有源滤波器 ）。 有源滤波器在国内外已有相当多的文献进行了研究 ， 但是有源滤波器100- 10ur，uc／V uc ur200- 20ug／V0- 400uab／V40050 55 60 65 70 75 80t ／ ms图 1 光伏发电逆变电源 SPWM 仿真波形图Fig.1 Simulative waveforms of PV SPWM inverteruab在实际工程中的应用还存在系统谐波含量的实时检测 、 抵消谐波的实时产生等很多有待解决的问题和困难 ， 此外 ， 由开关器件构成的有源滤波器自身也会产生谐波 。 因此 ， 从制作成本和控制方法的有效性和可靠性出发 ， 无源滤波器仍是非常适用的 。 传统无源滤波器是针对某一特定的频率滤波 ， 如果要滤出多频率的谐波 ， 要单独设计滤波器 ， 这样成本高 、 体积大 ，为此 ， 本文在传统滤波器的基础上设计了一种新型滤波器 ， 通过理论和仿真分析了该滤波器的特点 ［ 8 - 15］ 。2.1 无源滤波器设计传统的无源滤波器很难同时抑制一定频率带宽的谐波 。 在太阳能发电 SPWM 逆变电源系统中 ， 3 ～20 次谐波含量较大 ， 其他高次谐波成分能量少 ， 并且高次谐波成分可以通过主电路的 LC 滤波器进行抑制 ， 不会影响系统的正常工作 。 本文针对光伏发电系统逆变器的工作特点 ， 设计出一种新型的三角 形 -串并联无源滤波器装置 ， 如图 3 所示 。 该滤波器电容采用三角形接法 ， 这样既能减小电容的电容值和耐压 ， 还能很好地抑制 3 次倍的谐波 。 它能在一个频率段提供一个低阻抗 ， 从而滤掉该频率段的谐波 ， 而不需要在每一个谐波谐振点都用一个滤波器装置 。 因此 ， 图 3 所示的滤波器降低了成本 ， 容易实现 ［ 4 - 8］ 。2.2 理论分析图 3 所示滤波器中电感 L 是 串 联 在 主 电 路 中的 ， 对谐波而言是一个阻波器 。L 与 L 1C1、 L 2 C2 共同组成带通滤波器 ， 对系统中的高次谐波形成低 阻 抗 通 道 。 图 3 所 示的 三 角 形 - 串 并 联 带 通 无 源滤波 器 可 以 化 简 成 如 图 4 所示的单相 Y 阻抗电路 。图 4 的阻抗为式 （ 1）， 为了给不同频率的高次谐波提供一个低通道的阻抗 ， 必须满足式 （ 1） 的分子为零 ， 如式 （ 2） 所示 ， 根据式 （ 2） 可以计算出不同的谐波次数 。Z - j 9 ω4L1 L2C1C2- 3ω 2［ L 2C2＋ L1（ C1＋ C2）］ ＋13ω 2（ C1＋ C2－ 3ω 2L2 C1 C2） （ 1）9ω 4L 1L2C1C2－ 3ω 2［ L 2C2＋ L 1（ C1 ＋ C2）］ ＋1 ＝ 0 （ 2）Hn ω2π 50 ω2π 50 2 9 L1 L2C1C23L2C23L 1（ C1 ＋ C2） ＋ ［ 3L2C2 ＋3L1（ C1＋ C2）］2－ 4 9 L1L 2C1C22 9 L1L 2C1C21 ／ 2 1 ／ 2（ 3）其中 ， ω 为角频率 ， Hn 为谐波次数 。2.3 仿真结果可以看出 ， 只要选择合适的电感 、 电容值 ， 就能得到一定的谐波次数 ， 即满足式 （ 1） 中 Z 在该谐波次数范围内接近为零阻抗 ， 因此该滤波器为一个带通滤波器 。 根据式 （ 3）， 以 L1 L2 0.72 mH、 C1 和 C2 均从 1 800 μ F 变化进行仿真 ， 结果见图 5； 再以 C1 31 μ F、 C2 12.5 μ F、 L1 从 10 18 mH 变化以及 L2 从0.1 18 mH 变化进行仿真 ， 结果见图 6。 从图 5 和图6 可见 ， L1、 L 2、 C1、 C2 取一定的参数值时 ， 能使谐波次数 Hn 在 0 ～ 19 次范围内满足式 （ 1） 接近为零阻抗 ， 即在图 7 中的滤波器为一 个 在 一 定 频 率 范 围 内 的 低3 C1 3 C2L2L1Z图 4 单相阻抗电路图Fig.4 Single-phaseimpedance scheme图 3 三角形 - 串并联带通无源滤波器框结构Fig.3 Structure of △ series parallelband-pass passive filterL1C1 C2L 2无源滤波器电网L20151050Hn201005 1015 20L 1 ／ mHL2 ／ mH图 6 C1、 C2 固定时 L1、 L2、 Hn 的仿真波形Fig.6 Simulative waveforms of L1， L 2 and Hnwith constant C1 and C220151050Hn1.00.500.2 0.40.6 0.8C1 ／ mFC2 ／ mF图 5 L1、 L2 固定时 C1、 C2、 Hn 的仿真波形Fig.5 Simulative waveforms of C1， C2 andH n with constant L1 and L280- 20- 120Z／Ω0 250 500 750 1 000f ／ Hz图 7 无源带通滤波器仿真频率 - 阻抗图Fig.7 Simulative frequency-impedance curvesof passive band-pass filterH 1 H2H 3 H4ω 1ω 2ω 7ω 5ω 3ω 4 ω 6曹太强 ， 等 光伏发电系统 SPWM逆变电源谐波的抑制技术第 6 期通道阻抗 ， 达到该谐波频率内的滤波效果 ［ 7- 8］ 。3 实验数据开关频率的 20 次以上的谐波由串在主电路的LC 和控制算法抑制 ， 而 3 ～ 20 次谐波通过并联在主电路上的三角形 - 带通无源滤波器进行滤除 ， 从而降低光伏发电系统输出的三相正弦波谐波成分 ， 以达到并网的指标要求 。 表 1 为滤波器中 L、 C 的数据 。按照图 8 接线方法 ， 对 60 kW 的 SPWM 逆变电源进行了测试 ， 没有安装滤波器时的谐波含量达到31.5 ％ ； 安装滤波器后的谐波含量仅为 3.1 ％ ； 实验结果表明该滤波器达到了非常好的效果 。4 结论本文通过对光伏发电系统逆变部分谐波产生的原因进行了研究 ,设计了一套针对 3 ～ 20 次谐波进行抑制的三相三角形 - 带通滤波器 ， 所设计的滤波器成本低 ， 能够根据 SPWM 逆变器功率的大小计算 L、C 参数值 ， 同时也能针对性地抑制系统中其他高次谐波 。 仿真和实验结果说明了该技术方案的正确性和有效性 ， 该技术方案能提高功率因数 ， 减小交流电压的纹波 。 本文的设计方法同样可用于设计单相无源滤波器 。参考文献 ［ 1］ 王正仕 ， 陈辉明 . 具有无功和谐波补偿功能的并网逆变器设计 ［ J］ .电力系统自动化 ， 2007， 31（ 13） 67-71.WANG Zhengshi， CHEN Huiming. 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IEEE Tran -sactions on Power Delivery ， 2005， 20（ 2） 1507 -1513.（ 编辑 柏英武 ）作者简介 曹太强 （ 1969- ）， 男 ， 四川富顺人 ， 博士 ， 主要从事大 功 率开关变换器及光伏发电 、 电力电子与电力传动的研究 （ E-mail c-t-q815163.com）；许 建 平 （ 1963 - ）， 男 ， 贵 州 贵 阳 人 ， 教 授 ， 博 士 研 究 生 导师 ， 研究方向为电力电子与电力传动系统分析和控制技术 ；徐顺刚 （ 1975- ）， 男 ， 重庆人 ， 博士研究生 ， 主要从事大功率开关变换器 、 电力电子与电力传动的研究 。（ 下转第 49 页 continued on page 49）L ／ mH 2.12 2.22 2.82L1 ／ mH 2.00 2.10 2.56L2 ／ mH 2.50 2.46 3.12C1 ／ μ F 30（ 1 000 VDC 640 VAC）C2 ／ μ F 16（ 1 000 VDC 640 VAC）元件 计算值测试值无负载 有负载表 1 滤波器装置 L、 C 数据Tab.1 L and C parameters of filterDC ／ DC和DC ／ ACT△ ／ Y滤波器负载图 8 光伏发电系统滤波器安装接线图Fig.8 Wiring diagram of PV SPWMinverter with filter第 31 卷电 力 自 动 化 设 备Tracking controller of D-PMSG chaos motionWANG Lei， LI Yinghui ， LU Guoliang， ZHU Xihua（ Engineering Institute ， Air Force Engineering University ， Xi ’ an 710038， China）Abstract The parameter change under certain conditions may induce the D-PMSG（ Directly driven PermanentMagnet Synchronous Generator） to operate in chaos motion condition， which threatens the stable operation ofwind power generation system. A tracking controller is designed for it. A simplified mathematical model ofD-PMSG is established and the chaos behaviors of D-PMSG are analyzed by the strange attractor andbifurcation diagram. The nonlinear D-PMSG chaotic system is modeled based on T-S fuzzy model. The localdynamic behavior of D-PMSG is presented by the fuzzy statement based on linear model and these linearmodels are integrated by the fuzzy membership function to form the global fuzzy model. A tracking controlleris designed with the parallel distributed compensation method to stabilize the chaos motion. Simulative resultsdemonstrate that the tracking controller effectively eliminates the chaos motion with quick response andexcellent control effect.Key words synchronous generators； chaos motion； D-PMSG； T-S fuzzy model； tracking control跟踪控制 ［ J］ . 电网技术 ， 2008 ， 32（ 10） 11-15.YAO Jun， LIAO Yong， QU Xinghong， et al. 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School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031， China； 2. College of Physics and Information Technology，Chongqing Normal University， Chongqing 400047， China）Abstract The causes of SPWM inverter harmonics are analyzed and a three-phase delta-band-pass filter isdesigned， which connects the LCL series device with the main circuit in parallel. The optimal LCL parametersare selected according to the simulative data. In series with the line trap， the harmonics produced by PV systemare suppressed. Theoretic analysis， simulation and experiment show that， the designed three-phase delta-band-pass filter restrains the 3rd～ 19th harmonics and the total harmonic content is reduced from 31.5 to 3.1 .Key words photovoltaic power； harmonic analysis； electric inverters； delta-band-pass passive filters ；current ripple