电力毕业论文有源滤波器在光伏电源谐波抑制中的应用

本科毕业设计（论文）有源滤波器在光伏电源谐波抑制中的应用信瑞飞燕山大学2015年6月本科毕业设计（论文）有源滤波器在光伏电源谐波抑制中的应用学院电气工程学院专业电力系统及其自动化学生姓名信瑞飞学号110103030049指导教师王珺答辩日期2015年6月27日燕山大学毕业设计（论文）任务书学院电气工程学院系级教学单位电力工程系学号110103030049学生姓名信瑞飞专业班级11电力1班题目题目名称有源滤波器在光伏电源谐波抑制中的应用题目性质1理工类工程设计（）；工程技术实验研究型（）；理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）2文管理类（）；3外语类（）；4艺术类（）题目类型1毕业设计（）2论文（）题目来源科研课题（）生产实际（）自选题目（）主要内容1光伏电源的建模及谐波产生机理的分析；2使用有源滤波器进行光伏电源谐波抑制的研究；3算例仿真与计算结果分析。基本要求1遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑，严格按照进度计划完成毕业设计任务，并独立完成设计任务；2设计说明书一份（不少于24万字），要求有不超过300字的中、英文摘要；查阅文献15篇以上（必须有外文文献），英文资料翻译不少于5千汉字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合电气工程学院本科生学位论文毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准。参考资料1张兴,曹仁贤太阳能光伏并网发电及其逆变器控制M北京机械工业出版社，201092李绍慈有源滤波器在光伏并网发电系统中的应用研究D辽宁工业大学硕士学位论文，2014年3月3与光伏电源、逆变器、有源滤波器、谐波抑制相关的文献、资料。周次第14周第57周第812周第1315周第1617周应完成的内容查找相关资料,课题研究背景与现状；准备开题报告；光伏电源的建模及谐波产生机理的分析；使用有源滤波器进行谐波抑制的研究；算例仿真与计算结果分析整理论文思路并撰写论文，绘图、准备答辩。指导教师王珺职称讲师年月日系级教学单位审批贾清泉年月日摘要I摘要本文以选定的光伏并网发电系统为研究对象，分析该系统产生的谐波，据此设计了滞环比较控制的混合型有源滤波器，消除光伏并网发电系统的产生的谐波。本文主要的研究内容如下首先，介绍了光伏发电系统的分类、组成以及拓扑结构，深入分析了光伏并网发电系统中逆变器和负载产生的谐波，并推导了SPWM控制光伏逆变器产生的各次谐波含量表达式。其次，分析有源滤波器的结构、原理及相应控制方法。与传统的控制方法相比，滞环比较控制方法使控制电路结构简单，易于实现，响应速度快，抗干扰能力强。选用滞环比较控制作为有源滤波器的控制策略，推导滞环比较控制的单相和三相有源滤波器的控制方程表达式并建立数学模型。最后，将滞环比较控制的并联有源滤波器应用到光伏并网发电系统中，设计有源滤波器的参数。设计其电路模型，并使用MATLAB/SIMULINK进行仿真，验证了滞环比较控制的并联有源滤波器能对光伏并网系统中谐波进行有效地消除。关键词光伏发电系统；并网；有源滤波器；滞环比较控制；谐波抑制燕山大学本科生毕业设计（论文）IIABSTRACTFORTHESTUDYOF,HARMONICPRODUCEDFROMTHISSYSTEMISANALYZEDHYSTERESISCONTROLHYBRIDACTIVEPOWERFILTERISDESIGNEDHARMONICGENERATEDFROMGRIDCONNECTEDPVSYSTEMISELIMINATEDTHEMAINCONTENTSAREASFOLLOWSFIRSTLY,THECLASSIFICATION,COMPOSITIONANDTOPOLOGYOFPHOTOVOLTAICSYSTEMSAREINTRODUCEDHARMONICPRODUCEDBYGRIDCONNECTEDPVSYSTEMINANDTHELOADISDEEPTHANANALYZEDEACHHARMONICCONTENTEXPRESSIONGENERATEDFROMPVINVERTERBYSPWMCONTROLISDEDUCEDSECONDLY,THESTRUCTURE,PRINCIPLEANDTHECORRESPONDINGCONTROLMETHODAREANALYZEDBYCOMPRISINGWITHTRADITIONALCONTROLMETHODS,HYSTERESISCONTROLMAKINGTHECONTROLCIRCUITSTRUCTURESIMPLEANDIMPLEMENTEASYANDRESPONSEFASTANDANTIJAMMINGCAPABILITYSTRONGHYSTERESISCONTROLISSELECTEDASCONTROLSTRATEGYOFACTIVEPOWERFILTEREQUATIONSEXPRESSIONSOFSINGLEPHASEANDTHREEPHASEACTIVEFILTERINHYSTERESISCONTROLAREDEDUCEDANDMATHEMATICALMODELISESTABLISHEDFINALLY,SHUNTHYBRIDACTIVEPOWERFILTEROFHYSTERESISCONTROLISAPPLIEDINGRIDCONNECTEDPVSYSTEMSPARAMETERSOFPASSIVEFILTERANDACTIVEPOWERFILTERAREDESIGNEDCIRCUITMODELISDESIGNEDANDSIMULATEDBYMATLAB/SIMULINKTHERESULTSSHOWTHATHARMONICINGRIDCONNECTEDPVSYSTEMSCANBEELIMINATEDBYSHUNTHYBRIDACTIVEPOWERFILTEROFONECYCLECONTROLWITHONECYCLECONTROLOFSHUNTHYBRIDACTIVEPOWERFILTERAPPLIEDTOGRIDCONNECTEDPVSYSTEMS,THISPAPERDESIGNEDITSCIRCUITMODELANDSIMULATIONWITHMATLAB/SIMULINKFILTERDESIGNINTHISARTICLEISVERIFIEDWITHGOODFILTERINGCAPABILITYANDITCANMEETTHENEEDSOFGRIDCONNECTEDPVSYSTEMSKEYWORDSPVSYSTEMGRIDCONNECTEDACTIVEPOWERFILTERHYSTERESISCONTROLHARMONICRE目录III目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112光伏并网发电系统滤波器的研究现状3121光伏并网发电系统的电能质量问题3122国外光伏并网发电系统滤波器的研究现状4123国内光伏并网发电系统滤波器的研究现状513本文主要工作514本章小结6第2章光伏并网发电系统的谐波问题721发电系统的分类和组成7211光伏并网发电系统的拓扑结构822光伏并网发电系统中谐波分析10221光伏逆变器产生谐波分析10232光伏发电并网系统中非线性负载产生的谐波分析1224本章小结13第3章光伏并网发电系统的滤波方案1431光伏并网发电系统的消除谐波方法14311主动治理谐波14312被动治理谐波15313受端治理谐波1732光伏并网发电系统滤波方案18321有源滤波器18322总体滤波方案2433小结24第4章有源滤波器检测方法与控制方法25燕山大学本科生毕业设计（论文）IV41有源滤波器谐波检测方法2542有源滤波器控制方法2644有源滤波器的参数2845小结30第5章系统仿真分析3151系统仿真模型建立31511光伏并网系统仿真模型31512有源滤波器仿真模型32513控制部分仿真模型33514检测部分仿真模型33515整个系统仿真模型3452系统仿真分析35结论37参考文献38致谢40第1章绪论1第1章绪论11课题背景随着人类社会的快速发展，人类对能源的需求量越来越大。地球早前储存着丰富的化石能源，但是人类社会的发展消耗了大量能源，并且基本由开采这些化石能源提供，尤其二十一世纪工业的迅猛发展，使得化石能源在二十一世纪迅速减少，几乎枯竭。此外，由于大量燃烧化石能源，世界范围绿化面积减少，使得空气污染严重，人类生活环境严重破坏。与此同时，化石能源的燃烧，排放了大量的二氧化碳，导致全球气候变暖。而世界各国经济仍在快速发展，所以世界范围内能源消耗也会不断地增长。若仍然依靠化石能源，必将加剧气候变暖，危机人类生存。为了解决全球气候变暖问题，世界各国政府共同商议，采取了具体措施，制定了相关的节能减排的政策12。现如今，人类社会正面临着严峻的考验，包括化石能源的缺乏，生存环境的严重破坏。而且如果现在不予以重视并采取有效措施解决，人类生活将举步维艰。因此，世界各国必须大力发展可再生能源，改变能源消费方式，走可持续发展的道路。由于化石燃料将近枯竭、能源方面科技进步和人类生存环境的污染，依靠燃烧化石燃料的电力生产应用正在逐步转变，世界各国都在大力发展光伏发电技术，是利用太阳能发电的一种重要形式。光伏发电与传统的化石能源发电技术相比，具有一系列优势1）发电原理先进，既省去热能到机械能，机械能到电磁能等中间过程，直接完成从光子到电子的转换，发电形势极为简洁。所以光伏发电效率非常高，最高可达80以上。这是以往燃烧化石能源发电所不能达到的。2）太阳能资源不受地域限制，世界范围内无处不在，不用担心垄断问题。而且取之不尽，用之不竭，发电过程中不产生污染物，属绿色能源。既具有无限和环保特性。3）没有机械转动部件，不会发生机械磨损，没有噪声。4）光伏发电装置采用模块化结构，非常易于建造安装、拆卸转移。整个设施规模大小随意，使用灵活。燕山大学本科生毕业设计（论文）25）光伏发电装置磨损少，性能稳定、可靠，使用寿命长。6）光伏电站可实现无人值守，维护和管理成本低。由于太阳能光伏发电不受能源资源、原材料和应用环境的限制，具有广阔的发展前景，是各国目前及以后都要大力发展的可再生能源技术。欧洲联合研究中心对光伏发电的未来发展作出如下预测2020年世界太阳能发电的发电量占世界总能源需求的1，2050年占到20，2100会超过5034。由此，我们可以做出总结太阳能光伏发电是未来世界能源和电力的主要来源，世界各国要坚定不移的发展。世界光伏产业由于化石能源的短缺和人类生存环境的日益恶化，得以快速发展，光伏发电的设施规模也在不断扩大，中小型光伏系统越来越多。与此同时，人民生活水平逐渐提高，对电力能源的需求越来越大、越来越多元化，促使光伏并网系统中必须使用大量的非线性负载，这些非线性负载带来了许多电能质量问题。与城市中心的大型供电网络相比，这些中小型光伏系统供电和输电的能力均比较强，所以负载的无功功率对电网供电质量没有什么影响。但是，距城市中心电网距离较远的边缘末梢地区在光伏发电系统只提供有功电能的情况下，负载的无功电流会较大程度影响电网的供电电压，进一步影响共同使用这一电网传输电能的众多用户。电力电子装置是电网中主要的谐波源，随着科技的进步，电力电子器件的应用日益增多，因此，这些器件对电网造成的谐波污染也日益严重。还有一个重要方面，很多电力电子器件，功率因数低，对电能质量影响大，给电网增加了更多的负担。因此，抑制谐波在光伏发电系统中越来越重要。本文研究有源滤波器在光伏并网系统谐波抑制中的应用问题具有十分重要的实际意义。光伏并网发电系统中，如果并入公共电网前不加滤波器，会导致公共电网的电能质量大幅度下降，所以光伏发电系统在并入电网前必须经过滤波器。滤波器能起到很多功能，锁定相位，调节整个系统的无功功率，滤除系统中的谐波电流。滤波器可以影响到光伏并网发电系统电流的特性，系统的损耗，电压的浮动等各个方面。光伏并网中的滤波器可以起到如下几个主要作用将高频电力电子开关元件产生的谐波电流滤除，使光伏并网逆变器产生运行需要的正弦电流；使第1章绪论3光伏并网系统能够通过反馈控制输出电流的幅值及相位，以便使其更好的并入电网；可以把滤波器当作电网中的无功功率电源，向电网输送相应的无功功率，从而实现无功功率平衡，实现降低损耗，继而维持系统电压稳定；提高整个系统的鲁棒性，令其具有阻尼特性。目前，传统的滤波装置是无源滤波器。无源滤波器具有成本低，组成结构简单的优势，在电力系统中得到了广泛应用。但是有源滤波器谐波补偿效果不理想，只能补偿少数特定次数的谐波，而且易产生谐振，产生一定的谐波电流，使有源滤波器过载严重时特别容易烧毁，导致电网供电质量下降，严重影响整个系统稳定性。本课题重点研究的有源滤波器即APF在消除谐波方面有无源滤波器无法比拟的优点，是一种较理想的谐波治理手段，非常适合用于光伏并网发电系统中。12光伏并网发电系统滤波器的研究现状121光伏并网发电系统的电能质量问题光伏并网发电系统由以下几部分组成光伏电池组，光伏电池控制器，蓄电池，逆变器等，系统中最重要的部件是逆变器。逆变器通过合理控制电力电子开关元件，把光伏电池组由太阳能转化为电能而产生的直流电转变成交流电，然后并入电网，并网的过程中就会产生谐波，还有直流量注入等问题，导致电能质量下降。光伏并网发电系统中谐波产生的危害，主要有以下几个方面（1）可能会导致光伏并网发电系统中有功功率、无功功率平衡的破坏，使光伏发电系统的安全运行受到威胁。（2）谐波过大时可能会影响分布式电源并入电网、换相，导致并网失败。（3）谐波有时会导致光伏发电系统产生谐振，从而造成过电流，过电压，引发系统事故。（4）干扰通信信号，使系统地区不能正常通信，甚至还会破坏通信设备，威胁人员的安全。（5）谐波发出的噪音损害工作人员的健康。（6）使电能计量误差增大，影响电能表的正常使用。燕山大学本科生毕业设计（论文）4（7）使设备绝缘老化加快，使用寿命缩短。（8）引起设备保护元件的误操作。谐波很容易引起光伏并网发电系统发生故障和事故，这使系统的正常稳定运行受到严重威胁。电力行业人员越来越重视谐波产生的危害，为了保障光伏并网发电系统的正常稳定的运行，有必要进行光伏并网发电系统谐波治理的研究，尤其是有源滤波器在光伏电源谐波抑制中的应用。122国外光伏并网发电系统滤波器的研究现状在发明有源滤波器之前，基本采用无源滤波器滤除电网中的谐波电流。无源滤波器滤波的原理是利用LC串联谐振电路的低阻抗特性，将谐波源产生的滤波电流通过LC串联谐振电路发生“短路”，然后较好的消除该系统中的高次谐波电流，完成滤波。光伏发电技术不断发展，光伏并网发电系统中使用了越来越多的电力电子器件，无源滤波器已经不能满足人们对滤波的要求，有源滤波器的发明带给光伏并网发电系统新的希望。有源滤波器最早是上世纪六十年代末由美国人提出，其理论是在交流电源中注入特定的三次谐波电流，能够有效减少交流电网中的谐波，提高交流电源发出的电流质量，输出的正弦波越标准越好。上世纪七十年代初，日本的科学家详细地阐述了有源滤波器的基本原理。不久，美国的学者提出了一种使用PWM控制的有源滤波器，设计出了其主电路拓扑结构和基本的控制方法。二十世纪八十年代之后，日本科学家提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，推动了有源滤波器的快速发展。几年后，日本人研制出了有源滤波器实验装置，成功地补偿了三相全控整流器所需的无功功率，滤除了其产生的谐波，该实验结果证明了有源滤波器的实用性和可行性。日本对有源滤波器的理论研究力度比较大，且开始时间早，所以日本的技术成熟较早，日本工业发展较早，因此实际应用也广泛。目前全球生产有源滤波器的厂家主要有美国西屋电气公司，日本三菱电机公司，瑞士ABB等。有源滤波器的拓扑结构有各种不同类型，包括串联型，并联型和串并联型。第1章绪论5123国内光伏并网发电系统滤波器的研究现状我国在有源滤波器方面的研究起步较晚，直到二十世纪八十年代末国内才有学者发表了关于APF的文章。二十世纪九十年代初，浙江大学等几所高等大学院校才开始研究APF。因为科技理论落后、工业基础薄弱等方面的限制，尽管在理论上取得一些进展，但是，目前我国还没有将有源滤波器广泛应用到工业领域。随着电力电子技术的发展，以及我国电力部门对电能质量管理力度的加强，APF在进行谐波抑制方面起到越来越重要的作用。随着光伏发电产业的发展壮大，有源滤波器作为消除光伏并网发电系统所产生谐波的重要器件，成为各国电力行业工作者研究的热点。当今，人们对电能质量的要求日益增高，有源滤波器作为谐波消除装置，具有其他滤波装置不能比拟的优点，如下（L）能够快速响应变化的补偿对象；具有自适应功能，可根据系统的需要动态补偿谐波和无功功率。（2）时刻跟踪电网频率，一般不会与电网阻抗发生谐振，有较好的稳定性。（3）若系统要求高标准谐波，只需增加控制难度和复杂度，不需增加经济成本。（4）当系统需要补偿的谐波容量小于有源滤波器的额度容量时，有源滤波器会对谐波进行最大限度的补偿，尽可能的补偿谐波。（5）补偿谐波时有源滤波器不需要太大容量的储能元件，可以实现同时补偿无功功率和谐波，可以连续对无功补偿进行调节。由于APF的以上优点，其成为电力电子应用技术越来越受关注的研究方向，引起越来越多学者的兴趣57。13本文主要工作本文设计了一个光伏并网发电系统，再对其建立数学模型，设计合适参数，分析谐波电流。以该系统为基础，对有源滤波器（APF）在光伏电源中的谐波抑制的应用进行了深入的探讨和研究，本文主要工作如下（1）介绍了光伏并网发电系统的种类和拓扑结构，阐述了MPPT的结燕山大学本科生毕业设计（论文）6构和工作原理，说明了光伏并网发电系统的工作原理及其中谐波产生的原因和危害，并对光伏并网发电系统中各部分产生的谐波类型进行分析。（2）按照光伏并网发电系统谐波治理程度的要求，对各种类型的滤波装置进行分析，比较各自优缺点，详细分析有源滤波器的结构、原理及相应检测和控制方法。比较各种谐波检测方法和APF控制方法，选用合适的方法与有源滤波器结合使用。（3）将选定的检测方法和控制部分结合设计的有源滤波器应用到光伏并网发电系统中，设计其电路模型，根据抑制谐波的要求设计相关参数，并使用MATLAB进行仿真分析，验证有源滤波器抑制光伏并网发电系统中谐波的可行性和正确性。14本章小结本章重点介绍了此次课题研究的背景，既当今全球化石能源将近枯竭，而人类经济水平的高速增长对能源的需求量越来越大，这就要求我们开发新的能源。与此同时，化石能源的燃烧已经导致地球生态环境的严重污染并且排放出的二氧化碳导致了温室效应，所以世界各国必须大力发展可再生能源，改变能源消费模式，走可持续发展的道路。而光伏发电正是一种重要的方式，有源滤波器在其发电系统中有很重要的作用。还介绍了光伏并网发电系统中有源滤波器的研究现状，本文的主要工作等。第2章光伏并网发电系统的谐波问题7第2章光伏并网发电系统的谐波问题光伏并网发电系统主要由光伏阵列，DC/DC变换器，蓄电池组，逆变器等组成。其中，谐波主要由逆变器、非线性负载以及电力电子控制装置等产生。本章对光伏并网发电系统的类型和组成部分进行分析，以及研究各部分产生的谐波。以本课题设计的光伏并网发电系统的谐波实测数据为依托，为有源滤波器的设计提供依据。21发电系统的分类和组成目前，光伏发电系统分为离网型（独立）、并网型和混合型光伏发电系统。图21为离网型光伏发电系统，主要由光伏阵列，DC/DC变换器，蓄电池组，逆变器等组成，光伏阵列产生的直流电经过DC/DC变换后直接为直流负载供电，或者再经过逆变器把直流电转变为交流电，为交流负载供电。离网型光伏发电系统还具有把多余的电能储存在蓄电池中，用于夜间供电的功能。图21离网光伏系统并网发电光伏系统是指将光伏阵列通过太阳光照射产生的直流电，经过DC/DC部分升压和DC/AC部分逆变后，转化为与电网电压频率和相位都一致的交流电，输送到供电电网。光伏并网发电系统可划分为不可调度式并网光伏发电系统和可调度式光伏并网发电系统，分别如图22和图23所示。不可调度式光伏并网发电系统由以下几部分组成光伏阵列、DC/DC变燕山大学本科生毕业设计（论文）8换器和逆变器等810。可调度式系统中配有储能环节，通常使用蓄电池组，这是可调度式光伏并网发电系统与不可调度式的主要区别。可调度式光伏并网发电系统在光伏阵列不能提供电流时可以实现不间断电源的功能，在有重要负载不能间断供电的情况下具有重要意义。容量较大的可调度式光伏并网发电系统可以按照系统运行需要自由改变输出功率，具有一定的电网调峰功能。图22不可调度式光伏并网发电系统图23可调度式光伏并网发电系统211光伏并网发电系统的拓扑结构光伏并网发电系统通常分为单级和多级结构形式。在多级结构中，使用最为广泛的是两级结构。（1）单级式三相光伏并网发电系统单级式三相光伏并网发电系统如图24所示，该系统主要由光伏阵列，功第2章光伏并网发电系统的谐波问题9率解耦电容，三相逆变器，滤波电感和电网部分组成。图24单级式三相光伏并网发电系统（2）两级式三相光伏并网发电系统图25为两级式光伏并网发电系统。图25两级式光伏并网发电系统该系统主要由光伏阵列，BOOST升压电路，功率解耦电容，三相逆变器，电感和电网等部分组成。该系统优点为前级的BOOST电路用来实现升压和MPPT控制，逆变器则用来实现并网功能。这样MPPT控制和并网控制分开进行，降低了整体控制的难度。该结构比较常用，技术成熟，简单可靠。（3）多级式三相光伏并网发电系统多级式系统由单相全桥逆变器，高频变压器，高频整流桥，三相逆变器，燕山大学本科生毕业设计（论文）10电感和电网等部分组成。光伏阵列产生的的直流电压经过逆变后，再通过高频变压器升压，以及高频整流桥整流后，电能由三相并网逆变器逆变，最后通过滤波后输送到电网。22光伏并网发电系统中谐波分析光伏并网发电系统并网的过程是DC/DC部分将光伏阵列输出的直流电升压，然后通过逆变器将直流电转换成交流电，最后并网。但是经过逆变器逆变输出的交流电中存在大量的谐波，而且光伏并网发电系统中的开关元件会高频的开断，这使得光伏并网系统对公共电网产生不良的影响，如电压波形畸变、孤岛效应、功率因数恶化等。221光伏逆变器产生谐波分析光伏系统的主电路结构图如图27所示，逆变器主电路使用的是开关频率较高的IGBT当做开关元件，控制部分使用SPWM技术。通过类比分析的方法得到功率开关元件产生的开关信号，分别对期望频率的正弦调制波、特定的载波信号进行采样分析，然后得出最终结果。使用规则采样法把锯齿波当作载波，SPWM控制时输出的交流波形通过傅里叶级数来表示，具体表现为1COSSINKKKKWTAKWTBTU3,21，K（21图27光伏系统的主电路结构图第2章光伏并网发电系统的谐波问题11式（21）中的系数为20SIN40DWTKWTUBADKK22式21可以改写为1SINKKKWTBTU（23）21431SINSINSIN4AAAAAADKMMDWTKWTDWTKWTDWTKWTUB（24）上式中的M为偶数，对各项求积分，可得，当K是奇数时COS1411MIIIDKKAUB（25）上式中2/03210MAAAA规则采样时，各脉冲中点为MIMII502502（26）各个波形的脉冲宽度为MIMTTCI50SIN27上式中M伟调制系数。根据以上各公式，可得250225021IIIKIIIKWTMITAWTMITA28上式中12IK燕山大学本科生毕业设计（论文）12因此，式25变SINCOS1411NWTNANUBIIIDN（29）式21变成SINCOS1411TNNANUTUIIID（210）根据式（29）和式（210），可计算出SPWM波形，以及其中各次电压谐波含量。在SPWM波中含有的所有谐波中，数P次谐波分量的幅值最高，而且影响范围最大，调制深度的增加会导致其幅值的相对值慢慢减小。在输出电压中，N1时的下边带是最靠近基频的低次谐波。这一边带由于各种原因，衰减很快，所以，在P2次的低次谐波是应该注意的谐波问题。经过以上分析可以知道，最低次谐波距离基波越远，载波比越大，滤波就会越容易。因此，提高输出电压的质量可以通过提高载波比来实现。但是，逆变器开关器件的开关速度决定了载波比是否能提高，除此之外，开关损耗也会影响到载波比的大小1112。232光伏发电并网系统中非线性负载产生的谐波分析光伏发电系统中存在很多电力电子器件，这些器件负责将系统产生的能量输送到电网中。除此之外，随着人民生活水平的提高，电力能源用户中存在越来越多的电力电子设备和非线性负载，这些设备和非线性负载成为光伏发电系统中的谐波源。光伏发电系统中的负载，分为线性负载和非线性负载。如果系统中的负载全部都是线性负载，那么就不会产生谐波。但如果存在非线性负载，就会使光伏并网系统中的电压和电流发生畸变，产生谐波污染。因此负载在工作过程中，具有非常重要作用的同时也会产生很多负面影响。由非线性负载产生的谐波电流，可能会导致光伏并网发电系统中有功功率、无功功率平衡的破坏，使光伏发电系统的安全运行受到威胁。谐波过大第2章光伏并网发电系统的谐波问题13时可能会影响分布式电源并入电网、换相，导致并网失败；谐波有时会导致光伏发电系统产生谐振，从而造成过电流，过电压，引发系统事故；干扰通信信号，使系统地区不能正常通信，甚至还会破坏通信设备，威胁人员的安全；谐波发出的噪音损害工作人员的健康；使电能计量误差增大，影响电能表的正常使用；使设备绝缘老化加快，使用寿命缩短；引起设备保护元件的误操作。因此，光伏发电系统在并网前，必须消除系统中产生的谐波，达到国家规定的指标。24本章小结本章重点介绍了光伏发电系统的分类和组成,可分为离网型、并网型和混合型系统，又可细分为可调度式和不可调度式。还介绍了光伏并网系统的拓扑结构，拓扑结构有单级式和多级式。除此之外，本章对光伏并网系统中的各类电力电子器件产生的谐波以及非线性负载所产生的谐波进行了详细的分析，基本掌握了这个光伏并网发电系统中所产生的谐波次数和类型。接下来本文要根据这些谐波类型和次数设计合适的有源滤波器，使得光伏并网发电系统并网前有效滤除其中的谐波。燕山大学本科生毕业设计（论文）14第3章光伏并网发电系统的滤波方案随着科学技术的发展和电力系统的需要，滤除谐波的方法越来越多。从系统本身消除谐波可以改善系统装置本身；在并网的过程中消除谐波可以使用无源滤波器、静止无功发生器、有源滤波器等各类滤波器从中间滤除谐波，这是最常用也是最有效的方法；在用电设备滤除谐波可以通过提高用电设备抗干扰能力实现。虽然如今有很多种方法可以应用到光伏并网发电系统中进行滤波，但综合考虑利弊，结合第二章中进行的谐波分析，本课题选定有源滤波器对光伏并网发电系统进行滤波。31光伏并网发电系统的消除谐波方法谐波治理的方法按照治理位置又可分为主动治理、被动治理和受端治理。根据实用性和治理的效果，目前光伏并网发电系统主要采用被动治理方法消除谐波。311主动治理谐波主动治理谐波是指从发电系统中产生谐波的各类电力电子器件出发，改造、优化装置本身，使其不产生谐波进入系统。光伏发电系统中产生谐波最多的就是光伏逆变器，其会发出各种不同次数的谐波。逆变器的直流侧会发出很多KP次谐波，交流侧则会发出很多KP1次谐波，P是脉波数，也可能是整流相数13。表31为脉波数和特征谐波次数的关系。脉波数直流侧KP交流侧1KP61218246、12、18、24、30、36、12、24、36、18、36、24、5、7、11、13、17、19、23、25、29、31、35、11、1323、2535、37、17、1935、37、23、25、第3章光伏并网发电系统的滤波方案15312被动治理谐波被动治理谐波与主动治理谐波有很大的不同，其具体方法是在光伏发电系统并网前加滤波器，滤除谐波。可以加的滤波器可以是传统的无源滤波器，也可以是静止无功发生器SVG和有源滤波器APF等。这三种滤波器各有优缺点，按照具体情况具体选择。（1）无源滤波器无源滤波器能比较有效地滤除谐波，而且结构比较简单，因此在电力系统中应用非常广泛。无源滤波器是由若干电阻R、若干电感L和若干电容按照基本原理组合而组成的。常用的无源滤波器有许多种不同的类型，大致可分为单调谐、双调谐无源滤波器，一阶、二阶等多阶高通滤波器，以及C型高通滤波器等类型。各个类型结构图如下图31所示，结构简单，所用元件都为最基本的元件，因此成本较低，价格低廉，而且能够较好的滤除谐波。（A单调谐滤波器B双调谐滤波器C一阶减幅型高通滤波器燕山大学本科生毕业设计（论文）16D二阶减幅型高通滤波器E三阶减幅型高通滤波器FC型高通滤波器图31无源滤波器结构无源滤波器中的单L滤波器组成部件简单，控制过程容易，而且运行起来稳定，一般不会出现故障。因此，一般在中小型发电系统中，使用最多。但是，随着逆变器的额定功率越来越大，在逆变过程中在系统中所造成的损耗也会越来越大，为了避免这一弊端，在逆变过程中肯定要降低逆变器中开关器件的开关频率。但是由于各种原因例如单L滤波器如果要顺利并网，其中的电感量要足够大。为了加大滤波器中的电感量，就必须增加整个系统的重量和体积，这就会导致系统的动态响应速度变慢，最终使滤波器的滤波效果不理想。LC滤波器构成部件也比较简单，单L滤波器是一阶，LC是二阶，相比之下，LC滤波器的滤波效果更好。LC滤波器非常适合在不需进行并网的系统中使用，在光伏并网系统中使用时，必须采取措施补偿电容电流以保证并网时电流的功率因数正常。LCL滤波器在光伏并网发电系统中进行滤波时需要比单L滤波器中所用的电感量小很多就可以达到理想的滤波效果。因为所需电感量减小，所以整个系统的体积就会随之减少，这样会提高并网电流的动态特性。无源滤波器具有很多优点，比如组成结构简单，滤波效果较好，因此在第3章光伏并网发电系统的滤波方案17各个发电系统中使用范围较广。无源滤波器也有很多缺点，例如元件自身体积较大，在发电系统中会占据较大的空间；能有效补偿的谐波范围较窄，在谐波范围较宽的情况下很难得到较好的滤波效果，除此之外，电网谐波频率会严重影响滤波器效果。为达到理想的滤波效果，无源滤波器需要很多不同谐振频率的LC谐振电路组合而成，这就导致无源滤波器构成结构复杂。（2）静止无功发生器（SVG）静止无功发生器本质上也是无功功率发生器，只不过产生的是正弦电流。静止无功发生器能够快速补偿相移无功功率。静止无功发生器的电路大多数都是电压型桥式逆变电路，SVG在滤波过程中主要作用是把谐波中次数较低的滤除，次数较高的减小。静止无功发生器有很多优点，例如独立性强，自身可以作为一个独立电压源与电网连接；输出特性稳定，不受外界因素影响；很多类型滤波器在运行过程中汇与电网发生谐振，而SVG不会；还有补偿速度快，暂态特性稳定，工作补偿谐波范围广；在滤除谐波的同时不会发出高次谐波。但是静止无功发生器也有很多缺点，例如相对来讲组成结构较为复杂，所用材料较贵重，导致成本高；虽然补偿谐波次数范围较广，但容量小，限制了补偿效果。这些因素导致了静止无功发生器不能广泛使用。（3）有源滤波器（APF）有源滤波器是通过将静止无功发生器的控制部分改进而成。其具体过程是改进静止无功发生器使其能够产生各种类型波形的无功，各种波形的无功可以用来抵消掉电力电子器件和用电负载产生的无功功率，这就是有源滤波器。对于2次到7次等次数较低的谐波，通常使用低通滤波器滤除其产生的谐波电流，但是对于高次谐波，一般会使用高通滤波器滤除谐波。与其他滤波装置不同的是，有源滤波器会把产生的补偿电流主动向交流电网注入，根据电网系统谐波和无功功率的变化跟踪补偿。313受端治理谐波燕山大学本科生毕业设计（论文）18受端治理谐波与其他两种类型治理谐波的方法不同，其具体方法是改造发电系统中的设备，使其中每一个设备的抗干扰能力加强。例如（1）将系统中没有开关电源的设备都替换成有的，具有开关电源的设备都配备了相应的滤波器，所以这些设备的抗谐波干扰能力一般都较强。（2）系统中的电源会产生传导干扰，对于这种干扰要用隔离变压器来处理。有的隔离变压器中没有隔离层，有的有，采用有隔离层的就能在隔离变压器之前把传到干扰阻隔掉。除此之外，还会有电压变换的功能。（3）需要改造的设备中还包括信号线。用电压信号直接在线路中传输会受到很强的干扰，但是如果用电流信号进行传输就会滤除大部分干扰。除此之外，还可以进一步加工，把输电线路绞合，这样的输电线路就能减少共模干扰，通过进一步加工就能改变导线的部分电磁感应方向，使方向相反的两部分互相抵消。32光伏并网发电系统滤波方案321有源滤波器（1）有源滤波器的分类和拓扑结构按照拓扑结构或者接入电网的方式进行分类，有源滤波器可以分为三类串联型APF，并联型APF，串并联型APF。有源滤波器的分类如图32所示。第3章光伏并网发电系统的滤波方案19图32APF的分类因为各个类型的有源滤波器的拓扑构造不同，所以有源滤波器的原理，控制方法，补偿电流的过程也会不相同。如图33所示，串联型有源滤波器通过耦合变压器后接入电网。串联型APF可消除系统中电压型的谐波，等效成可控电压源1416。图33串联型APF的基本拓扑结构串联型有源滤波器一般情况下只能使用在交流电网中。与并联型有源滤波器相比，串联型有源滤波器的经济性差，损耗较大，各个方面的控制维护麻烦。所以，目前大部分情况是与无源滤波器一起联合使用，或者组成串并联型用到实际中，而比较少出现单独使用的串联型有源滤波器，串联混合型有源滤波器由并联的无源滤波器和串联在无源滤波器与电源之间的有源滤燕山大学本科生毕业设计（论文）20波器组成，如图34所示。图34串联混合型APF的基本拓扑结构如图35所示，可以把并联型有源滤波器等效成一个可控电流源，并联接入到电网系统中。并联型有源滤波器的原理是向产生与谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，注入到电网，以达到滤除谐波的目的。并联型有源滤波器主要应用于电流源感性负载的谐波的情况下，目前负载大多数是电流源感性负载，因此实际中大多采用并联型有源滤波器。图35并联型APF的基本拓扑结构结合无源滤波器的使用方式，还可以组成并联混合型有源滤波器，如图36所示。第3章光伏并网发电系统的滤波方案21图36并联混合型APF的基本拓扑结构串并联新型有源滤波器也叫做统一电能质量调节器，如图37所示。串联型有源滤波器的优点是可以补偿电压谐波，调节电压波动，以及改善配电网的鲁棒性。并联型有源滤波器的优点是能调节直流侧电压，补偿电流谐波和无功功率，具有很好的滤波效果。串并联新型有源滤波器具有串联型有源滤波器和并联型有源滤波器两者的优点。然而，这种串并联新型有源滤波器成本高，投资大，控制复杂，使其大量投入应用得到限制。图37统一电能质量调节器的基本拓扑结构有源滤波器根据补偿系统的相数进行分类，分为单相有源滤波器、三相有源滤波器。其中，三相有源滤波器又可以分为三相三线制有源滤波器、三相四线制有源滤波器。单相有源滤波器成本低，结构简单，控制过程简单，经济性好，分散性强，主要用于居民楼等民用建筑物中，用来补偿单相电路的谐波电流。相比于单相有源滤波器而言，三相有源滤波器的结构更复杂，燕山大学本科生毕业设计（论文）22控制更复杂，提高了成本。三相的有源滤波器应用在对电流的波形质量要求比较高的大型三相电源的场合。（2）有源滤波器的基本原理图38为并联型有源滤波器的结构原理图。图38并联有源滤波器有源滤波器系统主要分为两部分，补偿电流检测电路和补偿电流发生电路，其中，补偿电流发生电路由主电路、电流跟踪控制电路和驱动电路组成的。补偿电流检测电路的关键是实时检测出谐波电流中的谐波电流分量和无功功率分量，补偿电流发生电路根据补偿电流检测电路检测出需要补偿的谐波电流，产生实际的补偿电流。主电路目前都采用PWM变流器。其中，SE为交流电源，交流电源产生的电流为SI，流入非线性负载的电流为LI，有源滤波器产生的补偿电流为CI。根据KCL可知CLSIII（31）负载电流可以细分为基波有功分量LFPI，基波无功分量LFPI以及谐波分量LHI，表示为LHLFPLFQLIIII（32）当需要补偿负载产生的谐波电流时，有源滤波器先检测出谐波分量LHI，之第3章光伏并网发电系统的滤波方案23后产生补偿电流CI，CI的电流方向与谐波分量LHI相反，CI的电流大小与LHI相等，表示为LHCII（33）将式（32）和式（33）代入式（31），得LFLFQLFPSIIII34补偿后电源电流中不含谐波，只含基波分量，抑制了电流的谐波。当需要补偿负载产生的谐波电流和无功功率时，只要在APF所补偿的电流中加上与基波的无功分量极性相反的成分就可以了。这样，补偿电流抵消掉负载电流中的谐波和无功分量，电源电流与负载电流的基波有功分量相等。根据以上的总体分析，得出有源滤波器的补偿原理是首先确定补偿的对象，是单独补偿谐波电流分量，还是无功电流分量，还是两者都进行补偿，依据补偿的目的进行选择，补偿量的大小就是根据实际的补偿信号产生相对于的补偿信号，取相反的方向进行矢量的合并，达到补偿的目的。图39为单独使用的三相APF基本电路结构图。这种方式是并联型有源滤波器，是目前应用最多的一种连接方式。这种方式可用于只补偿谐波，只补偿无功功率，补偿三相不对称电流，补偿供电点电压波动，或者以上任意组合。但是，由于交流电源的基波直接或经变压器施加到变流器上，且补偿电流基本由变流器提供，所以要求变流器具有较大的容量。这是并联型有源滤波器单独使用时的主要缺点1718。燕山大学本科生毕业设计（论文）24图39三相APF基本电路结构图322总体滤波方案本文采用并联型有源滤波器的方式，消除光伏并网发电系统产生的谐波。图311为滤波方案框图。图311整体滤波方案33小结本章阐述了各类滤波器的拓扑结构、工作原理、特点及适用范围。在此基础上给出了光伏并网发电系统的滤波总体方案。本方案采用并联有源滤波器，并联接入电网的方式，对光伏并网发电系统进行滤波。有源滤波器能有效滤除谐波。第4章有源滤波器检测方法与控制方法25第4章有源滤波器检测方法与控制方法本章分析了有源滤波器的各类检测方法和控制方法，目前检测方法有很多，各有优缺点，针对30KW光伏并网发电系统，重点对控制方法展开研究，通过几种控制方法对比，采用单周控制方法作为有源滤波器的控制方法，建立单周控制的单相和三相有源滤波器建学模型，推导单周控制策略的控制方程，并分析其工作过程。41有源滤波器谐波检测方法当APF用于补偿负载电流中谐波电流和无功电流时，称为谐波电流与无功电流检测方法；当APF用于补偿负载电流中谐波电流时，称为谐波电流检测方法。广义的谐波电流检测方法，既可以指谐波电流与无功电流检测方法，也可以指谐波电流检测方法；狭义的谐波电流检测方法，则特指谐波电流检测方法。下面介绍几种常见的检测方法及其特点（1）基于模拟陷波器或者带通滤波器的检测法最初的谐波检测方法是使用模拟陷波器进行检测。该检测方法的优点是价格低，电路结构简单，方便控制。缺点是对元件参数以及电源频率波动敏感，输出的信号发生畸变，有较大误差，补偿效果差。（2）基于频域分析的FFT检测法快速傅立叶变换（FFT）法可以选择要消除的特定的谐波次数，能计算出负载电流的基波无功分量与有功分量，受环境影响小。缺点是计算量大，需要FFT变换和反变换，该方法要求负载电流是周期变化的，否则误差较大。（3）基于FRYZE的时域分析法该检测方法的原理是将实际电路中的负载等效看作一个理想的电导元件，认为电路中功率均消耗于等效电导上，根据等效电导将负载电流分解，其一是与电源电压波形相同的有功电流分量，另一个是广义无功电流分量，包括基波无功和谐波。缺点是不能把谐波电流和基波无功分离，只能区分广义无功电流和有功电流，不能单独补偿谐波电流和基波无功。而且，此方燕山大学本科生毕业设计（论文）26法不适用在频率变化频繁的负载，因为它至少有一个周期的延迟时间。（4）基于瞬时无功功率理论的检测方法基于瞬时无功功率理论的三相APF谐波电流检测方法，包括QP法，QPII，QD法。该方法是被认可且实际证实的较为成熟的检测方法，大多数生产的有源滤波器，采用该方法检测谐波电流19。（5）其他检测方法除了以上检测方法，还有基于神经网络的谐波电流检测法，基于功率平衡的谐波电流检测法等。42有源滤波器控制方法有源滤波器检测到谐波电流后，这就需要控制器产生补偿电流的指令信号，来控制IGBT的导通与关断。有源滤波器的控制部分包括直流母线电压控制，以及谐波电流控制。其中，控制直流母线电压是为了稳定直流母线电压，因为在谐波补偿过程中，瞬时功率的变化引起直流侧电压大范围波动，严重时会使系统的稳定性变差，所以用该控制可以保证有源滤波器的补偿效果；谐波电流控制的目的是为了使输出电流能够更好的跟踪电流指令，进而提高有源滤波器的补偿效果。下面将介绍几种有源滤波器的控制方法（1）三角载波控制方法该控制方法是将谐波电流参考值减去有源滤波器输出谐波电流后的值，进入比例积分环节，其输出值通过与三角载波在比较器中比较，产生PWM脉冲。三角载波控制方式原理如图41所示。图41三角载波控制方式原理图第4章有源滤波器检测方法与控制方法27（2）滞环比较控制方法图42为电流滞环比较控制方式原理图。将谐波电流参考值HI和实际输出谐波电流HI的差值HI进入滞环比较器，设计允许误差H，当HIH时，滞环比较器输出高电平，使1V导通，增大APF输出电流HI，当HI增大到和HI相同大小时，滞环比较器仍然输出高电平，1V继续导通。HI继续增大，当HIIHH的时候，滞环比较器反转，输出低电平信号，关断1V，并且使4V导通。主电路的开关器件由滞环比较器的工作特性决定，使输出电流减小或者增大，实际输出电流与给定值接近，两者偏差保持在HH之间。图42电流滞环比较控制方式原理图（3）单周期控制方法单周期控制是一种非线性控制方法，其不仅具有调制的功能，还有控制的功能，单周控制是通过控制开关占空比，使每个开关周期中可控开关变量的平均值，严格等于或者正比于参考量。三角载波控制、滞环比较控制和单周期控制的优缺点如表41所示表41优点缺点燕山大学本科生毕业设计（论文）28三角载波控制简单易行，电流动态响应速度较快，器件的开关频率固定且可调节，输出电压中谐波较少含有与三角载波频率相同的高次谐波，PI调节器无法控滞环比较控制能实现对电流的快速控制,响应速度快，不需载波,易于实现,稳定性强。无法达到输出无静差，开关频率不固定导致的脉动电流较大和电磁干扰单周控制控制电路简单，不需要乘法器，开关频率恒定，一个周期内消除暂态和稳态误差，反应快，抗电源干扰能力强牺牲部分补偿精度通过以上方法对比，本文采用滞环比较控制方法。44有源滤波器的参数（1）主电路电感设交流侧电感上电流的变化率为，反映了补偿电流跟踪性能的好坏。以A相为例，由已知数学模型得LUKEDAA/（441）式中，L为电压型逆变器交流侧输出电感，AE为A相电源电压，AK为电压型逆变器相开关系数，DU为电压型逆变器直流侧电容电压。假设滤波器的工作时间足够长，式（441）中交流电压AE的作