單相光伏并網系統新型復合控制策略研究

杜梟燃， 席自強

(湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心， 湖北 武漢 430068)

單相光伏并網系統新型復合控制策略研究

杜梟燃， 席自強

(湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心， 湖北 武漢 430068)

針對戶用小型光伏發電系統，提出一種基于重復控制和電壓前饋控制相結合的新型復合控制策略。建立相應單相光伏并網系統的數學模型，對單相光伏并網系統的工作原理進行了深入的分析，并搭建一個6 kW單相光伏并網系統的實驗平臺。實驗樣機結果表明，該控制策略能使單相光伏并網逆變器得到更優的并網電流波形，降低總諧波畸變率。

并網逆變器； 重復控制； 電壓前饋； 諧波畸變率

在光伏發電系統里面，逆變器有著至關重要的作用。逆變器工作效率決定了光伏發電系統并網電壓質量的高低。傳統的逆變器在輸出端和工頻隔離變壓器連接以實現電氣隔離的作用，但是這樣一來會使成本變高、損耗增大甚至影響系統效率。無變壓器型光伏逆變器以其效率高、體積小、成本低，被廣泛應用于小功率光伏發電系統中[5-7]。然而，少了隔離變壓器之后，光伏電池部分和電網之間存在電氣的直接連接，光伏系統與大地之間會有寄生電容，當寄生電容上的共模電壓發生改變的時候，會產生共模電流，導致并網電流的畸變[8-9]；同時還會在并網過程中使電網電流含有較大直流分量，引起電網系統中分布變壓器的飽和[10]。

本文提出一種在改進型的全橋逆變器拓撲結構下，采用重復控制和電壓前饋控制相結合的復合控制策略，并合理選擇低偏移量的工作器件，將逆變器中輸出電流里面的直流分量進行較好的抑制。該逆變器不僅可以抑制共模電流，而且使直流分量降到最低。對于解決無變壓器型單相光伏并網系統中出現的問題十分有效。

1 并網逆變器的拓撲選擇

采用的單相光伏并網系統拓撲結構見圖1。其中開關管VT1～VT4的導通和關斷是根據正弦調制波和三角載波的比較來控制，而開關管VT5、VT6則是在電網電流的正負半個周期內分別進行導通。其系統具體分析如下：

在電網電流的正半周期內，開關管VT5將會導通，一旦正弦調制波超過三角載波，開關管VT1、VT4將會導通，此時的共模電壓即為

vcm=0.5(vao+vbo)=0.5(VPV+0)=0.5VPV

(1)

而當正弦調制波低于三角載波時，開關管VT1、VT4將會關斷，電流就會經二極管VD7和開關管VT5來續流。同理，開關器件的關斷阻抗會影響寄生電容的放電。vao，vbo即會近似保持在0.5VPV，所以有

vcm=0.5VPV

(2)

從式(2)可以看出，在正半周期內的穩定狀態下VPV保持不變，則共模電壓幾乎恒定不變，從而使得共模電流得到很好地抑制。

圖 1 混合橋臂拓撲

而在負半周期的時候，共模電壓的分析與正半周期內的情況近似。

分析比較上述工作情況容易看出該拓撲結構能夠很好抑制共模電流，與此同時全橋型的結構可以降低輸出端濾波電感上的損耗，提高了逆變器的工作效率。

2 并網逆變器的控制策略

2.1電壓前饋控制策略

未加上電壓前饋控制的單相光伏并網控制系統結構框圖見圖2。

圖 2 未加電壓前饋的并網控制系統框圖

由于本系統是有源逆變，所以受電網系統影響較大，如電網內部發生變化，那么該系統的輸出并網電流也會產生相應的畸變，不能滿足國家有關規定的并網標準。

由圖2可知，當電網端電壓變化Δunet時，系統并網電流iC也會相應發生變化，輸出即為

(3)

由式(3)可以看出，當電網電壓突變的時候，并網系統的輸出電流也會發生變化，從而導致系統不再穩定。為了解決該問題，必須采取有效的措施來抑制這種變化。

本文選擇在單相光伏并網系統中加入電網電壓前饋補償環節來改善整個系統的穩定性。加上電壓前饋控制的單相光伏并網控制系統結構框圖見圖3。

圖 3 電壓前饋并網控制系統框圖

由圖3可知，在系統加入電網電壓前饋補償環節之后可以得到電流變化為：

(4)

如果令G4(s)=1/G2(s)，則式(4)為零，從而可以消除電網電壓的變化對該系統的影響。通過增加一個電壓前饋控制環節，來給出一個和電網電壓相對應的合適占空比，從而解決了由于電網電壓的變化對整個系統的影響。

2.2直流分量抑制控制策略

從控制角度來說，由于光伏并網逆變器輸出端的高頻 SPWM波中含有一定量的直流電流分量，從而引起直流分量的產生。直流電流分量來源大致可以分為四類：最初給定正弦波信號中所含有的直流電流分量；由于控制系統所引起的直流電流分量；由于脈沖分配不均勻及形成死區電路而引起的直流電流分量；由于開關管特性無法保證完全一致而引起的直流電流分量。

在上述的幾種影響因素中，實際可能性和實際影響性相對較大的是第一種和第二種影響因素。而在后兩種影響因素中，系統電路只需要處理 SPWM開關信號，合理的設計可以使得其對整個系統的影響相對較小。

直流電流分量產生的原因是因為脈寬總量的和不為零。因此本文采用重復控制策略來使它平衡，達到改善整個系統穩態性能，消除相應死區效應和電網系統電壓畸變的目的。

通過軟件來抑制直流電流分量的最終目的是：在一個周期內調制波和三角波比較后輸出脈寬量的總和為零[15]。因此可用式(5-6)表示：

(5)

(6)

假設 SPWM為理想調制方式，則：

(7)

式中，K為理想調制的增益。

由式(7)很容易看出，若要整個系統的直流分量為零，其實只需要在一個工頻周期內vc對時間的總積分為零即可。因此，只需要把一個工頻周期的調制波vc在相應的每個工頻周期內進行累加，并確保它的和為零，就可以使整個控制系統中無直流電流分量。而當其累加之和不為零的時候，就把這個累加值作為下一個工頻周期內調制量vc的修正值，從而確保直流電流分量為零。

3 實驗驗證

為進一步驗證該拓撲結構和控制策略的可行性，基于TI公司的DSP芯片(TMS320F28335)，研制了一套6000 VA原理樣機。雖然光伏發電的電壓受環境影響較大，但是在非常短的周期內可以將其當作恒定值來處理。逆變器輸入電壓600 V，開關頻率f=20 kHz，開關管是型號為FF100R12KS4的IGBT。電網電壓vg=220 V，頻率fg=50 Hz。

當逆變器輸出功率為2.5 kW時，實驗測得的電網電壓vg、并網電流ig的波形見圖4。

圖 4 并網電流與電網電壓波形圖

適當增加逆變器的輸出功率。當逆變器輸出功率為5kW時，實驗測得的電網電壓vg、并網電流ig的波形如圖5所示。

圖 5 并網電流與電網電壓波形圖

再次增大逆變器的輸出功率。當逆變器輸出功率為極限值6kW時，實驗測得的電網電壓vg、并網電流ig的波形如圖6所示。

圖 6 并網電流與電網電壓波形圖

從上述實驗結果可知，在本文所提出的控制策略下，單相光伏并網逆變器可以產生較為理想的并網電流波形，并且系統總諧波畸變率也不高。

在其它實驗參數不改變，僅改變市電電壓條件下又做了一系列實驗，得到不同電網電壓等級下的總諧波畸變率(表1)。

表1 不同電網電壓等級下總諧波畸變率

實驗結果表明，本系統在不同的電壓等級下，表現出的并網能力都是滿足國家標準的。從表1中的數據知，雖然實驗中的參數是在市電電壓220V 的條件下進行調節的，但是當市電電壓產生波動時，THD值依舊沒有發生太大的變化。

4 結論

本文采用電網電壓前饋控制和重復控制相結合的新型復合控制策略，對單相光伏并網發電系統的輸出電流進行控制。在同樣的并網條件下，該控制策略所產生的總諧波畸變率在標準的規定值范圍內，從而確保了該系統的輸出電流能夠滿足并網的要求。實驗結果表明：本文提出的單相光伏并網發電系統控制策略能使整個系統具有良好的動態性能和穩態性能。

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[責任編校：張巖芳]

NewCompositeControlStrategyforSingle-phasePhotovoltaicGrid-connectedSystem

DU Xiaoran , XI Ziqiang

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

A new compound control strategy based on repetitive control and voltage feedforward control is proposed for small household photovoltaic power generation system. The mathematical model of the single-phase photovoltaic grid-connected system is established, and the working principle of the single-phase PV grid-connected system is analyzed deeply, and an experimental platform of a 6kW single-phase photovoltaic grid-connected system is built. The experimental results show that the control strategy can make the single-phase PV grid-connected inverter get better parallel current waveform and reduce the total harmonic distortion rate (THD).

Grid connected inverter; repetitive control; voltage feedforward; harmonic distortion rate

2016-08-15

杜梟燃(1988-)， 男， 湖北十堰人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化

席自強(1960-)，男，湖南東安人，工學博士，湖北工業大學教授，研究方向為電力系統及其自動化

1003-4684(2017)05-0085-04

TM464

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