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摘 要：目前光伏发电是解决环境污染、能源短缺等问题的重要方法之一。光伏发电系统中大量电力电子器件的应用会产生一定量的谐波，进而影响其电能质量。然而光伏发电系统对电能质量的要求较高，因此需要对谐波进行准确检测和分析，提高系统的电能质量。对此，该文基于光伏发电系统，提出了一种改进的希尔伯特-黄变换（HHT）算法，并通过搭建实验平台进行仿真验证。结果表明，该方法能够精确地检测在光伏并网中谐波的含量，使其能够快速实现与大电网同频同相的并网功能。
关键词：光伏并网 谐波检测 HHT改进算法
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）05（c）-0031-05
Abstract： At present， photovoltaic power generation is one of the important methods to solve environmental pollution and energy shortages. The application of a large number of power electronic devices in photovoltaic power generation systems generates a certain amount of harmonics， which in turn affects the power quality. However， photovoltaic power generation systems have higher requirements for power quality， so it is necessary to accurately detect and analyze harmonics to improve the power quality of the system. In this paper， based on the photovoltaic power generation system， an improved Hilbert-Huang transform （HHT） algorithm is proposed and verified by building an experimental platform. The results show that the method can accurately detect the harmonic content in the photovoltaic grid connection， so that it can quickly realize the grid-connected function with the same frequency in the same frequency as the large power grid.
Key Words： Photovoltaic grid-connected; Harmonic detection; HHT improved algorithm
新能源應用可以有效地缓解能源短缺和环境污染问题，引起人们的广泛关注，对其的研究越来越多[1]。太阳能是一种非常有发展前途的新能源，主要是因为它具有连续、清洁、安全可靠的优点。光伏并网系统能有效地将太阳能转换成电能，并通过逆变器馈入电网，有效地缓解能源危机和环境污染[2]。光伏并网系统中应用电力电子装置组成的转换器进行能量的转换和传输，这也是造成谐波源存在的原因[3]。然而谐波作为衡量电能质量的重要指标，因此对电网谐波的准确检测和分析是谐波影响研究的首要任务。
根据谐波的特征，目前已有不少学者提出了不同的谐波检测方法。文献[4]利用频域分析法对电力系统谐波进行了分析。文献[5]提出了一种基于瞬时无功理论的检测谐波方法。文献[6]阐述了电力系统中各种基于小波变换的电能质量分析方法。在微电网并网系统中存在的谐波，由于其具有随机性和非平稳性，因此采用一般的检测方法具有一定的局限性。然而希尔伯特-黄变换检测方法能够对非线性和非平稳信号进行分析，但是存在包络拟合和模态混叠的现象。该文根据微电网谐波的特点，提出了改进的希尔伯特-黄变换（HHT）检测方法。通过建立并网的微电网模型，用于谐波检测，并对该HHT算法存在一些不足进行了改进。利用改进后的算法对微电网的谐波进行检测，证明算法的可行性。
1 光伏发电系统建模
不同类型的微电网模式，分布式电源具有不同的接入方式。与此同时，需要针对微电网结构的特点进行谐波检测和分析。因此，有必要对微电网的模型进行研究。光伏电池是将光能转换为电能的转换装置。
1.1 光伏电池的数学模型
光伏电池的等效电路图如图1所示。当日照强度恒定时，则可将光电流看作是一个恒流源，电流流经二极管、并联电阻以及串联电阻，流出光伏电池最后流入负载。
1.2 光伏并网主电路及控制
该文采用了变换器和全桥逆变器，研究了三相两级式非隔离型的光伏并网结构，实现光伏系统的并网发电。如图2所示为三相光伏并网主电路结构。主电路的控制方式采用电压源输入和电流源输出的控制方式。
如图3所示为光伏并网控制策略原理，为了改善并网电流，抑制电网电压扰动，引入基于电流环控制的电网电压前馈补偿。
将光伏电池模型和并网逆变器模型相结合，建立了光伏发电系统模型，为后续谐波检测和分析提供了基础。
2 改进希尔伯特-黄变换（HHT）方法
针对非线性和非平稳信号的分析，为了弥补了传统检测方法对于非平稳信号检测存在的不足，广泛采用希尔伯特-黄变换的分析方法，但其也存在着包络线拟合、模态混叠等问题。因此提出了一种改进的包络线拟合方法用于解决HHT方法本身的包络线拟合问题;设计了数字高通滤波器去滤除基波分量，解决HHT方法在谐波检测中遇到的模态混叠现象。 2.1 包络线拟合方法的改进
任何复杂的信号可以由一组固有模式函数（IMF）组成。经验模态分解（EMD）是将信号分解为固有模态函数的方法。EMD方法是基于局部极值点拟合上包络线和下包络线，然后计算它们的平均线。HHT方法的起点就是经验模态分解。其拟合极值点的上下包络线采用三次样条插值函数。具有二阶光滑性的三次样条插值函数，其包络线不能将信号完全包含，容易出现过冲或下冲的现象[7]。因此该文提出求上包络线和下包络线采用分段三次Hermite插值方法。其过程如下。
然后将位于原始信号包络线外的数据点列出，将这些数据点作为新的极值点，插入到原始最大点的序列中，最后用分段三次Hermite插值曲线作为新的上下包络线进行拟合。
2.2 模拟混叠抑制方法的改进
在大多数情况下，微电网中基波分量的振幅比谐波分量大得多。采用传统的HHT方法进行信号经验模态分解，容易出现模态混叠问题。这主要是由于能量较小的IMF分量将会产生较大的误差，这将会影响到各IMF分量的分解结果[8]。为了解决模态混叠问题，该文对于抑制模态混叠提出改进HHT，同时实现不影响谐波分量的检测。其过程主要是在分析之前滤除幅值比较大的基波分量，则其余的高次谐波分量的幅值相对接近，这样就解决了混叠的问题。
2.3 综合改进思路
该文提出的包络线改进方法实际上是在不改变原始信号的基础上，对经验模态分解方法的改进。模式混叠抑制是基于电网和微电网中的谐波检测，通过对基波分量进行滤波，提高了谐波分量的检测精度。将这两种改进方法结合起来进行综合改进，不但实现了一定程度上避免模態混叠，而且能够提高谐波检测的精度。
3 光伏发电系统并网电流的谐波检测
3.1 光伏发电并网系统仿真
该文基于光伏发电系统的主电路的拓扑结构，建立光伏发电系统的微电网并网模型，并进行仿真得到并网电流。将改进的HHT算法用于含光伏发电系统的并网电流谐波分析。微电网与光伏发电系统的并网运行结构如图4所示。
并网光伏电流的基波幅值为20A。假定并网光伏逆变器中注入了0.8A的3次谐波，由于光照条件的变化，并网光伏逆变器中又增加了0.6A的5次谐波。在Matlab/Simulink中建立微电网仿真模型，得到PCC点电流波形，如图5所示。PCC点电流是一种非平稳电流信号。
3.2 光伏发电系统并网电流谐波检测与分析
光伏发电的并网系统整体结构如图6所示，主要由光伏电池、DC/AC电路、电源电路、控制电路、驱动电路和采样电路组成。
如图7所示为采用FFT方法对电流谐波检测的结果，可以看出，FFT方法能够准确检测出PCC点电流中存在的基波、3次谐波，但是FFT方法对于5次谐波的检测却有着明显误差，且其对于谐波的检测不能跟随电流信号变化的具体时刻，对于信号存在的间断性不能呈现，因此，采用FFT方法对于非平稳电流谐波的检测并不完美。
表1所示是PCC点的电流检测结果。可以看出，在IMF1中可以检测到0.1s之前的3次谐波，并且在0.1s之前和之后IMF1的瞬时振幅和频率已经改变，特别是在0.1s时;0.1s后，IMF1中可以提取出更高频率的5次谐波。在IMF2中可以检测到0.1s之前除去3次谐波没有的谐波，此时其瞬时幅值约为0，则频率没有参考性。而0.1s前后与IMF1发生相同变化。IMF2中0.1s后，从IMF2中提取3次谐波，幅度与IMF1的前0.1s一致，表明信号中总是有3个谐波。该文提出的方法可以准确地检测谐波信号中断的时间点，这对于微电网的随机和非平稳谐波检测具有重要意义。该方法更适合于微电网的谐波检测。
图8是实验测试的并网电流功率因数和谐波分析结果。系统的功率因数为0.99，满足电网连接的功率因数要求。其稳态基波电流为4.89A，并网电流THD=3.1%，也验证了该文提出的检测方法具有足够的检测精度。
4 结语
该文针对谐波的检测与分析提出了一种改进的希尔伯特-黄变换算法，首先建立了光伏发电并网系统的模型，在此基础上进行仿真，其次采用该文提出的方法对微电网的并网电流中存在的谐波进行检测和分析。通过仿真与实验验证，该文提出的方法相比传统FFT方法，能够准确地检测到并网时电流信号中的谐波分量，可以反映信号突变的时间点，对于非平稳电流信号具有一定的优势。
参考文献
[1] 曾正，赵荣祥，汤胜清，等.可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述[J].中国电机工程学报，2013，33（24）：1-12，21.
[2] 陈炜，艾欣，吴涛，等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J].电力自动化设备，2013，33（2）：26-32.
[3] 付周兴，赵永秀.电网谐波测量技术的现状与发展[J].工矿自动化，2004（2）：18-21.
[4] 周利东，滕欢.电力系统谐波分析的有效方法[J].四川电力技术，2010（1）：61-65.
[5] 汤赐，罗安，舒适，等.基于瞬时无功理论的谐波检测方法及其实现技术[J].变流技术与电力牵引，2007（4）：1-5.
[6] 周林，夏雪，万蕴杰，等.基于小波变换的谐波测量方法综述[J].电工技术学报，2006，21（9）：67-74.
[7] 王省富.样条函数及其应用[M].西安：西北工业大学出版社，1989.
[8] Huang NE， Chern CC， Huang K， et al.A new spectral representation of earthquake data： Hilbert spectral analysis of station TCU129，Chi-Chi，Taiwan，21 September 1999[J].Bulletin of the Seismological Society of America，2001，91（5）：1310-1338.
关键词：光伏并网 谐波检测 HHT改进算法
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）05（c）-0031-05
Abstract： At present， photovoltaic power generation is one of the important methods to solve environmental pollution and energy shortages. The application of a large number of power electronic devices in photovoltaic power generation systems generates a certain amount of harmonics， which in turn affects the power quality. However， photovoltaic power generation systems have higher requirements for power quality， so it is necessary to accurately detect and analyze harmonics to improve the power quality of the system. In this paper， based on the photovoltaic power generation system， an improved Hilbert-Huang transform （HHT） algorithm is proposed and verified by building an experimental platform. The results show that the method can accurately detect the harmonic content in the photovoltaic grid connection， so that it can quickly realize the grid-connected function with the same frequency in the same frequency as the large power grid.
Key Words： Photovoltaic grid-connected; Harmonic detection; HHT improved algorithm
新能源應用可以有效地缓解能源短缺和环境污染问题，引起人们的广泛关注，对其的研究越来越多[1]。太阳能是一种非常有发展前途的新能源，主要是因为它具有连续、清洁、安全可靠的优点。光伏并网系统能有效地将太阳能转换成电能，并通过逆变器馈入电网，有效地缓解能源危机和环境污染[2]。光伏并网系统中应用电力电子装置组成的转换器进行能量的转换和传输，这也是造成谐波源存在的原因[3]。然而谐波作为衡量电能质量的重要指标，因此对电网谐波的准确检测和分析是谐波影响研究的首要任务。
根据谐波的特征，目前已有不少学者提出了不同的谐波检测方法。文献[4]利用频域分析法对电力系统谐波进行了分析。文献[5]提出了一种基于瞬时无功理论的检测谐波方法。文献[6]阐述了电力系统中各种基于小波变换的电能质量分析方法。在微电网并网系统中存在的谐波，由于其具有随机性和非平稳性，因此采用一般的检测方法具有一定的局限性。然而希尔伯特-黄变换检测方法能够对非线性和非平稳信号进行分析，但是存在包络拟合和模态混叠的现象。该文根据微电网谐波的特点，提出了改进的希尔伯特-黄变换（HHT）检测方法。通过建立并网的微电网模型，用于谐波检测，并对该HHT算法存在一些不足进行了改进。利用改进后的算法对微电网的谐波进行检测，证明算法的可行性。
1 光伏发电系统建模
不同类型的微电网模式，分布式电源具有不同的接入方式。与此同时，需要针对微电网结构的特点进行谐波检测和分析。因此，有必要对微电网的模型进行研究。光伏电池是将光能转换为电能的转换装置。
1.1 光伏电池的数学模型
光伏电池的等效电路图如图1所示。当日照强度恒定时，则可将光电流看作是一个恒流源，电流流经二极管、并联电阻以及串联电阻，流出光伏电池最后流入负载。
1.2 光伏并网主电路及控制
该文采用了变换器和全桥逆变器，研究了三相两级式非隔离型的光伏并网结构，实现光伏系统的并网发电。如图2所示为三相光伏并网主电路结构。主电路的控制方式采用电压源输入和电流源输出的控制方式。
如图3所示为光伏并网控制策略原理，为了改善并网电流，抑制电网电压扰动，引入基于电流环控制的电网电压前馈补偿。
将光伏电池模型和并网逆变器模型相结合，建立了光伏发电系统模型，为后续谐波检测和分析提供了基础。
2 改进希尔伯特-黄变换（HHT）方法
针对非线性和非平稳信号的分析，为了弥补了传统检测方法对于非平稳信号检测存在的不足，广泛采用希尔伯特-黄变换的分析方法，但其也存在着包络线拟合、模态混叠等问题。因此提出了一种改进的包络线拟合方法用于解决HHT方法本身的包络线拟合问题;设计了数字高通滤波器去滤除基波分量，解决HHT方法在谐波检测中遇到的模态混叠现象。 2.1 包络线拟合方法的改进
任何复杂的信号可以由一组固有模式函数（IMF）组成。经验模态分解（EMD）是将信号分解为固有模态函数的方法。EMD方法是基于局部极值点拟合上包络线和下包络线，然后计算它们的平均线。HHT方法的起点就是经验模态分解。其拟合极值点的上下包络线采用三次样条插值函数。具有二阶光滑性的三次样条插值函数，其包络线不能将信号完全包含，容易出现过冲或下冲的现象[7]。因此该文提出求上包络线和下包络线采用分段三次Hermite插值方法。其过程如下。
然后将位于原始信号包络线外的数据点列出，将这些数据点作为新的极值点，插入到原始最大点的序列中，最后用分段三次Hermite插值曲线作为新的上下包络线进行拟合。
2.2 模拟混叠抑制方法的改进
在大多数情况下，微电网中基波分量的振幅比谐波分量大得多。采用传统的HHT方法进行信号经验模态分解，容易出现模态混叠问题。这主要是由于能量较小的IMF分量将会产生较大的误差，这将会影响到各IMF分量的分解结果[8]。为了解决模态混叠问题，该文对于抑制模态混叠提出改进HHT，同时实现不影响谐波分量的检测。其过程主要是在分析之前滤除幅值比较大的基波分量，则其余的高次谐波分量的幅值相对接近，这样就解决了混叠的问题。
2.3 综合改进思路
该文提出的包络线改进方法实际上是在不改变原始信号的基础上，对经验模态分解方法的改进。模式混叠抑制是基于电网和微电网中的谐波检测，通过对基波分量进行滤波，提高了谐波分量的检测精度。将这两种改进方法结合起来进行综合改进，不但实现了一定程度上避免模態混叠，而且能够提高谐波检测的精度。
3 光伏发电系统并网电流的谐波检测
3.1 光伏发电并网系统仿真
该文基于光伏发电系统的主电路的拓扑结构，建立光伏发电系统的微电网并网模型，并进行仿真得到并网电流。将改进的HHT算法用于含光伏发电系统的并网电流谐波分析。微电网与光伏发电系统的并网运行结构如图4所示。
并网光伏电流的基波幅值为20A。假定并网光伏逆变器中注入了0.8A的3次谐波，由于光照条件的变化，并网光伏逆变器中又增加了0.6A的5次谐波。在Matlab/Simulink中建立微电网仿真模型，得到PCC点电流波形，如图5所示。PCC点电流是一种非平稳电流信号。
3.2 光伏发电系统并网电流谐波检测与分析
光伏发电的并网系统整体结构如图6所示，主要由光伏电池、DC/AC电路、电源电路、控制电路、驱动电路和采样电路组成。
如图7所示为采用FFT方法对电流谐波检测的结果，可以看出，FFT方法能够准确检测出PCC点电流中存在的基波、3次谐波，但是FFT方法对于5次谐波的检测却有着明显误差，且其对于谐波的检测不能跟随电流信号变化的具体时刻，对于信号存在的间断性不能呈现，因此，采用FFT方法对于非平稳电流谐波的检测并不完美。
表1所示是PCC点的电流检测结果。可以看出，在IMF1中可以检测到0.1s之前的3次谐波，并且在0.1s之前和之后IMF1的瞬时振幅和频率已经改变，特别是在0.1s时;0.1s后，IMF1中可以提取出更高频率的5次谐波。在IMF2中可以检测到0.1s之前除去3次谐波没有的谐波，此时其瞬时幅值约为0，则频率没有参考性。而0.1s前后与IMF1发生相同变化。IMF2中0.1s后，从IMF2中提取3次谐波，幅度与IMF1的前0.1s一致，表明信号中总是有3个谐波。该文提出的方法可以准确地检测谐波信号中断的时间点，这对于微电网的随机和非平稳谐波检测具有重要意义。该方法更适合于微电网的谐波检测。
图8是实验测试的并网电流功率因数和谐波分析结果。系统的功率因数为0.99，满足电网连接的功率因数要求。其稳态基波电流为4.89A，并网电流THD=3.1%，也验证了该文提出的检测方法具有足够的检测精度。
4 结语
该文针对谐波的检测与分析提出了一种改进的希尔伯特-黄变换算法，首先建立了光伏发电并网系统的模型，在此基础上进行仿真，其次采用该文提出的方法对微电网的并网电流中存在的谐波进行检测和分析。通过仿真与实验验证，该文提出的方法相比传统FFT方法，能够准确地检测到并网时电流信号中的谐波分量，可以反映信号突变的时间点，对于非平稳电流信号具有一定的优势。
参考文献
[1] 曾正，赵荣祥，汤胜清，等.可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述[J].中国电机工程学报，2013，33（24）：1-12，21.
[2] 陈炜，艾欣，吴涛，等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J].电力自动化设备，2013，33（2）：26-32.
[3] 付周兴，赵永秀.电网谐波测量技术的现状与发展[J].工矿自动化，2004（2）：18-21.
[4] 周利东，滕欢.电力系统谐波分析的有效方法[J].四川电力技术，2010（1）：61-65.
[5] 汤赐，罗安，舒适，等.基于瞬时无功理论的谐波检测方法及其实现技术[J].变流技术与电力牵引，2007（4）：1-5.
[6] 周林，夏雪，万蕴杰，等.基于小波变换的谐波测量方法综述[J].电工技术学报，2006，21（9）：67-74.
[7] 王省富.样条函数及其应用[M].西安：西北工业大学出版社，1989.
[8] Huang NE， Chern CC， Huang K， et al.A new spectral representation of earthquake data： Hilbert spectral analysis of station TCU129，Chi-Chi，Taiwan，21 September 1999[J].Bulletin of the Seismological Society of America，2001，91（5）：1310-1338.