CN102074965A - 光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置及方法，直接采集谐波源上的电流，利用傅里叶变换将采集的电流分解出谐波电流、基波电流、无功电流和有功电流，将需要补偿的谐波电流和无功电流相加，获得补偿电流，将补偿电流和指令电流比较，根据比较结果利用PWM跟踪控制方法输出PWM波形，PWM波形经过驱动后控制逆变单元中各个开关管的状态，进而控制逆变单元输出的电流，从而使负载上的电流以锯齿波形状跟踪指令电流，从而抵消谐波电流和无功电流，达到谐波抑制和无功补偿的目的。本发明利用现有的光伏并网***便可以实现，结构简单，并且实时检测控制，电流响应很快。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置及方法。
背景技术
随着全球范围内能源紧缺问题的日益突出，可再生能源的利用特别是太阳能光伏发电综合利用引起了广泛的重视。
现有光伏发电并网技术只提供给电网有功电能，即将太阳能光伏阵列的直流电能逆变为交流电能馈送给电网，并保证其具有较高的功率因数。而负载的无功电能一般由电网提供，随着光伏发电技术的推广应用，实现光伏发电并网逆变过程中无功功率补偿和谐波抑制技术，可以更好地适应电力***的并网需要，同时对于减轻电网负担、改善供电质量具有重要意义。
目前，光伏并网***无功补偿和谐波抑制的关键技术之一是无功电流和谐波电流的检测。下面介绍几种现有技术中的电流采样方法。
采用固定频率滤波器的直接滤波法，存在较为严重的相移和频率漂移问题，且无法直接分离出畸变电流中的基波有功分量；
采用定积分运算的积分分离方法，尽管检测效果好一些，但很难构造所需要的积分器；
采用基于神经元的自适应谐波电流检测方法，虽然电路结构简单、动态响应速度快、检测精度高，但它不是一种常规的方法，实际应用还需做进一步深入研究。
综上所述，目前检测无功电流和谐波电流的方法均存在一定的缺点，因此如何准确快速补偿无功电流和谐波电流是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置及方法，能够准确快速检测无功电流和谐波电流，实现无功补偿和谐波抑制。
本发明提供一种光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，包括：电流采集模块、电流分解模块、补偿电流获得模块、电流比较模块、PWM波形产生模块和电流驱动模块；
所述电流采集模块，用于采集滤波隔离单元输出的电流，并将采集到的电流发送给电流分解模块；
所述电流分解模块，用于将采集到的电流利用傅里叶变换公式分解为基波电流分量、谐波电流分量、无功电流分量和有功电流分量；
所述补偿电流获得模块，用于将所述谐波电流分量和所述无功电流分量相加获得补偿电流；
所述电流比较模块，用于将预先设定的指令电流和所述补偿电流进行比较，将比较结果作为所述PWM波形产生模块的输入信号；
所述PWM波形产生模块，用于根据输入的比较结果输出PWM波形；
所述电流驱动模块，用于将PWM波形进行驱动后输出给逆变单元中的各个开关管，以控制所述各个开关管的状态，以使所述滤波隔离单元输出的电流跟踪所述指令电流。
优选地，所述PWM波形产生模块具体为滞环比较器，所述滞环比较器的环宽用H表示，所述指令电流用I1表示，所述补偿电流用I2表示；则
当I1-I2＝H时，滞环比较器的输出信号保持不变；
当I1-I2≥H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平；
当I1-I2≤H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平。
优选地，还包括连接于电流分解模块和补偿电流获得模块之间的低通滤波模块；
所述低通滤波模块，用于将电流分解模块分解出的基波电流分量、谐波电流分量、有功电流分量和无功电流分量进行分离，将谐波电流分量和无功电流分量发送给补偿电流获得模块。
优选地，所述滤波隔离单元包括电感、变压器和电容；
所述电感串联在所述逆变单元的输出端和变压器的原边绕组之间；
变压器的副边绕组的两端并联所述电容；
所述电容的两端作为滤波隔离单元的输出端。
优选地，所述电流采集模块具体为霍尔传感器，所述霍尔传感器用于采集所述电容输出端的电流。
优选地，还包括电压检测模块和电压保护模块；
所述电压检测模块，用于采集逆变单元直流输入端的电压；
所述电压保护模块，当所述电压检测模块检测的电压超过预定范围时，发出封锁信号，以切断逆变单元直流侧的输入。
本发明还提供一种光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的方法，包括：
采集滤波隔离单元输出的电流；
将采集的电流经过傅里叶变换公式分解为基波电流分量、谐波电流分量、无功电流分量和有功电流分量；
将所述谐波电流分量和无功电流分量相加获得补偿电流；
将预先设定的指令电流和补偿电流进行比较；
根据所述指令电流和补偿电流的比较结果输出PWM波形；
将所述PWM波形进行驱动后控制逆变单元中的各个开关管的状态，以使所述滤波隔离单元输出的电流跟踪所述指令电流。
优选地，根据所述指令电流和补偿电流的比较结果输出PWM波形，具体为：利用滞环比较器实现；所述滞环比较器的环宽用H表示，所述指令电流用I1表示，所述补偿电流用I2表示；则
当I1-I2＝H时，滞环比较器的输出信号保持不变；
当I1-I2≥H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平；
当I1-I2≤H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平。
优选地，将采集的电流经过傅里叶变换公式分解为基波电流分量、谐波电流分量、无功电流分量和有功电流分量之后，还包括：
通过低通滤波器将分解出的基波电流分量、谐波电流分量、有功电流分量和无功电流分量进行分离。
优选地，采集滤波隔离单元输出的电流，具体为：采用霍尔传感器采集滤波隔离单元输出的电流。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置及方法，直接采集谐波源(负载)上的电流，利用傅里叶变换将采集的电流分解出谐波电流、基波电流、无功电流和有功电流，将需要补偿的谐波电流和无功电流相加，获得补偿电流，将补偿电流和指令电流比较，根据比较结果利用PWM跟踪控制方法输出PWM波形，PWM波形经过驱动后控制逆变单元中各个开关管的状态，进而控制逆变单元输出的电流，从而使负载上的电流以锯齿波形状跟踪指令电流，从而抵消谐波电流和无功电流，达到谐波抑制和无功补偿的目的。本发明利用现有的光伏并网***便可以实现，结构简单，并且实时检测控制，电流响应很快。
附图说明
图1是现有技术中的光伏并网***结构图；
图2是本发明提供的无功补偿和谐波抑制的装置实施例一结构图；
图3是本发明提供的无功补偿和谐波抑制的装置又一实施例结构图；
图4是本发明提供的无功补偿和谐波抑制的方法实施例一流程图；
图5是本发明提供的无功补偿和谐波抑制的方法实施例二流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案，下面介绍本发明技术方案应用的环境-光伏并网***，参见图1，该图为现有技术中的光伏并网***结构图。
光伏电池101发出的直流电，通过升压单元102变为一个电压可调的直流电压，该直流电压经过限流单元103限流后进入逆变单元104，逆变单元104将直流电压逆变为交流电压，交流电压再经过滤波隔离单元105完成并网功能，同时为负载电路106提供交流电。
本发明光伏并网***中的滤波隔离单元105由APF来实现。
本发明基于有源电力滤波器(APF，Active Power Filter)实现整个***的无功补偿和谐波抑制。
下面先介绍APF，APF是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，能够对大小和频率均变化的谐波以及变化的无功进行补偿；其实现了动态跟踪补偿，而且可以既补偿谐波又补偿无功。
本发明将逆变单元的直流侧视为APF的直流电压侧，
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图为本发明提供的无功补偿和谐波抑制的结构图。
本实施例提供的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置包括：电流采集模块201、电流分解模块202、补偿电流获得模块203、电流比较模块204、PWM波形产生模块205和电流驱动模块206；
电流采集模块201，用于采集滤波隔离单元输出的电流，并将采集到的电流发送给电流分解模块；
电流分解模块202，用于将采集到的电流利用傅里叶变换公式分解为基波电流分量、谐波电流分量、无功电流分量和有功电流分量；
补偿电流获得模块203，用于将谐波电流分量和无功电流分量相加获得补偿电流；
电流比较模块204，用于将指令电流和补偿电流进行比较，将比较结果作为PWM波形产生模块的输入信号；
PWM波形产生模块205，用于根据输入的比较结果输出PWM波形；
电流驱动模块206，用于将PWM波形进行驱动后输出给逆变单元中的各个开关管，控制开关管的状态，以使滤波隔离单元输出的电流跟踪指令电流。
本发明提供的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，直接采集谐波源(负载)上的电流，利用傅里叶变换将采集的电流分解出谐波电流、基波电流、无功电流和有功电流，将需要补偿的谐波电流和无功电流相加，获得补偿电流，将补偿电流和指令电流比较，根据比较结果利用PWM跟踪控制方法输出PWM波形，PWM波形经过驱动后控制逆变单元中各个开关管的状态，进而控制逆变单元输出的电流，从而使负载上的电流以锯齿波形状跟踪指令电流，从而抵消谐波电流和无功电流，达到谐波抑制和无功补偿的目的。本发明利用现有的光伏并网***便可以实现，结构简单，并且实时检测控制，电流响应很快。
参见图3，该图为本发明提供的装置又一实施例结构图。
本实施例中的PWM波形产生模块具体为滞环比较器302，所述滞环比较器302的环宽用H表示，所述指令电流用I1表示，所述补偿电流用I2表示；则
当I1-I2＝H时，滞环比较器302的输出信号保持不变；
当I1-I2≥H时，滞环比较器302的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平；
当I1-I2≤H时，滞环比较器302的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平。
本实施例提供的装置还包括连接于电流分解模块202和补偿电流获得模块203之间的低通滤波模块301；
所述低通滤波模块301，用于将电流分解模块分解出的基波电流分量、谐波电流分量、有功电流分量和无功电流分量进行分离，将谐波电流分量和无功电流分量发送给补偿电流获得模块。
本实施例中的滤波隔离单元为APF，包括电感L1、变压器T和电容C3；
所述电感L1串联在逆变单元的输出端和变压器T的原边绕组之间；
本实施例中的逆变单元为全桥逆变，如图所示包括四个开关管，左上桥臂开关管Q1、左下桥臂开关管Q2、右上桥臂开关管Q3和右下桥臂开关管Q4。
变压器T的副边绕组的两端并联所述电容C3；
所述电容C3的两端作为APF的输出端。
所述电流采集模块具体为霍尔传感器HL7，如图所示，所述霍尔传感器HL7用于采集所述电容C3输出端的电流，即采集负载上的电流。
本实施例提供的装置还包括电压检测模块和电压保护模块；
所述电压检测模块，用于采集逆变单元直流输入端的电压；
所述电压保护模块，当所述电压检测模块检测的电压超过预定范围时，发出封锁信号，以切断逆变单元直流侧的输入。
基于上述一种光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，本发明还提供了一种光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的方法，下面结合具体实施例来详细说明其组成部分。
参见图4，该图为本发明提供的方法实施例一流程图。
本发明提供的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的方法，包括：
S401：采集滤波隔离单元输出的电流；
S402：将采集的电流经过傅里叶变换公式分解为基波电流分量、谐波电流分量、无功电流分量和有功电流分量；
S403：将所述谐波电流分量和无功电流分量相加获得补偿电流；
S404：将预先设定的指令电流和补偿电流进行比较；
S405：根据所述指令电流和补偿电流的比较结果输出PWM波形；
S406：将所述PWM波形进行驱动后控制逆变单元中的各个开关管的状态，以使所述滤波隔离单元输出的电流跟踪所述指令电流。
本实施例中的逆变单元为全桥逆变，包括四个开关管，左上桥臂开关管、左下桥臂开关管、右上桥臂开关管和右下桥臂开关管。
本发明提供的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的方法，直接采集谐波源(负载)上的电流，利用傅里叶变换将采集的电流分解出谐波电流、基波电流、无功电流和有功电流，将需要补偿的谐波电流和无功电流相加，获得补偿电流，将补偿电流和指令电流比较，根据比较结果利用PWM跟踪控制方法输出PWM波形，PWM波形经过驱动后控制逆变单元中各个开关管的状态，进而控制逆变单元输出的电流，从而使负载上的电流以锯齿波形状跟踪指令电流，从而抵消谐波电流和无功电流，达到谐波抑制和无功补偿的目的。本发明利用现有的光伏并网***便可以实现，结构简单，并且实时检测控制，电流响应很快。
本发明提供的方法采用滞环比较器实现PWM波形的输出，将指令电流和补偿电流作为滞环比较器的输入信号，所述滞环比较器的环宽用H表示，所述指令电流用I1表示，所述补偿电流用I2表示；则
当I1-I2＝H时，滞环比较器的输出信号保持不变；
当I1-I2≥H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平；
当I1-I2≤H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平。
参见图5，该图为本发明提供的方法实施例二流程图。
S501：采用霍尔传感器测量滤波隔离单元输出的电流；
S502与S402相同，在此不再赘述。
S503：通过低通滤波器将分解出的基波电流分量、谐波电流分量、有功电流分量和无功电流分量进行分离。
S504-S507分别与S403-S406相同，在此不再赘述。
本实施提供的方法还包括采集逆变单元直流输入端的电压；当所述电压检测模块检测的电压超过预定范围时，发出封锁信号，以切断逆变单元直流侧的输入。该步骤的作用是过压和欠压保护，与图5中的各个步骤没有先后顺序关系，该步骤贯穿整个控制过程。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，其特征在于，包括：电流采集模块、电流分解模块、补偿电流获得模块、电流比较模块、PWM波形产生模块和电流驱动模块；
所述电流采集模块，用于采集滤波隔离单元输出的电流，并将采集到的电流发送给电流分解模块；
所述电流分解模块，用于将采集到的电流利用傅里叶变换公式分解为基波电流分量、谐波电流分量、无功电流分量和有功电流分量；
所述补偿电流获得模块，用于将所述谐波电流分量和所述无功电流分量相加获得补偿电流；
所述电流比较模块，用于将预先设定的指令电流和所述补偿电流进行比较，将比较结果作为所述PWM波形产生模块的输入信号；
所述PWM波形产生模块，用于根据输入的比较结果输出PWM波形；
所述电流驱动模块，用于将PWM波形进行驱动后输出给逆变单元中的各个开关管，以控制所述各个开关管的状态，以使所述滤波隔离单元输出的电流跟踪所述指令电流。
2.根据权利要求1所述光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，其特征在于，所述PWM波形产生模块具体为滞环比较器，所述滞环比较器的环宽用H表示，所述指令电流用I1表示，所述补偿电流用I2表示；则
当I1-I2＝H时，滞环比较器的输出信号保持不变；
当I1-I2≥H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平；
当I1-I2≤H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平。
3.根据权利要求1所述光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，其特征在于，还包括连接于电流分解模块和补偿电流获得模块之间的低通滤波模块；
所述低通滤波模块，用于将电流分解模块分解出的基波电流分量、谐波电流分量、有功电流分量和无功电流分量进行分离，将谐波电流分量和无功电流分量发送给补偿电流获得模块。
4.根据权利要求1所述光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，其特征在于，所述滤波隔离单元包括电感、变压器和电容；
所述电感串联在所述逆变单元的输出端和变压器的原边绕组之间；
变压器的副边绕组的两端并联所述电容；
所述电容的两端作为滤波隔离单元的输出端。
5.根据权利要求4所述光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，其特征在于，所述电流采集模块具体为霍尔传感器，所述霍尔传感器用于采集所述电容输出端的电流。
6.根据权利要求1-5任一项所述光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的装置，其特征在于，还包括电压检测模块和电压保护模块；
所述电压检测模块，用于采集逆变单元直流输入端的电压；
所述电压保护模块，当所述电压检测模块检测的电压超过预定范围时，发出封锁信号，以切断逆变单元直流侧的输入。
7.一种光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的方法，其特征在于，包括：
采集滤波隔离单元输出的电流；
将采集的电流经过傅里叶变换公式分解为基波电流分量、谐波电流分量、无功电流分量和有功电流分量；
将所述谐波电流分量和无功电流分量相加获得补偿电流；
将预先设定的指令电流和补偿电流进行比较；
根据所述指令电流和补偿电流的比较结果输出PWM波形；
将所述PWM波形进行驱动后控制逆变单元中的各个开关管的状态，以使所述滤波隔离单元输出的电流跟踪所述指令电流。
8.根据权利要求7所述的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的方法，其特征在于，根据所述指令电流和补偿电流的比较结果输出PWM波形，具体为：利用滞环比较器实现；所述滞环比较器的环宽用H表示，所述指令电流用I1表示，所述补偿电流用I2表示；则
当I1-I2＝H时，滞环比较器的输出信号保持不变；
当I1-I2≥H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平；
当I1-I2≤H时，滞环比较器的输出信号将翻转，使控制逆变单元中的左上桥臂开关管的PWM波形由高电平变为低电平，使控制右下桥臂开关管的PWM波形由低电平变为高电平。
9.根据权利要求7所述的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的方法，其特征在于，将采集的电流经过傅里叶变换公式分解为基波电流分量、谐波电流分量、无功电流分量和有功电流分量之后，还包括：
通过低通滤波器将分解出的基波电流分量、谐波电流分量、有功电流分量和无功电流分量进行分离。
10.根据权利要求7所述的光伏并网***的无功补偿和谐波抑制的方法，其特征在于，采集滤波隔离单元输出的电流，具体为：采用霍尔传感器采集滤波隔离单元输出的电流。
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