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ANAPF有源電力濾波器在光伏儲能系統中的應用與技術分析

ANAPF有源電力濾波器在光伏儲能系統中的應用與技術分析

2024/10/24 9:05:45

摘要: 隨著新能源的廣泛應用,尤其是光伏發電和儲能系統在電網中的大量接入,電能質量問題日益突出。有源電力濾波器(APF)作為解決電網諧波污染、無功功率補償及系統穩定性問題的關鍵設備,在光伏儲能系統中的應用日益增加。本文通過分析APF的基本原理及控制方法,探討其在光伏發電與儲能系統中的作用與優勢。同時結合實際案例,對APF在復雜電力系統中的前景進行了展望。

1. 引言

近年來,隨著全球能源轉型的加速,光伏發電和儲能系統逐漸成為電力系統中不可或缺的一部分。然而,由于光伏發電具有隨機性、間歇性和波動性,接入電網時容易引發電能質量問題,如諧波失真、無功功率不平衡等。此外,隨著非線性負載的增加,這些問題更加嚴重。為了提高電網的穩定性和電能質量,有源電力濾波器(APF)作為一種動態諧波抑制和無功補償設備,廣泛應用于光伏儲能系統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時檢測系統中的諧波電流和無功功率,生成相應的補償電流注入電網,抵消系統中的不平衡和諧波成分,從而改善電網電能質量。

根據應用場景和拓撲結構,APF可分為并聯型、串聯型和混合型。并聯型APF常用于補償諧波電流,而串聯型APF則用于補償諧波電壓。混合型APF則結合了兩者的優點,能夠同時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用。

根據主電路中 PWM 個數的不同可將拓撲分為 單重化APF和多重化APF,將多個PWM 變流器進 行并聯就形成了多重化APF。大容量、高效率變流器便可以通過 開關頻率小的開關器件實現,提升了系統穩定性,同時 APF功率等級也得到了有效提高。 但是也存在一個缺點,一個直流側電容被兩個變流器同時使用,環流會在各模塊之間產生,不能夠平均分配功率,系統性受到嚴重影響。

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、重復控制和滑模變結構控制。其中,PI控制因其簡單易用,廣泛應用于低頻諧波補償。而PR控制在對特定頻率的交流信號進行無靜差跟蹤時表現優異,適合高頻諧波補償。滑模控制具有較強的魯棒性,能夠應對系統中不確定因素,但容易產生抖振現象。

2.2 ANAPF系列APF的技術特點

ANAPF系列APF是目前廣泛應用于光伏儲能系統中的一款產品,其特點包括實時快速跟蹤諧波變化、較高的諧波補償率(≥95%)以及高效的無功補償能力。該產品通過CT采集系統中的諧波電流,經控制器計算出各次諧波的含量并生成補償電流,從而有效抑制諧波和無功功率,提升電網的穩定性和效率。

斷路器合閘后,為防止上電時電網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。當母線電壓Udc達到預定值后,主接觸器閉合。直流電容作為儲能器件,通過IGBT逆變器和內部電抗器向外輸 出補償電流提供能量。

ANAPF通過外部CT實時采集電流信號送至信號調理電路,然后再送至控制器。控制器將采樣 電流進行分解,提取出各次諧波電流、無功電流、三相不平衡電流,將采集到的要補償的電流成分和ANAPF已發出的 補償電流比較得到差值,作為實時補償信號輸出到驅動電路,觸發IGBT變換器將補償電流注入到電網中,實現閉環控 制,完成補償功能。

3. 光伏發電與儲能系統中的電能質量問題

光伏發電和儲能系統的隨機性和間歇性會導致頻繁的功率波動,從而引發電網的諧波失真和電壓波動等問題。在典型的光伏儲能系統中,逆變器是連接光伏發電和電網的關鍵設備,但由于其非線性工作特性,會產生大量諧波。如果這些諧波未得到有效抑制,不僅會影響逆變器自身的穩定性,還會對整個電網產生干擾,導致電能質量下降。

此外,光伏系統往往需要處理無功功率問題,因為發電功率的不穩定性導致無功功率波動。這些問題不僅影響光伏系統自身的效率,還會對電網的安全運行構成威脅。因此,解決光伏發電中的諧波和無功補償問題至關重要。

4. APF在光伏儲能系統中的應用

有源電力濾波器作為解決光伏發電及儲能系統中電能質量問題的有效工具,其應用前景廣闊。在光伏系統接入電網的過程中,APF可以實時監測系統中的諧波和無功功率,生成相應的補償信號并注入電網,從而降低諧波含量、補償無功功率并提高系統的功率因數。

4.1 實時諧波抑制

光伏發電系統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時檢測并跟蹤系統中的諧波電流,產生與諧波相反的補償電流,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,能夠對2至31次諧波進行全補償。

4.2 無功功率補償

無功功率的波動也是光伏儲能系統中的一大問題。APF能夠在補償諧波的同時,對無功功率進行動態調整,從而提高系統的功率因數,優化電能質量。通過調節無功功率,APF可以有效避免電壓波動,保證光伏系統和電網之間的穩定性。

4.3 提高系統效率和穩定性

APF通過諧波抑制和無功功率補償,不僅改善了電能質量,還提高了光伏發電系統的整體效率。例如,ANAPF系列APF具備較高的響應速度,全響應時間小于20ms,能夠在電網功率波動時快速做出反應,確保系統的穩定運行。

5. 實際應用案例

在實際應用中,APF已廣泛用于光伏發電、儲能系統以及工業電網中。例如,在一個大型光伏儲能電站中,APF被用來消除逆變器產生的高次諧波,并對瞬態無功功率進行實時補償,從而提高了電站的整體效率并延長了設備的使用壽命。另一個典型案例是在商業建筑的光伏系統中,APF通過減少諧波失真和補償無功功率,顯著降低了電網側的電能損耗,并提高了整個系統的功率因數。

6. APF與智能電網的結合

隨著智能電網的發展,APF在光伏儲能系統中的應用前景更加廣闊。智能電網要求電力系統能夠實現更高水平的自動化和智能化,APF通過與智能控制系統結合,能夠實時適應電網的動態變化,提供更加精準的諧波抑制和無功功率補償。

未來,隨著人工智能(AI)技術和大數據分析的發展,APF將能夠通過學習系統的歷史數據,自主調整控制參數,以優化補償效果。此外,APF還可以與其他智能設備協同工作,形成更加高效、可靠的電力網絡。

7. 未來發展趨勢

未來,APF在光伏儲能系統中的應用將繼續擴展,尤其是在高壓、大容量場景中的應用。例如,混合型APF能夠同時補償電壓和電流諧波,適合大規模光伏儲能電站。此外,隨著超諧波(2-150kHz)的快速增加,開發能夠處理更高頻率諧波的APF將成為一個重要的研究方向。

與此同時,基于智能控制的APF系統也將是未來的發展趨勢。通過引入智能算法,APF可以實現更加靈活的控制,以適應不同的應用場景,并在多變的工況下提供更加穩定的電能質量解決方案。

8. 結論

有源電力濾波器作為現代電力系統中的關鍵設備,在光伏儲能系統中發揮了重要作用。通過實時抑制諧波、動態補償無功功率,APF能夠顯著提升光伏發電系統的效率和電能質量。隨著技術的不斷發展,APF將在光伏儲能系統中扮演越來越重要的角色,尤其是在高壓、大容量應用場景下的作用會更加顯著。

隨著智能電網和能源互聯網的發展,APF不僅限于諧波抑制和無功補償功能,還將逐漸擴展為具備多功能的電能質量管理器。例如,它可以結合儲能系統實現對電網的電壓穩定、潮流控制、故障限流等多方面的電能質量優化。

未來,隨著能源結構的多樣化和電力電子技術的不斷進步,APF在光伏發電、儲能及其他新能源系統中的應用將更加廣泛。通過進一步優化控制策略、提升硬件性能以及與智能控制技術相結合,APF將在電網的穩定運行中發揮更大的作用,助力能源系統的智能化和高效化發展。

作者簡介:

鄭桐,現任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事儲能微電網能源管理研究。

手機tel:18317090329;QQ:2885421520

公眾號:安科瑞電氣知識庫

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