ANAPF有源電力濾波器在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用與技術(shù)分析

2024/10/24 9:05:45

摘要: 隨著新能源的廣泛應(yīng)用，尤其是光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的大量接入，電能質(zhì)量問題日益突出。有源電力濾波器（APF）作為解決電網(wǎng)諧波污染、無功功率補(bǔ)償及系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵設(shè)備，在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增加。本文通過分析APF的基本原理及控制方法，探討其在光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)中的作用與優(yōu)勢。同時(shí)結(jié)合實(shí)際案例，對APF在復(fù)雜電力系統(tǒng)中的前景進(jìn)行了展望。

1. 引言

近年來，隨著全球能源轉(zhuǎn)型的加速，光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)逐漸成為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分。然而，由于光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，接入電網(wǎng)時(shí)容易引發(fā)電能質(zhì)量問題，如諧波失真、無功功率不平衡等。此外，隨著非線性負(fù)載的增加，這些問題更加嚴(yán)重。為了提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，有源電力濾波器（APF）作為一種動(dòng)態(tài)諧波抑制和無功補(bǔ)償設(shè)備，廣泛應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)及其它新能源場景中。

2. 有源電力濾波器（APF）原理與分類

有源電力濾波器通過實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)中的諧波電流和無功功率，生成相應(yīng)的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，抵消系統(tǒng)中的不平衡和諧波成分，從而改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

根據(jù)應(yīng)用場景和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，APF可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型。并聯(lián)型APF常用于補(bǔ)償諧波電流，而串聯(lián)型APF則用于補(bǔ)償諧波電壓?；旌闲虯PF則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠同時(shí)治理電壓和電流中的諧波，在高壓、大功率場合中有廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)主電路中ＰＷＭ個(gè)數(shù)的不同可將拓?fù)浞譃?單重化APF和多重化APF，將多個(gè)PWM 變流器進(jìn) 行并聯(lián)就形成了多重化APF。大容量、高效率變流器便可以通過開關(guān)頻率小的開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí) APF功率等級也得到了有效提高。但是也存在一個(gè)缺點(diǎn)，一個(gè)直流側(cè)電容被兩個(gè)變流器同時(shí)使用，環(huán)流會(huì)在各模塊之間產(chǎn)生，不能夠平均分配功率，系統(tǒng)性受到嚴(yán)重影響。

2.1 APF的控制方法

APF的控制方法直接影響其性能。常見的控制方法包括比例-積分（PI）控制、比例-諧振（PR）控制、重復(fù)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制。其中，PI控制因其簡單易用，廣泛應(yīng)用于低頻諧波補(bǔ)償。而PR控制在對特定頻率的交流信號進(jìn)行無靜差跟蹤時(shí)表現(xiàn)優(yōu)異，適合高頻諧波補(bǔ)償?；？刂凭哂休^強(qiáng)的魯棒性，能夠應(yīng)對系統(tǒng)中不確定因素，但容易產(chǎn)生抖振現(xiàn)象。

2.2 ANAPF系列APF的技術(shù)特點(diǎn)

ANAPF系列APF是目前廣泛應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的一款產(chǎn)品，其特點(diǎn)包括實(shí)時(shí)快速跟蹤諧波變化、較高的諧波補(bǔ)償率（≥95%）以及高效的無功補(bǔ)償能力。該產(chǎn)品通過CT采集系統(tǒng)中的諧波電流，經(jīng)控制器計(jì)算出各次諧波的含量并生成補(bǔ)償電流，從而有效抑制諧波和無功功率，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率。

斷路器合閘后，為防止上電時(shí)電網(wǎng)對直流母線電容器的瞬間沖擊，ANAPF首先通過軟啟電阻對直流母線的電容器充電。當(dāng)母線電壓Udc達(dá)到預(yù)定值后，主接觸器閉合。直流電容作為儲(chǔ)能器件，通過IGBT逆變器和內(nèi)部電抗器向外輸出補(bǔ)償電流提供能量。

ANAPF通過外部CT實(shí)時(shí)采集電流信號送至信號調(diào)理電路，然后再送至控制器?？刂破鲗⒉蓸?電流進(jìn)行分解，提取出各次諧波電流、無功電流、三相不平衡電流，將采集到的要補(bǔ)償?shù)碾娏鞒煞趾虯NAPF已發(fā)出的補(bǔ)償電流比較得到差值，作為實(shí)時(shí)補(bǔ)償信號輸出到驅(qū)動(dòng)電路，觸發(fā)IGBT變換器將補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，完成補(bǔ)償功能。

3. 光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題

光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)的隨機(jī)性和間歇性會(huì)導(dǎo)致頻繁的功率波動(dòng)，從而引發(fā)電網(wǎng)的諧波失真和電壓波動(dòng)等問題。在典型的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，逆變器是連接光伏發(fā)電和電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，但由于其非線性工作特性，會(huì)產(chǎn)生大量諧波。如果這些諧波未得到有效抑制，不僅會(huì)影響逆變器自身的穩(wěn)定性，還會(huì)對整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。

此外，光伏系統(tǒng)往往需要處理無功功率問題，因?yàn)榘l(fā)電功率的不穩(wěn)定性導(dǎo)致無功功率波動(dòng)。這些問題不僅影響光伏系統(tǒng)自身的效率，還會(huì)對電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此，解決光伏發(fā)電中的諧波和無功補(bǔ)償問題至關(guān)重要。

4. APF在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

有源電力濾波器作為解決光伏發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)中電能質(zhì)量問題的有效工具，其應(yīng)用前景廣闊。在光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)的過程中，APF可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中的諧波和無功功率，生成相應(yīng)的補(bǔ)償信號并注入電網(wǎng)，從而降低諧波含量、補(bǔ)償無功功率并提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。

4.1 實(shí)時(shí)諧波抑制

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波主要來自于逆變器的非線性操作。APF能夠通過高速控制器實(shí)時(shí)檢測并跟蹤系統(tǒng)中的諧波電流，產(chǎn)生與諧波相反的補(bǔ)償電流，從而將諧波電流抵消掉。例如，ANAPF系列APF通過CT檢測諧波電流，能夠?qū)?至31次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償。

4.2 無功功率補(bǔ)償

無功功率的波動(dòng)也是光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的一大問題。APF能夠在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，對無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，優(yōu)化電能質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)無功功率，APF可以有效避免電壓波動(dòng)，保證光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的穩(wěn)定性。

4.3 提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性

APF通過諧波抑制和無功功率補(bǔ)償，不僅改善了電能質(zhì)量，還提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。例如，ANAPF系列APF具備較高的響應(yīng)速度，全響應(yīng)時(shí)間小于20ms，能夠在電網(wǎng)功率波動(dòng)時(shí)快速做出反應(yīng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5. 實(shí)際應(yīng)用案例

在實(shí)際應(yīng)用中，APF已廣泛用于光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及工業(yè)電網(wǎng)中。例如，在一個(gè)大型光伏儲(chǔ)能電站中，APF被用來消除逆變器產(chǎn)生的高次諧波，并對瞬態(tài)無功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，從而提高了電站的整體效率并延長了設(shè)備的使用壽命。另一個(gè)典型案例是在商業(yè)建筑的光伏系統(tǒng)中，APF通過減少諧波失真和補(bǔ)償無功功率，顯著降低了電網(wǎng)側(cè)的電能損耗，并提高了整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)。

6. APF與智能電網(wǎng)的結(jié)合

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，APF在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用前景更加廣闊。智能電網(wǎng)要求電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高水平的自動(dòng)化和智能化，APF通過與智能控制系統(tǒng)結(jié)合，能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)變化，提供更加精準(zhǔn)的諧波抑制和無功功率補(bǔ)償。

未來，隨著人工智能（AI）技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析的發(fā)展，APF將能夠通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，自主調(diào)整控制參數(shù)，以優(yōu)化補(bǔ)償效果。此外，APF還可以與其他智能設(shè)備協(xié)同工作，形成更加高效、可靠的電力網(wǎng)絡(luò)。

7. 未來發(fā)展趨勢

未來，APF在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用將繼續(xù)擴(kuò)展，尤其是在高壓、大容量場景中的應(yīng)用。例如，混合型APF能夠同時(shí)補(bǔ)償電壓和電流諧波，適合大規(guī)模光伏儲(chǔ)能電站。此外，隨著超諧波（2-150kHz）的快速增加，開發(fā)能夠處理更高頻率諧波的APF將成為一個(gè)重要的研究方向。

與此同時(shí)，基于智能控制的APF系統(tǒng)也將是未來的發(fā)展趨勢。通過引入智能算法，APF可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的控制，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，并在多變的工況下提供更加穩(wěn)定的電能質(zhì)量解決方案。

8. 結(jié)論

有源電力濾波器作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。通過實(shí)時(shí)抑制諧波、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率，APF能夠顯著提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和電能質(zhì)量。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，APF將在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色，尤其是在高壓、大容量應(yīng)用場景下的作用會(huì)更加顯著。

隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，APF不僅限于諧波抑制和無功補(bǔ)償功能，還將逐漸擴(kuò)展為具備多功能的電能質(zhì)量管理器。例如，它可以結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、潮流控制、故障限流等多方面的電能質(zhì)量優(yōu)化。

未來，隨著能源結(jié)構(gòu)的多樣化和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，APF在光伏發(fā)電、儲(chǔ)能及其他新能源系統(tǒng)中的應(yīng)用將更加廣泛。通過進(jìn)一步優(yōu)化控制策略、提升硬件性能以及與智能控制技術(shù)相結(jié)合，APF將在電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮更大的作用，助力能源系統(tǒng)的智能化和高效化發(fā)展。