单相光伏并网逆变器无功补偿控制策略

胡月，沈安文，谭海青

（华中科技大学自动化学院，湖北武汉430074）

1 引言

随着光伏并网技术的研究和发展，建筑集成式光伏并网系统（building integrated photovoltaic system，BIPV）在分布式电网的应用越来越广泛。大多数单相光伏逆变系统的控制集中在使逆变器输出单位功率因数，从而最大幅度地提高并网效率［1-2］。但为了使电网更大限度地接纳光伏逆变器，具有如低电压穿越，无功补偿等辅助功能的光伏逆变器将成为下一代光伏逆变器的研究热点［3-4］。

要有效地调节逆变器输出的有功和无功，关键技术在于负载的无功检测，电网电流的控制等。目前常用的技术是将三相无功功率理论的思想扩展到单相来构造虚拟的两相或者三相电路，其构造方法决定了检测的实时性。大多数学者采用将负载电流延时90°来构造负载虚拟相电流，但这将导致一个较大的延时，影响系统的动态响应［5］。文献［6］提出了一种基于离散傅里叶变换的锁相环法来获得更为精确的无功补偿效果，但会导致运算复杂，对控制器要求高。文献［7］提出了一种基于基波分离的谐波电流检测法，虽然其能通过简单的数学计算分离出基波有功和基波无功，但当电网频率变化时，影响测量精度。本文提出了一种基于正弦信号积分器的参考电流发生法来构造虚拟两相电流，克服了传统方法带来的延时。结合瞬时无功功率理论，来产生有功电流信号和无功电流信号，实现光伏逆变器的有功功率控制及无功补偿。控制系统采用经典的双闭环控制，外环PI控制保持了母线电压稳定，内环采用准比例谐振控制器，实现了电流的零稳态误差跟踪。

2 系统的控制原理

本文提出的光伏并网逆变器的电路原理图如图1所示。并网逆变器由前级DC/DC升压环节和后级逆变环节组成。DC/DC环节采用Boost升压电路，后级逆变环节利用软件锁相、单极性SPWM调制等技术实现了逆变并网和无功补偿。

图1 光伏并网逆变器Fig.1 Photovoltaic grid-connected inverter

太阳能阵列作为直流源输入，其V—I和P—V特性随光照和温度变化，表现出极大的非线性。因此，本文采用变导增量法来找出最大功率点对应的工作电压，并采用双闭环控制来控制母线电压和并网电流。

由功率平衡，通过控制并网电流的有功的大小和方向，可以控制直流母线电压稳定。电压调节输出有功指令电流，通过检测负载上的电流，转换得到无功补偿分量指令电流。将二者相结合，得到最终并网的指令电流。再通过电流内环的控制，即可实现无功补偿和并网发电。光伏并网功率调节系统控制框图如图2所示。

图2 光伏并网功率调节系统控制框图Fig.2 Photovoltaic grid-connected power control block diagram

3 改进的无功电流检测算法

为了得到负载无功电流，将瞬时无功功率理论运用到单相系统，需要构造正交的两相电流。本文提出了一种正弦信号积分器，来得到两相正交的电流，克服了传统移相检测带来的延时，如图3所示。

图3 正弦信号积分器Fig.3 Sinusoidal signal integrator

图3中闭环传递函数（Hα=iL1α/iL和Hβ=iL1β/iL）如下：

式（1）和式（2）中的相角关系：

假设负载电流信号为

式中：ω0为电网基波频率；ILk为第k次谐波电流的均方根值；θk为第k次谐波电流的初始相角。

经过正弦信号积分器后，得到负载在两相坐标轴上的电流分别为

电网电压经过锁相环可以得到其单位正余弦信号V1α=sin(ω0t)，V1β=cos(ω0t)。由基于瞬时无功功率理论谐波电流检测ip-iq法，可得：

其中

由瞬时无功理论可知，ILp和ILq分别为负载电流在基波频率处有功分量的幅值和无功电流分量的幅值，经过低通滤波器可分离出该直流量，得到无功电流的参考幅值即

4 并网电流的控制

为了保持母线电压稳定，电压外环采用PI控制。给定参考电压U*dc和母线电压Udc的误差eu作为PI控制器的输入，则有功参考电流的幅值Idc大小如下：

将有功电流分量Idc和无功电流分量ILq通过坐标反变换可得到两相的参考电流如下：

其中

为了克服传统PI 控制器在跟踪交流信号时存在静态误差的缺点，本文中系统的电流内环采用准比例谐振（proportional resonant，QPR）控制，使得控制信号在电网基频处产生足够大的增益，实现正弦给定下的无静差控制，同时可以减小电网电压频率波动的影响。其传递函数表示为

式中：Ki为谐振系数；Kp为比例系数；ω0为谐振频率；ωc为带宽。

|G(s) |在ω0处达到其最大增益，调整Ki和ωc可使其控制器有较高的品质因素，且选取适当的ωc可使控制器在非基频处增益增加，减小电网频率变化对控制器性能的影响。

为了获取适当的Ki，Kp，ωc，通过Bode 图来分别考察每一个参数变化对系统性能的影响。

当Kp=0，ωc=1时，改变Ki不会改变控制器的带宽，Ki增大时，谐振控制器的增益增加。如图4a所示。当Kp=0，Ki=1时，改变ωc系统的幅值相位都会改变。ωc增大时，谐振控制器的增益和相位都增加，但在谐振频率处的增益大小恒定。如图4b所示。

图4 准比例谐振控制器频率响应Fig.4 Frequency responses of non-ideal PR controller

同理，当Ki，ωc不变，Kp增加时控制器的幅值增加，并在谐振频率处取得峰值，系统的相角裕度减小。这意味着Kp增大，可使谐波的含量减小。选择适当的Kp可以使系统准确地追踪正弦信号，同时抗干扰。

综合考虑之后，本文选择控制器Kp=12，Ki=90，ωc=4。

5 仿真分析和实验结果

在前文理论分析的基础上，搭建基于Saber的仿真平台，系统的结构图如图1 所示。主要参数为：电网电压有效值220 V频率，50 Hz，直流母线电压400 V，Boost电感1.1 mH，直流侧电容2 000 μF，输出侧滤波电感2 mH，输出侧滤波电容1 μF，采用阻感负载ZL=26.94+j15.55。

分别在不同的光照强度下研究无功补偿的效果。图5a 是在光照强度为1 000 W/m2时系统带阻感负载的输出波形。其中，Ig为电网电流，Is为逆变输出电流，Vs为电网电压。逆变器输出电流超前电网电压，电网电流与电网电压同频同相。可知在光照充分时，逆变器完全补偿了负载的无功，又把多余的电能馈送给电网。测得电网电流THD 为2.108%和逆变电流的THD为1.597%，满足并网要求。

图5b 是在光照强度为10 W/m2时系统带阻感负载的输出波形。其中，Ig为电网电流，Is为逆变输出电流，Vs为电网电压。电网电流和电网电压相角相差180°，逆变电流滞后电网电压接近90°。可知在光照不充分的情况下，逆变器完全补偿负载的无功，不足的有功部分由电网提供。测得电网电流THD 为2.693%，逆变电流的THD为2.896%，满足并网要求。

图5 无功补偿输出波形Fig.5 Reactive power compensation waveforms

为了验证无功补偿算法的可靠性，采用了带光伏阵列仿真功能的CHROMA公司的程控直流电源62150H-600s模拟太阳能输出，在3 kW单相光伏逆变器平台上展开了实验研究。控制芯片采用dsPIC33F506，负载为阻感负载。

实验结果如图6 所示，逆变电流滞后电网电压，电网电流和电网电压同频同相，电网电流畸变小于3%，光伏逆变器准确地实现了无功补偿和有功控制。

图6 单相光伏逆变器无功补偿输出波形Fig.6 Reactive power compensation output waveforms of single-phase photovoltaic inverter

6 结论

本文提出了一种基于正弦信号积分器的无功电流检测法，克服了传统方法在构造虚拟相电流的电流时会产生相位延时的问题，实现了无功补偿和有功控制。而增加无功补偿功能会增大逆变器输出电流，因此要在其允许范围内进行无功补偿，避免超过逆变器输出的最大电流。PI 外环使母线电压保持稳定，对于电流内环，比例谐振控制可以实现电网电流的无误差跟踪，并减小电流畸变。仿真和实验结果验证了该方法的可行性，可应用于商业的建筑集成式光伏并网系统中。

［1］Bojoi R，Limongi L R，Roiu D，et al.Enhanced Power Quality Control Strategy for Single-phase Inverters in Distributed Generation Systems［J］. Power Electronics，IEEE Transactions on，2011，26（3）：798-806.

［2］Blaabjerg F，Teodorescu R，Liserre M，et al. Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems［J］. Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2006，53（5）：1398-1409.

［3］Yongheng Y，Huai W，Blaabjerg F. Reactive Power Injection Strategies for Single-phase Photovoltaic Systems Considering Grid Requirements［C］//Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC），2014 Twenty-Ninth Annual IEEE，Fort Worth，TX，2014：371-378.

［4］Yongheng Y，Enjeti P，Blaabjerg F，et al. Suggested Grid Code Modifications to Ensure Wide-scale Adoption of Photovoltaic Energy in Distributed Power Generation Systems［C］//Industry Applications Society Annual Meeting，2013 IEEE，Lake Buena Vista，FL，2013：1-8.

［5］李波，黄纯，方达意，等.改进的单相谐波和无功电流检测算法［J］.电力电子技术，2009，43（7）：5-7.

［6］Liming L，Hui L，Zhichao W，et al.A Cascaded Photovoltaic System Integrating Segmented Energy Storages with Self-regulating Power Allocation Control and Wide Range Reactive Power Compensation［J］. Power Electronics，IEEE Transactions on，2011，26（12）：3545-3559.

［7］张强，刘建政，李国杰.单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制［J］. 电力系统自动化，2007，31（10）：50-54.