一種低諧波畸變的平滑光伏并網(wǎng)調(diào)制策略研究

李偉峰

（河南工學(xué)院電氣工程系，河南新鄉(xiāng)　453000）

一種低諧波畸變的平滑光伏并網(wǎng)調(diào)制策略研究

李偉峰

（河南工學(xué)院電氣工程系，河南新鄉(xiāng)453000）

單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制普遍應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器有源濾波器中。綜合比較單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制的基本調(diào)制策略、開(kāi)關(guān)動(dòng)作、運(yùn)行模式的影響、諧波電流和效率等，在此基礎(chǔ)上，提出了一種融合單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制優(yōu)點(diǎn)的混合調(diào)制策略，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性和可行性。

有源濾波器；單極性調(diào)制；雙極性調(diào)制；混合調(diào)制；光伏并網(wǎng)

近年來(lái)，全球?qū)π履茉吹男枨笤黾?，在很大程度上推?dòng)了光伏并網(wǎng)發(fā)電發(fā)展速度，其對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的作用同樣愈發(fā)凸顯?，F(xiàn)階段，中國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，例如輸配電方法比較滯后，結(jié)構(gòu)不足等，因此，怎樣提升電壓質(zhì)量是業(yè)界急需解決的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)［1］。現(xiàn)階段，伴隨電力技術(shù)的逐漸發(fā)展，業(yè)界專(zhuān)家學(xué)者紛紛開(kāi)始探討光伏并網(wǎng)發(fā)電相關(guān)問(wèn)題。在分布式發(fā)電逐漸推廣的當(dāng)今社會(huì)，能夠高效地利用電能，還能夠?qū)﹄妷嘿|(zhì)量進(jìn)行改善［2］。

單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器由于其體積小、質(zhì)量輕、效率高［3］等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。逆變器正是由于具有一系列的優(yōu)勢(shì)，其對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益起著非常關(guān)鍵的作用［4］。鑒于這方面的原因，今后高質(zhì)量逆變電源必將發(fā)展成一大熱點(diǎn)問(wèn)題。

圖1　單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　Main circuit topology of non-isolated single-phase grid-connected PV inverter

最常用的單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為全橋逆變，如圖1所示。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由Boost升壓電路和全橋逆變電路構(gòu)成，Boost升壓電路的主要作用是升高太陽(yáng)能板輸出的直流電壓到400 V和實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），后級(jí)全橋逆變電路主要是將直流電轉(zhuǎn)化成交流電。后級(jí)全橋逆變電路的調(diào)制方式主要分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種，單極性調(diào)制在諧波、紋波及效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在無(wú)功控制的電路中存在電流過(guò)零點(diǎn)畸變的問(wèn)題；雙極性調(diào)制可以有效處理電流過(guò)零點(diǎn)畸變的問(wèn)題，然而，需要注意的是，其存在一系列的不足之處，例如開(kāi)關(guān)損耗大等。為此，綜合以上2種方式，本文提出一種混合調(diào)制的思想，最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該思想的有效性和可行性。

1　單極性和雙極性調(diào)制的比較

兩者的控制方式波形見(jiàn)圖2，其中，Ur為正弦波，第一種之中，Ut在Ur正、負(fù)半周分別是正、負(fù)極性的三角波；另一方面，使用雙極性的時(shí)候，Ut在Ur的半周期時(shí)間范圍內(nèi)是有正有負(fù)的。需要注意的一個(gè)問(wèn)題是，兩者均在Ur與Ut相交點(diǎn)對(duì)IGBT的通斷進(jìn)行控制［5］。

圖2　PWM控制波形Fig.2　PWM control waveform

非常明顯，第二種方式下，4個(gè)IGBT都在高頻通斷條件下運(yùn)行，這樣造成相對(duì)較高的干擾與損耗。圖3展示了兩者的逆變器輸出電壓及電感電流的波形。

單極性調(diào)制下，電感電流與逆變器輸出電壓的關(guān)系如下：

那么紋波電流可以表示為：

逆變器輸出電壓經(jīng)過(guò)LCL濾波電路后，有：

圖3　逆變器輸出電壓及電感電流波形Fig.3　Output voltage and inducer current waveform of the inverter

式中：μ為調(diào)制比，令μ=0.8。將式（3）～式（5）代入式（2）得：

同理可得，雙極性調(diào)制方式的紋波電流可以表示為：

圖4單極性、雙極性調(diào)制下在0＜ωt＜π范圍之內(nèi)的紋波電流曲線，在這里，其幅值處于π＜ωt＜2π范圍之內(nèi)以相同的趨勢(shì)變化。通過(guò)圖形發(fā)現(xiàn)，單、雙極性調(diào)制電流過(guò)零點(diǎn)分別有最大和最小的紋波電流。

2　單極性調(diào)制電流過(guò)零點(diǎn)畸變分析

如圖5所示，可以看出，指令電流在過(guò)零點(diǎn)位置沒(méi)有發(fā)生任何畸變現(xiàn)象，因此，我們推斷其之所以出現(xiàn)，關(guān)鍵問(wèn)題出在求取開(kāi)關(guān)模式上，而并非求取控制量上［6］?；诖耍恼碌闹攸c(diǎn)工作是研究過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻IGBT的開(kāi)關(guān)狀況與電感電流的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程。圖6與圖7分別展示了并網(wǎng)電流超前與滯后于電網(wǎng)電壓情況下的過(guò)零點(diǎn)波形圖。

由圖6、7能夠看出，單極性并網(wǎng)逆變控制中，在過(guò)零點(diǎn)位置將出現(xiàn)無(wú)法避免的能量突變，究其根源，主要是因該方式所具有的控制特點(diǎn)所致，正是這一個(gè)方面的原因，所以，該方式已很難滿足無(wú)功控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。而相對(duì)于單極性調(diào)制而言，雙極性調(diào)制卻沒(méi)有這方面的問(wèn)題，這屬于其所具有的突出優(yōu)點(diǎn)［7］。從圖8能夠發(fā)現(xiàn)，雙極性調(diào)制方式在過(guò)零點(diǎn)位置能夠十分平滑，電流波形較為理想。

圖4　紋波電流幅值曲線Fig.4　Amplitude curve of the ripple current

圖5　單極性調(diào)制并網(wǎng)電流及電網(wǎng)電壓波形Fig.5　Grid current and voltage waveform of the unipolar modulation

3　混合調(diào)制策略的分析

對(duì)于單、雙極性調(diào)制2個(gè)方式來(lái)說(shuō)，前者具有的突出優(yōu)點(diǎn)是諧波、效率等，后者具有的突出優(yōu)勢(shì)是并網(wǎng)電流控制效果相對(duì)較高。因此，探討同時(shí)兼具上述2個(gè)方式優(yōu)勢(shì)的方式具有非常重要的價(jià)值。

圖6　單極性調(diào)制電流超前的并網(wǎng)工作波形Fig.6　Grid operating waveform of the current leading of unipolar modulation

圖7　單極性調(diào)制電流滯后的并網(wǎng)工作波形Fig.7　Grid operating waveform of the current lagging of unipolar modulation

通過(guò)分析第1種方式過(guò)零點(diǎn)畸變的波形圖可知，對(duì)于指令電流與電網(wǎng)電壓兩者來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩者極性一樣的時(shí)候，能夠有效控制并網(wǎng)電流；而當(dāng)兩者不一致的時(shí)候，便會(huì)出現(xiàn)畸變。因此，要設(shè)計(jì)基于2種方式的混合調(diào)制：當(dāng)兩者的極性一致時(shí)尋找第1種方式，最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)；而當(dāng)兩者極性不一致時(shí)，選擇第2種方式，從而達(dá)到過(guò)零點(diǎn)的平滑過(guò)渡［8］。圖9為混合調(diào)質(zhì)的示意圖，調(diào)制信號(hào)的求取均通過(guò)無(wú)差拍算法進(jìn)行。

圖8　雙極性調(diào)制并網(wǎng)電流及電網(wǎng)電壓波形Fig.8　Grid current and voltage waveform of the bipolar modulation

圖9　混合調(diào)制原理示意圖Fig.9　Schematic of the hybrid modulation principle

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以一款3 kW單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為全橋逆變，工作在滿載即3 kW的情況下對(duì)3種方式控制并網(wǎng)逆變器輸出電流的相位超前或滯后于電網(wǎng)電壓，調(diào)整功率因數(shù)調(diào)整至±0.95附近，測(cè)試結(jié)果分別如下：

如圖10所示，單極性調(diào)制下的電流過(guò)零點(diǎn)畸變情況與分析結(jié)果一致，并網(wǎng)電流總諧波畸變量為9.824%。

如圖11所示，雙極性調(diào)制下的并網(wǎng)電流在電壓過(guò)零點(diǎn)位置能夠?qū)崿F(xiàn)平滑過(guò)渡，并未發(fā)生畸變。總畸變量是3.5%。

如圖12所示，混合調(diào)制下的并網(wǎng)電流在過(guò)零點(diǎn)位置同樣能夠?qū)崿F(xiàn)平滑過(guò)渡，同樣未發(fā)生畸變。同時(shí)其總畸變量是2.5%，要明顯優(yōu)于雙極性調(diào)制策略。

圖10　單極性調(diào)制的并網(wǎng)電流波形圖Fig.10　Gird current waveform of the unipolar modulation

圖11　雙極性調(diào)制的并網(wǎng)電流波形圖Fig.11　Gird current waveform of the bipolar modulation

5　結(jié)論

由測(cè)試結(jié)果可知，三種調(diào)制方式在作無(wú)功控制時(shí)，總諧波畸變依次是9.824%，3.5%，2.5%。所以，混合調(diào)制同時(shí)兼具第一和第二種方式的優(yōu)勢(shì)，在單位功率因數(shù)輸出時(shí)，主要通過(guò)第一種方式來(lái)控制，體現(xiàn)出第一種方式的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，在作無(wú)功控制時(shí)，能夠通過(guò)第二種方式來(lái)控制，這樣就能夠盡可能地確保并網(wǎng)逆變器將優(yōu)質(zhì)的電能傳給電網(wǎng)，最終能夠?yàn)楣夥⒕W(wǎng)提供一種科學(xué)合理的調(diào)制方式。

圖12　混合調(diào)制的并網(wǎng)電流波形圖Fig.12　Gird current waveform of the hybrid modulation

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Research On Smooth Modulation Strategy with Low Harmonic Distortion for Active Power Filter of PV Grid-Connection

LI Weifeng
（Department of Electrical Engineering，Henan Institute of Technology，Xinxiang 453000，Henan，China）

Both unipolar and bipolar modulations are widely used in the active power filter of PV grid-connected inverter.This paper presents a comprehensive comparison between the two modulation strategies in terms of basic switching action，effects on operation mode，current harmonics，efficiency and etc.Furthermore，a hybrid modulation strategy with the fusion of the unipolar and bipolar modulation is proposed in this paper.Numerical and experimental results are given to demonstrate the effectiveness and validity of the proposed method.

active power filter（APF）；unipolar modulation；bipolar modulation；hybrid modulation；PV grid-connected inverter

1674-3814（2015）12-0113-05

TM615

A

2015-08-06。

李偉峰（1979—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化工程。

（編輯徐花榮）

河南省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（13A470216）基于數(shù)據(jù)流技術(shù)的風(fēng)電系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。

Project Fund：Research on the Real-Time Monitoring Technology of Voltage Fluctuation and Flicker of Wind Power System Based on Data Stream Technology Supported by Key Project of Natural Science Research of Department of Education of Henan Province（13A470216）.