并网逆变器谐波危害及抑制策略

并网逆变器谐波危害

谐波是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶分解后，除了得到和电网基波频率相同的分量，还得到一系列高于电网基波频率整数倍的分量，这部分分量就是谐波。谐波含量越少，波形就越接近正弦。

谐波主要来自于电网中的非线性负载和电力电子设备，其中并网逆变器是主要的谐波源之一。在逆变器输出侧，通常由SPWM波控制IGBT等全控型期器件组成的桥式电路，其输出电压为含有正弦信号的矩形调制波，输出电流为正弦锯齿波，用傅里叶级数展开，输出回路电流信号可分解为只含正弦波的基波和其余各次谐波。

谐波的危害在于使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

随着不断增加的光伏并网逆变器，电网正经受着巨大的考验，光伏逆变器的技术指标直接决定了逆变器输出电能的质量，其中谐波对电网的影响尤其不可忽视，因此，世界各国都对并网逆变器设定了一系列的并网谐波标准，比如我国能标标准中规定了逆变器额定功率运行时，注入电网的谐波电流THDi不得超过5%，并对各分次谐波含量也设定了限值。

奇数次谐波分量

偶数次谐波分量

纳通逆变器谐波抑制措施

目前应用最广泛的并网控制算法是比例积分(PI)控制。PI控制具有简单、参数整定确定和鲁棒性强的特点，但是其难以精确跟踪时变的交流正弦信号，系统存在稳态误差，谐波控制效果比较差。

为了更好的控制并网谐波含量，我们引入了重复控制，是一种基于内模原理的控制方法，能够消除周期性误差信号和最小化电流谐波含量。但由于重复控制器中周期延时的存在，使得系统的动态性能较差。基于并网逆变器的系统模型和重复控制理论，我们使用了重复控制和PI控制相结合的复合式控制算法，既可以最大的降低并网谐波含量，有能够提高动态性能。具体来说，是将PI控制器的误差输入信号逐次周期的叠加，当输入误差不为零时，重复控制器的输出会逐渐增长，再将这部分误差送入控制环路，从而实现更高精度的跟踪控制，有效改善了并网输出电流的性能指标，降低了谐波含量。

以纳通8Kw单相逆变器为例，在未加入重复控制器时，逆变器输出100%负载的谐波总量为2.3%，25%载时更是达到了4.2%，特别是25%载时，明显能看到示波器上波形出现了畸变，36次和39次谐波也略微超标。

未加入重复控制器前100%负载波形及谐波指标(并AC源)

未加入重复控制器前25%负载波形及谐波指标(并AC源)

在使用复合式重复控制算法后，纳通8kw单相逆变器100%负载下的谐波只有0.70%，即使在25%的轻负载下，波形正弦度有了明显提升，总谐波含量也只有1.6%，远远高于国家标准要求，并且各次谐波也均在限值要求之内。

纳通8KW单相逆变器100%负载波形及谐波数据(AC源)

纳通8KW单相逆变器25%负载波形及谐波数据(AC源)

通过引入复合重复控制算法，纳通逆变器具有对电网很强的适应性，甚至还对电网具有友好的“修补”作用。我们把纳通8Kw单相逆变器并入电压谐波含量2.4%的电网运行，纳通8KW逆变器依然保持了良好的电流输出性能。100%和25%负载的谐波总含量分别只有0.9%和2.4%。

100%负载波形及谐波数据(谐波2.40%市电)

25%负载波形及谐波数据(谐波2.50%市电)

结论

对于分布式光伏并网逆变系统而言，因为环境特性的变化会导致逆变器直流输入功率经常发生剧烈的变化。因为控制器必须具有快速的动态响应能力。同时由于是要将交流电能输送到公共电网，供电网负载使用，所以又必须要严格的控制并网的谐波含量。

通过重复控制算法和传统的PI控制相结合的复合控制策略，能够很好的解决上述问题，可以很好的使系统并网电流质量更好，总谐波含量及各次谐波含量远远的高于国家标准和IEEE标准要求。