一种低谐波畸变的平滑光伏并网调制策略研究

李伟峰

（河南工学院电气工程系，河南新乡　453000）

一种低谐波畸变的平滑光伏并网调制策略研究

李伟峰

（河南工学院电气工程系，河南新乡453000）

单极性调制和双极性调制普遍应用于光伏并网逆变器有源滤波器中。综合比较单极性调制和双极性调制的基本调制策略、开关动作、运行模式的影响、谐波电流和效率等，在此基础上，提出了一种融合单极性调制和双极性调制优点的混合调制策略，通过实验验证其有效性和可行性。

有源滤波器；单极性调制；双极性调制；混合调制；光伏并网

近年来，全球对新能源的需求增加，在很大程度上推动了光伏并网发电发展速度，其对电网电能质量的作用同样愈发凸显。现阶段，中国电网运行过程中存在诸多问题，例如输配电方法比较滞后，结构不足等，因此，怎样提升电压质量是业界急需解决的一个关键点［1］。现阶段，伴随电力技术的逐渐发展，业界专家学者纷纷开始探讨光伏并网发电相关问题。在分布式发电逐渐推广的当今社会，能够高效地利用电能，还能够对电压质量进行改善［2］。

单相非隔离光伏并网逆变器由于其体积小、质量轻、效率高［3］等优点被广泛应用。逆变器正是由于具有一系列的优势，其对光伏发电系统经济效益起着非常关键的作用［4］。鉴于这方面的原因，今后高质量逆变电源必将发展成一大热点问题。

图1　单相非隔离光伏并网逆变器主电路拓扑结构Fig.1　Main circuit topology of non-isolated single-phase grid-connected PV inverter

最常用的单相非隔离光伏并网逆变器的主电路拓扑结构为全桥逆变，如图1所示。主电路拓扑结构主要由Boost升压电路和全桥逆变电路构成，Boost升压电路的主要作用是升高太阳能板输出的直流电压到400 V和实现最大功率点跟踪（MPPT），后级全桥逆变电路主要是将直流电转化成交流电。后级全桥逆变电路的调制方式主要分为单极性调制和双极性调制两种，单极性调制在谐波、纹波及效率方面具有显著优势，但在无功控制的电路中存在电流过零点畸变的问题；双极性调制可以有效处理电流过零点畸变的问题，然而，需要注意的是，其存在一系列的不足之处，例如开关损耗大等。为此，综合以上2种方式，本文提出一种混合调制的思想，最后，通过实验验证了该思想的有效性和可行性。

1　单极性和双极性调制的比较

两者的控制方式波形见图2，其中，Ur为正弦波，第一种之中，Ut在Ur正、负半周分别是正、负极性的三角波；另一方面，使用双极性的时候，Ut在Ur的半周期时间范围内是有正有负的。需要注意的一个问题是，两者均在Ur与Ut相交点对IGBT的通断进行控制［5］。

图2　PWM控制波形Fig.2　PWM control waveform

非常明显，第二种方式下，4个IGBT都在高频通断条件下运行，这样造成相对较高的干扰与损耗。图3展示了两者的逆变器输出电压及电感电流的波形。

单极性调制下，电感电流与逆变器输出电压的关系如下：

那么纹波电流可以表示为：

逆变器输出电压经过LCL滤波电路后，有：

图3　逆变器输出电压及电感电流波形Fig.3　Output voltage and inducer current waveform of the inverter

式中：μ为调制比，令μ=0.8。将式（3）～式（5）代入式（2）得：

同理可得，双极性调制方式的纹波电流可以表示为：

图4单极性、双极性调制下在0＜ωt＜π范围之内的纹波电流曲线，在这里，其幅值处于π＜ωt＜2π范围之内以相同的趋势变化。通过图形发现，单、双极性调制电流过零点分别有最大和最小的纹波电流。

2　单极性调制电流过零点畸变分析

如图5所示，可以看出，指令电流在过零点位置没有发生任何畸变现象，因此，我们推断其之所以出现，关键问题出在求取开关模式上，而并非求取控制量上［6］。基于此，文章的重点工作是研究过零点时刻IGBT的开关状况与电感电流的动态工作过程。图6与图7分别展示了并网电流超前与滞后于电网电压情况下的过零点波形图。

由图6、7能够看出，单极性并网逆变控制中，在过零点位置将出现无法避免的能量突变，究其根源，主要是因该方式所具有的控制特点所致，正是这一个方面的原因，所以，该方式已很难满足无功控制的光伏并网系统。而相对于单极性调制而言，双极性调制却没有这方面的问题，这属于其所具有的突出优点［7］。从图8能够发现，双极性调制方式在过零点位置能够十分平滑，电流波形较为理想。

图4　纹波电流幅值曲线Fig.4　Amplitude curve of the ripple current

图5　单极性调制并网电流及电网电压波形Fig.5　Grid current and voltage waveform of the unipolar modulation

3　混合调制策略的分析

对于单、双极性调制2个方式来说，前者具有的突出优点是谐波、效率等，后者具有的突出优势是并网电流控制效果相对较高。因此，探讨同时兼具上述2个方式优势的方式具有非常重要的价值。

图6　单极性调制电流超前的并网工作波形Fig.6　Grid operating waveform of the current leading of unipolar modulation

图7　单极性调制电流滞后的并网工作波形Fig.7　Grid operating waveform of the current lagging of unipolar modulation

通过分析第1种方式过零点畸变的波形图可知，对于指令电流与电网电压两者来说，当两者极性一样的时候，能够有效控制并网电流；而当两者不一致的时候，便会出现畸变。因此，要设计基于2种方式的混合调制：当两者的极性一致时寻找第1种方式，最大限度地发挥其优势；而当两者极性不一致时，选择第2种方式，从而达到过零点的平滑过渡［8］。图9为混合调质的示意图，调制信号的求取均通过无差拍算法进行。

图8　双极性调制并网电流及电网电压波形Fig.8　Grid current and voltage waveform of the bipolar modulation

图9　混合调制原理示意图Fig.9　Schematic of the hybrid modulation principle

4　实验结果

本文以一款3 kW单相非隔离型光伏并网逆变器为实验平台，拓扑结构为全桥逆变，工作在满载即3 kW的情况下对3种方式控制并网逆变器输出电流的相位超前或滞后于电网电压，调整功率因数调整至±0.95附近，测试结果分别如下：

如图10所示，单极性调制下的电流过零点畸变情况与分析结果一致，并网电流总谐波畸变量为9.824%。

如图11所示，双极性调制下的并网电流在电压过零点位置能够实现平滑过渡，并未发生畸变。总畸变量是3.5%。

如图12所示，混合调制下的并网电流在过零点位置同样能够实现平滑过渡，同样未发生畸变。同时其总畸变量是2.5%，要明显优于双极性调制策略。

图10　单极性调制的并网电流波形图Fig.10　Gird current waveform of the unipolar modulation

图11　双极性调制的并网电流波形图Fig.11　Gird current waveform of the bipolar modulation

5　结论

由测试结果可知，三种调制方式在作无功控制时，总谐波畸变依次是9.824%，3.5%，2.5%。所以，混合调制同时兼具第一和第二种方式的优势，在单位功率因数输出时，主要通过第一种方式来控制，体现出第一种方式的优点；另一方面，在作无功控制时，能够通过第二种方式来控制，这样就能够尽可能地确保并网逆变器将优质的电能传给电网，最终能够为光伏并网提供一种科学合理的调制方式。

图12　混合调制的并网电流波形图Fig.12　Gird current waveform of the hybrid modulation

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Research On Smooth Modulation Strategy with Low Harmonic Distortion for Active Power Filter of PV Grid-Connection

LI Weifeng
（Department of Electrical Engineering，Henan Institute of Technology，Xinxiang 453000，Henan，China）

Both unipolar and bipolar modulations are widely used in the active power filter of PV grid-connected inverter.This paper presents a comprehensive comparison between the two modulation strategies in terms of basic switching action，effects on operation mode，current harmonics，efficiency and etc.Furthermore，a hybrid modulation strategy with the fusion of the unipolar and bipolar modulation is proposed in this paper.Numerical and experimental results are given to demonstrate the effectiveness and validity of the proposed method.

active power filter（APF）；unipolar modulation；bipolar modulation；hybrid modulation；PV grid-connected inverter

1674-3814（2015）12-0113-05

TM615

A

2015-08-06。

李伟峰（1979—），男，硕士，讲师，主要研究方向为电气自动化工程。

（编辑徐花荣）

河南省教育厅自然科学研究重点项目（13A470216）基于数据流技术的风电系统电压波动和闪变实时监测技术研究。

Project Fund：Research on the Real-Time Monitoring Technology of Voltage Fluctuation and Flicker of Wind Power System Based on Data Stream Technology Supported by Key Project of Natural Science Research of Department of Education of Henan Province（13A470216）.