單相光伏并網(wǎng)逆變器直流注入抑制策略

馬亞勇，于少娟

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

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單相光伏并網(wǎng)逆變器直流注入抑制策略

馬亞勇，于少娟

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

直流注入抑制是無變壓器非隔離型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。IEEE Std.929-2000規(guī)定直流注入必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%.針對這一問題，從控制理論和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度出發(fā)，分別提出了基于電網(wǎng)電壓前饋的檢測反饋控制策略和新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬電容控制方法，給出了兩種控制策略的控制框圖。通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真平臺，分別對未加入直流注入抑制策略以及本文提出的兩種控制策略進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明提出的兩種控制策略能夠有效抑制直流分量注入，與電網(wǎng)電壓前饋的檢測反饋控制策略相比，采用新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬電容控制時具有輸出電流THD低，電能質(zhì)量好的優(yōu)勢，仿真結(jié)果驗(yàn)證了研究控制算法的有效性和可行性。

光伏并網(wǎng)逆變器；直流注入；虛擬電容；電壓前饋；比例諧振

隨著化石能源的不斷消耗以及全球變暖問題的加重，能源危機(jī)和環(huán)境污染得到了世界各國的廣泛關(guān)注。大力開發(fā)利用可再生能源是解決上述問題的重要舉措，光伏發(fā)電是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中主要形式之一，根據(jù)統(tǒng)計，到2012年，全球累計光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)量已經(jīng)達(dá)到100 GW，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的主要集中在歐洲國家，如德國、西班牙和意大利等[1]。我國的光伏產(chǎn)業(yè)也在快速發(fā)展，到2015預(yù)計達(dá)到35 GW[2]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常存在兩種形式：單級式和兩極式，然而無論哪種組成結(jié)構(gòu)都需要采用電壓源型逆變器作為并網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，通過對逆變器進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電[3]。早期，光伏逆變器輸出側(cè)接入傳統(tǒng)電力隔離變壓器，但是由于存在體積大和成本高等問題使得非隔離型光伏逆變器得到了快速發(fā)展。盡管去掉工頻隔離變壓器可以減小逆變器體積，提高效率，于此同時也帶來了新的問題，其中直流注入是非隔離型并網(wǎng)逆變器的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。直流注入將會引起變壓器飽和，波形失真，增加損耗，使得交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩或者發(fā)熱等[4]。近年來，針對這一問題，各國相應(yīng)制定了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流注入的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中IEEE Std.929-2000規(guī)定直流注入必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%.

為了避免直流注入引起的危害，可以采用半橋拓?fù)浠蛘吒糁彪娙輥硪种浦绷鞣至孔⑷耄霕蛲負(fù)湓诓煌拈_關(guān)狀態(tài)下，并網(wǎng)電流都流過直流電容，因此能夠有效避免直流注入，然而半橋拓?fù)湟箝_關(guān)器件耐壓高，隔直電容在交流輸出側(cè)串聯(lián)大電容將會引起逆變器體積增加[5]。文獻(xiàn)[6]采用虛擬電容方式解決直流注入問題，通過疊加電流前饋消除直流分量，在此基礎(chǔ)上還提出了三相并網(wǎng)逆變器的虛擬電容策略[7-8]。文獻(xiàn)[9]提出了基于PR和PI聯(lián)合控制的直流注入抑制策略。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于無差拍并網(wǎng)逆變器直流注入控制方法，通過電壓和電流校正，并結(jié)合簡單的電流過零檢測方法抑制直流分量。文獻(xiàn)[11]在傳統(tǒng)控制器基礎(chǔ)上增加了一個積分控制支路抑制直流注入。

本文主要關(guān)注單相并網(wǎng)逆變器直流注入問題，本文首先在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上給出了單相并網(wǎng)逆變器的傳遞函數(shù)以及控制框圖，分析了影響輸出電流的因素以及抑制直流注入的機(jī)理。為了解決光伏逆變器注入問題，本文分別從控制角度以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。從控制角度出發(fā)，以單相H橋逆變器作為研究對象，采用具有電網(wǎng)電壓前饋的檢測反饋控制策略。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)方面研究了一種改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，論述了改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本原理以及基于PR控制的虛擬電容方法。最終通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，對本文所研究的兩種不同策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 單相并網(wǎng)逆變器的控制策略

典型單相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)側(cè)采用單電感濾波器。

圖1 單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1，通過KVL能夠得到：

(1)

式中：udc表示直流電壓，L表示濾波電感，R表示濾波電感等效串聯(lián)電阻，i表示電網(wǎng)電流，e表示電網(wǎng)電壓，s表示開關(guān)函數(shù)。當(dāng)采用雙極性控制時，開關(guān)函數(shù)可以表示為：

(2)

將式(1)經(jīng)過拉普拉斯變換得到控制對象傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

(3)

單相并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)運(yùn)行期間可以看作為受控電流源，通過控制電流來控制功率，其傳遞函數(shù)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)模型

圖3 PR調(diào)節(jié)器的伯德圖

根據(jù)圖2，通過疊加定理可以得到輸出電流的傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

(4)

式中：G(s)表示調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，K表示PWM增益。從式(4)看出輸出電流同時受到兩個因素影響：參考電流和電網(wǎng)電壓。在單相逆變器控制中，由于參考值為交流量，因此傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器在50 Hz頻率處不具有無窮大增益，因此不能實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，在此選用比例諧振調(diào)節(jié)器，可以表示為：

(5)

式中：kp和kR分別為比例系數(shù)和諧振系數(shù)，ω為基波角頻率。

根據(jù)式(5)，選取kp=0.1，kR=10，通過伯德圖能夠得到PR調(diào)節(jié)器的頻率特性如圖3所示，可以看出在頻率為50 Hz處，相頻特性增益為300 dB，可以實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)。

2 改進(jìn)的直流注入抑制策略

從圖2可以看出，輸出電流主要受到參考電流和電網(wǎng)電壓擾動的影響，因此當(dāng)參考電流和電網(wǎng)電壓如果存在直流分量將會導(dǎo)致輸出電流含有直流分量，為了抑制直流分量注入，本文在此從控制理論和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度上分別研究了兩種有效的直流注入抑制策略，下面進(jìn)行分別介紹。

2.1 帶有電網(wǎng)電壓前饋的檢測反饋控制策略

為了抑制直流注入，本文首先從控制層面進(jìn)行分析。當(dāng)參考值存在直流分量時，經(jīng)過檢測輸出電流提取直流分量，然后將其與參考值0做閉環(huán)控制，最后將閉環(huán)控制輸出疊加到電流參考值中進(jìn)而補(bǔ)償直流分量。而當(dāng)電網(wǎng)電壓含有直流分量時，可以采用電網(wǎng)電壓前饋控制來補(bǔ)償電網(wǎng)電壓引起的影響。基于上述分析，本文所研究的基于電網(wǎng)電壓前饋的檢測反饋控制策略框圖如圖4所示。

圖4 基于電網(wǎng)電壓前饋的檢測反饋控制策略框圖

從圖4可以看出，首先將電網(wǎng)電壓經(jīng)過單相PLL獲得電網(wǎng)電壓相位信息，并獲得單位正弦信號，將其與幅值相乘得到電流給定值。其次將輸出電流經(jīng)過直流分量提取模塊獲得輸出電流內(nèi)部的直流分量，直流分量有幾種檢測方法，本文采用文獻(xiàn)[12]提出的方式。將得到的直流分量與參考值0做差后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)器輸出疊加到電流參考進(jìn)而獲得補(bǔ)償之后的電流參考值，將其與實(shí)際輸出電流相減經(jīng)過PR調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，并結(jié)合電網(wǎng)電壓前饋分量獲得調(diào)制信號[13]。最終將調(diào)制信號與載波信號比較獲得開關(guān)管S1～S4驅(qū)動脈沖。

2.2 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬電容控制策略

前面從控制角度上研究了解決直流注入的控制方法，在此從拓?fù)浔旧斫Y(jié)構(gòu)角度進(jìn)行分析。為了解決直流注入問題，文獻(xiàn)[14]提出了一種改進(jìn)型拓?fù)?，并且給出了相應(yīng)的控制策略，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。改進(jìn)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在H橋拓?fù)渖显黾恿藛蜗嗾鳂蚝鸵粋€IGBT開關(guān)管。兩者之間的區(qū)別在于通過控制新增加的IGBT，在其導(dǎo)通期間逆變器工作在續(xù)流狀態(tài)，因此能夠隔離逆變器的直流側(cè)和交流側(cè)，最終使得直流分量無法注入電網(wǎng)，進(jìn)而有效的避免直流注入對系統(tǒng)引起的危害。

改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理主要分為兩個部分：當(dāng)電壓為正期間，S2、S3一直保持關(guān)斷，S1和S4處于工作狀態(tài)，S5的開關(guān)狀態(tài)恰好與S1和S4相反。當(dāng)S1和S4開通時，逆變器工作在逆變模式，當(dāng)S1和S4關(guān)斷時，工作在續(xù)流模式。同理，當(dāng)電壓為負(fù)期間，S1、S4一直關(guān)斷，S2和S3處于工作狀態(tài)，S5的開關(guān)狀態(tài)與S2和S3相反。當(dāng)S2和S3導(dǎo)通時，逆變器工作在逆變模式，否則工作在續(xù)流模式。

圖5 新型的單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

為了解決直流注入問題，本文在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，本文為了實(shí)現(xiàn)對交流分量零穩(wěn)態(tài)誤差控制，采用PR調(diào)節(jié)器并結(jié)合電網(wǎng)電壓前饋控制策略，其控制框圖如圖6所示。首先需要采集電網(wǎng)電壓，通過單相鎖相環(huán)獲得電網(wǎng)電壓相位信息進(jìn)而合成電流參考值，采用虛擬電容控制并結(jié)合電網(wǎng)電壓前饋，在調(diào)制過程中需要判斷正負(fù)周期，根據(jù)電流參考值與0進(jìn)行比較，當(dāng)大于0時判斷處于正半周，此時S1和S4開始工作，而S3和S4關(guān)斷。當(dāng)電流參考值小于0時判斷處于負(fù)半周，此時S2和S3開始工作，而S1和S4關(guān)斷，在兩種情況下，S5的工作狀態(tài)與其相反。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證本文研究控制算法的有效性，通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺。系統(tǒng)參數(shù)主要參數(shù)：直流電壓為400 V，電網(wǎng)電壓有效值為220 V/50 Hz，網(wǎng)側(cè)濾波電感為3 mH，開關(guān)頻率為10 kHz.下面分別對傳統(tǒng)單相H橋逆變器以及本文所研究的兩種改進(jìn)的控制策略進(jìn)行仿真研究。

圖6 改進(jìn)單相并網(wǎng)逆變器的控制策略

3.1 未加入直流注入控制仿真結(jié)果

首先對未加入直流注入抑制策略情況進(jìn)行仿真研究。由于電網(wǎng)電壓含有直流分量時可以用電網(wǎng)電壓前饋抑制，因此本文主要考慮電流參考值含有直流分量，設(shè)置Iref=10sinωt+1，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 未加入直流注入抑制策略的仿真結(jié)果

從圖7中可以看出，當(dāng)逆變器電流參考值中存在直流分量時，由于未加入抑制直流分量控制策略導(dǎo)致輸出電流存在直流偏置，從電流FFT分析結(jié)果中看出輸出電流含有1 A的直流分量。

3.2 電網(wǎng)電壓前饋的檢測反饋控制策略仿真結(jié)果

在此采用本文研究的電網(wǎng)電壓前饋的檢測反饋控制，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 改進(jìn)型檢測反饋法的仿真結(jié)果

圖9 改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬電容控制的仿真結(jié)果

與傳統(tǒng)方法對比可以看出輸出電流不存在直流偏置，能夠?qū)崿F(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，直流分量近似為零。

3.3 改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬電容控制策略仿真結(jié)果

前面對第一種改進(jìn)控制進(jìn)行了仿真研究，下面主要對改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并且采用虛擬電容控制策略進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9給出了改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)虛擬電容的仿真結(jié)果，與圖8對比可以看出，該方法不僅可以抑制直流分量，且電流THD更小，波形質(zhì)量更高。

4 結(jié)論

為了解決非隔離光伏并網(wǎng)逆變器直流注入問題，本文分別從控制角度以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度出發(fā)，研究了兩種有效的方法抑制直流注入，給出了兩種控制策略的框圖，并且進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明兩種控制方法都可以有效避免直流分量注入到電網(wǎng)，同時改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的虛擬電容策略輸出電流THD更小，電流的波形質(zhì)量更高。

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DC Injection Control Strategy for Non-isolated Single-phase PV Grid-connected Inverters

MA Ya-yong，YU Shao-juan

(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

DC injection suppression is one most of technological challenge for transformerless photovoltaic grid-connected power systems.IEEE Std.929-200 specifies that the DC current is smaller than 0.5% of the full rated output current.In order to solve the problem，detection feedback control strategy based on grid voltage feedforward and virtual capacitor control method based on novel topology are proposed from the view of control theory and topology structure，and the control structures of two control strategies are given.Simulation platform of the system is built by Matlab/Simulink software，and the control strategy without DC injection suppression and the two proposed control strategies are studied.The simulation results show that the two proposed control strategies can effectively restrain DC component injection，comparing with detection feedback control strategy based on grid voltage feedforward，virtual capacitor control method based on novel topology has low output current THD and good power quality，the effectiveness and feasibility of the researched control method are verified by simulation results.

photovoltaic grid-connected inverter，DC injection，virtual capacitor，voltage feed-forward，proportional resonant

2015-11-02

山西省教改項目(J2011130，J2013064)；太原科技大學(xué)博士基金(20122033)

馬亞勇(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代控制理論在電氣傳動中的應(yīng)用；通信作者：于少娟教授，E-mail：yushao71@yeah.net

1673-2057(2016)05-0365-06

TM464

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.006