SVPWM在具有APF的光伏并网逆变器中的应用

杨 桦，程蕾萌，吴 俊

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430068）

SVPWM在具有APF的光伏并网逆变器中的应用

杨 桦，程蕾萌，吴 俊

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430068）

在分析电压空间矢量的基础上，建立了具有APF功能的光伏并网逆变器的系统模型，采用ip－iq算法进行电流检测，运用SVPWM技术控制，在进行光伏有功并网的同时补偿无功与谐波电流，改善电网质量，用仿真验证了该方案的有效性。

光伏逆变器；APF；SVPWM

利用太阳能光伏并网发电，电网中的负载产生非线性谐波，对电能质量是一种污染，如何在利用绿色无污染的太阳能进行发电的同时保证电能的质量成为一项研究课题。

针对以上情况，本文提出了具有源电力滤波器功能的光伏并网逆变器，并采用基于瞬时无功功率的SVPWM控制方式，在进行光伏有功并网的同时动态快速地补偿了无功与谐波电流，不仅节约了投入资本，而且也提高逆变器的利用率，在利用太阳能的同时，改善了电网质量。

1 系统结构及工作原理

具有有源电力滤波功能的光伏逆变器的系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

其中，DC／DC部分主要完成光伏电池阵列最大功率跟踪，将低压波动的直流电转换成并网逆变器需要的稳定高压直流电，形成并网指令电流，并将数据传送给控制部分；电流检测部分完成谐波电流的检测，生成补偿指令电流，并将数据传送给控制器；控制部分为核心部分，合成补偿指令电流和并网指令电流，并将其注入电网；变流器部分完成有源滤波功能，在保证光伏能量注入电网的同时，补偿并网接点的负载谐波电流，改善电能质量。

2 谐波电流检测及指令电流合成

本文采用ip－iq来检测电流，此检测方法是在瞬时无功功率理论的基础上提出的，以其快速性领先于其他的电流检测方法，其原理见图2。数字锁相环（PLL）跟踪A相电网电压Ua的相位，以保证电流检测精度。

图2 谐波电流检测及指令电流合成原理框图

3 SVPWM控制算法

三相变流器的输出电压Ua、Ub、Uc由A、B、C三相桥臂的开关状态（Sa、Sb、Sc）的8种组合状态来确定。图3为α－β静止坐标系中的电压空间矢量图。

图3 电压空间矢量扇区图

要实现SVPWM控制，需要知道参考电压V在α－β静止坐标系中的区间位置，之后再合成其所在扇区的相邻两矢量和恰当的零矢量来代替V。矢量的选择遵循伏秒平衡原则，即，矢量V在Ts时间内所产生的积分效果值和Vx、Vy、V0分别在时间Tx、Ty、T0内产生的积分效果相加总和值相同，通常用下式表示：

控制的基本原理为：参考电压V以角频率ω在空间中逆时针旋转，当旋转到某个扇区中时，系统计算出在该扇区所需要的适当的电压矢量，然后以其相对应的空间状态值去控制开关管的通断。

3.1 判断扇区

若想判断出三相参考电压ua、ub、uc所在的扇区，必须进行坐标变换，将三相静止坐标系变换为两相静止坐标系，再根据ua、ub、uc在α－β坐标系的分量uα、uβ来判断。坐标变换公式如下：

表1 N与扇区对应表

3.2 计算开关矢量作用时间

以扇区Ⅰ为例，在两相静止参考坐标系α－β中，如图3所示，可由式（1）知：

表2 扇区与作用时间对应表

3.3 计算切换点及导通时间

为了减少开关损耗，在每次开关状态转换时，只改变其中一相的开关状态，并且对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM对称，从而有效地降低PWM的谐波分量。本文采用7段式PWM生成方式，每个开关周期都是从零矢量开始和结束，每个开关周期有6次开关切换。

以扇区I为例，当V4（100）切换至V0（000）时，只需改变A相上下一对切换开关，若由V4（100）切换至V7（111）则需改变B、C相上下两对切换开关，增加了一倍的切换损失。因此，要改变电压向量V4（100）、V2（010）、V1（001）的大小，需配合零电压向量V0（000），而要改变V6（110）、V3（011）、V5（101），需配合零电压向量V7（111）。这样通过在不同区间内安排不同的开关切换顺序，就可以获得对称的输出波形，具体序列安排见表3。

表3 扇区与开关矢量切换顺序对应表

在每一个载波周期Ts，会合成一个新的矢量，随着θ的逐渐增大，V将依序进入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区。在电压向量旋转一周期后，就会产生R个合成矢量。

以扇区I为例，由图4可知每个电压矢量的作用时间，确定了参考电压所在扇区和其对应的电压矢量的作用时间后，即可计算出每个桥臂的导通时间，其关系如式（3）所示。

令A、B、C三相上桥臂开关的切换点距零点的时间分别为Ta、Tb、Tc，桥臂开关器件导通的时间分别为Taon、Tbon、Tcon，则

图4 扇区I开关导通图

各扇区切换时刻的对应关系见表4。

表4 扇区与切换时刻对应表

4 仿真与分析

在负载突变的情况下对系统进行仿真。电流检测采用ip－iq算法，参考电流为谐波分量，将检测到的参考电流作为控制变流器的输入信号，采用SVPWM控制输出。

以A相为例，图5为电网电流波形图，从图5中可以看出，波形为典型的马鞍波，此波中含有较多的谐波，利用ip－iq算法检测电流，提出谐波，谐波波形图见图6，提取谐波后通过SVPWM算法来控制APF治理补偿谐波，图7为补偿后的电网电流波形，可以看出波形有了很大的改善。

图5 电网电流波形图

图6 谐波电流波形图

图7 补偿后的电网电流波形图

对补偿前和补偿后的谐波进行FFT分析，得到图8所示结果。从图8中可以看出，THD从17.74%降到了4.12%，但其响应时间相对而言较慢，仍需进一步改善算法。

图8 电网电流FFT分析

5 结论

建立了具有APF功能的光伏并网逆变器的系统模型，采用ip－iq算法检测电流，通过SVPWM技术控制谐波的补偿，降低了开关频率，有效地限制了误差电流，仿真验证了该方案的有效性，响应时间较慢的问题需加完善。

［1］ 张崇巍，张 兴.PWM整流器及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］ 张铁良.有源电力滤波器与光伏发电的统一控制研究［D］.合肥：合肥工业大学图书馆，2007.

［3］ 刘鑫正.具有光伏发电功能的并联型有源电力滤波器的研究［D］.济南：山东大学图书馆，2009.

［4］ 黄 俊，王兆安.电力电子变流技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［5］ 汪进进.光伏并网控制方法和系统的研究［D］.合肥：合肥工业大学图书馆，2002.

［责任编校：张岩芳］

SVPWM Method in PV Grid-Connected Inverter with APF

YANG Hua1，CHENG Lei-meng2，WU Jun3
（School of Electrical ＆Electronic Engin.，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

In the paper，the system model of photovoltaic grid connected inverter with APF function was established，proposing SVPWM control method based on the analysis of voltage space vector and detecting current by using ip－iqalgorithm.The study shows that the system not only makes full use of PV power，but also compensates harmonics and reactive currents of the loads very well.The effectiveness of such theory was also proved by the simulation.

photovoltaic grid connected system；active power filters；SVPWM

TM615

A

1003－4684（2014）02-0056-04

2013－10－21

杨 桦（1960－），女，湖北武汉人，湖北工业大学副教授，研究方向为自动检测技术及仪表