基于比例諧振控制的單相并網逆變器偏移誤差分析與抑制

棗莊礦業（集團）有限責任公司岱莊煤礦 侯玉勝

基于比例諧振控制的單相并網逆變器偏移誤差分析與抑制

棗莊礦業（集團）有限責任公司岱莊煤礦 侯玉勝

在單相并網逆變器中，電流傳感器、不平衡電壓和元器件的非線性特性都會導致相電流出現偏移誤差。當包含偏移誤差的相電流用于電流控制時，會直接導致直流側(DC)出現偏移，網側電流出現二次諧波分量。DC偏移量和二次諧波分量會降低并網逆變器的效率。本文提出了一種基于比例諧振(PR)控制的單相并網逆變器偏移誤差補償算法，并通過仿真驗證了該算法的有效性。

單相并網逆變器；比例諧振控制；誤差分析；補償算法

0 引言

在單相并網逆變器中，保證網側電流控制的穩定是逆變器高效運行的必要條件。對電流控制來說，網側電流需要通過電流傳感器，模擬元件以及模-數轉換器(ADC)來測量。在測量過程中，一些非線性特性會導致偏移誤差的出現[1]。對偏移誤差補償來講，需要使用硬件電路來檢測誤差，但這會增加硬件電路的體積和重量[2]。用算法實現時，將相電流測量的偏移和量化誤差和電網頻率關聯起來，然后從中提取誤差信息[3]。由于相電流測量模塊和誤差補償模塊集成在一起，會產生一個周期的延遲，因此瞬態響應能力會降低。文獻[4]中，電流控制使用PR控制器，將相電流被轉換成dq同步參考坐標系下，從d軸電流中提取出偏移誤差產生的脈動成分。但是，PR控制器對偏移誤差變化較為敏感，這給PR控制器的使用帶來了困難。

本文對網側電流使用PR控制器時的偏移誤差進行了理論分析。同時，提出了一種偏移誤差補償算法，并應用于二階廣義積分器（SOGI）,全通濾波器（APF）和低通濾波器（LPF）。該算法補償了由偏移誤差產生的DC和二次諧波分量，提高了單相并網逆變器的穩定性和高效運行能力，并通過仿真驗證了該算法的有效性。

1 系統誤差分析

圖1所示為單相并網逆變器系統，包括電流PR控制器，DC電壓控制器和鎖相環（PLL）。

圖1 基于PR控制的單相并網逆變器框圖

圖2所示為電流測量過程，從圖2可以看出，相電流通過電流傳感器，外圍電路，模擬元件如LP和ADC。由于電流測量過程中的非線性特性，實際測量值包括實際值，偏移和量化誤差。其中，量化誤差不會影響單相系統，因此在本文中忽略了量化誤差。

圖2 電流誤差產生過程

網側電流測量值可以表示為：

當相電流包含偏移誤差時，系統的輸出功率可以表示為：

由式(2)可以看出，輸出功率包含了偏移誤差造成了脈動分量，脈動分量的頻率和電網頻率相同。脈動分量也以同樣的形式在直流電壓中出現。因此，直流電壓輸出的指令電流如式(3)所示。

不考慮量化誤差，式(3)可以被寫問式(4)。

從式(4)可知，相電流偏移誤差導致的脈動頻率為電網頻率的2倍。因此，需要通過補償相電流偏移誤差帶來脈動提升網側電能質量。

2 偏移誤差補償算法

圖3所示為包含所提出補償算法的電流控制系統框圖。圖4所示為所提出的補償算法框圖。

圖3 含補償算法的電流控制系統框圖

圖4 補償算法框圖

如圖3所示，測量電流作為補償參考信號來提取網側電流的偏移誤差信號。在本文所提出的算法中，SOGI可以提取指定頻率的分量，相電流偏移誤差導致的二次諧波分量可以通過SOGI提取。同時，可以通過APF得出相位滯后90度的虛擬電流。通過疊加信號的絕對值得到DC分量和8次諧波頻率脈動分量。將所得信號通過LPF可以得到DC分量，再將此信號作為網側相電流的誤差補償信號。將8次諧波頻率可以作為LPF的帶寬后，可以誤差的快速精確補償。

3 仿真驗證

圖5所示為采用補償算法前后的DC電壓波形。圖6所示為相電流的波形、諧波畸變率（THD）分析圖。在仿真試驗中，注入的電流誤差為0.3A，DC電壓為330V。從圖5中可以看出，采用補償算法后，DC電壓脈動明顯減小，因偏移誤差產生的諧波分量基本被消除。網側電流THD從2.33%減小到1.05%。

圖5 采用補償算法前后DC電壓波形

(a)采用補償算法前相電流波形及THD分析

圖6 采用補償算法前后相電流波形及THD分析

4 結論

本文分析了單相并網逆變器相電流偏移誤差對逆變器的影響，提出了一種補償算法，補償相電流偏移誤差量。采用該算法，DC電壓脈動和相電流的THD被明顯減小，在MATLAB中搭建了仿真模型驗證了該算法的有效性。

[1]劉美茵,黃晶生,張軍軍,等．基于BDEW標準的光伏并網逆變器模型驗證及誤差分析[J]．電力系統自動化,2014,38(13)：196-201．

[2]胡軍柯．電流測量電路的誤差補償和降噪技術的研究及應用[D]．浙江大學,2008．

[3]Park G G,Hwang S H,Kim J M,et al．Reduction of Current Ripples due to Current Measurement Errors in a Doubly Fed Induction Generator[J]．Journal of Power Electronics,2008,10(3)．

[4]Kim D Y,Kim J M,Park J W,et al．Compensation of current measurement error in half-bridge PWM inverter for linear compressor[C]//Ecce Asia Downunder．IEEE,2015：1593-1600．

侯玉勝，工程師，畢業于中國礦業大學，多年從事煤礦機電技術工作，主持、參與多項煤礦自動化升級改造及機電大型設備的數據集成、遠程監控、無人值守改造工作。