光伏逆变器非线性分析与补偿策略研究

周二磊，张　课，曹薇薇

(国网安徽省电力公司 淮北供电公司，安徽 淮北　235000)

光伏逆变器非线性分析与补偿策略研究

周二磊，张课，曹薇薇

(国网安徽省电力公司 淮北供电公司，安徽 淮北235000)

摘要：光伏逆变器的非线性特性导致相电压和相电流畸变，使得系统性能降低，在详细分析非线性效应的理论基础上，提出了一种非线性补偿策略。该补偿策略在两相静止坐标系下，根据电流空间矢量所在的不同扇区，将逆变器功率器件导通压降带来的电压偏差前馈给指令电压来进行补偿，保证了并网电压空间矢量仍为圆形轨迹，提高了相电压和相电流的正弦度。该补偿策略简单有效，能有效对非线性误差进行补偿，最后通过仿真结果表明，所提出的新型非线性补偿策略能够有效减小非线性误差造成的电压电流畸变现象，提高了系统运行性能。

关键词：光伏逆变器；电流空间矢量；非线性补偿

1电压型光伏逆变器控制策略

光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，逆变器作为光伏并网发电系统的关键部件，其性能好坏直接影响太阳能利用效率的高低[1]，因此如何提高光伏并网变换器效率，提高系统的安全性和可靠性，对光伏发电系统都有着极其重要的意义。实际中光伏逆变器采用电压型PWM逆变器拓扑结构[2]，如图1所示，具有功率因数可控，能量可双向流动等特点，从而具有优良的控制性能。光伏并网发电时，为了最大限度地利用太阳能，要求对光伏阵列进行最大功率点跟踪[3]，因而并网逆变器必须具有快速的动态响应。另外并网逆变器的数学模型呈非线性特性，逆变电源的输出波形为存在一定失真的正弦波，一是为了防止并网逆变器功率器件上下桥臂直通，通常在功率器件驱动信号中加入死区时间，在保证了功率器件安全工作的同时，也带来了并网电压电流畸变、零电流箝位等死区效应[4-5]；二是逆变器功率器件不是理想的开关器件，存在导通压降影响了输出相电压、相电流的正弦度[6-7]。光伏发电系统中，负载多为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高要求，所以需要对逆变器非线性特性进行补偿来提高逆变器的效率。常规的控制策略是采用近似线性化控制方法，这种方案虽然采用了线性控制理论进行控制器设计，但是这样的近似本身就给系统的控制带来了不确定性。因此，本为研究了一种新型的非线性控制器来抵消并网逆变器带来的非线性，仿真结果表明这种控制策略明显降低相电压、相电流的畸变，具有更好的动态性能。

图1　电压型PWM逆变器拓扑结构

2逆变器非线性分析

由于变换器的开关器件不是一个理想的开关器件，其管压降对逆变器非线性输出相电压和相电流有较大的影响。图2所示为EUPEC公司功率器件BSM50GB120DN2的特性曲线以及二极管的饱和压降曲线[8-10]。线性化处理后如图1中的虚线所示，即电力电子器件的导通压降uce近似看成固定门槛电压uth与其阻抗压降的合成。

图2　功率器件正向特性

图2所示为功率器件的导通压降对PWM逆变器的影响。电压空间矢量第一扇区内功率器件的开关状态存在三种情况，即100-110-111三种开关状态，规定电流方向由逆变器流入电网为正方向，并假设A相电流ia始终为正、B、C两相电流ib、ic始终为负，根据逆变器的开关状态，三相电流ia、ib、ic要么通过功率器件IGBT流通，要么通过反并联二极管流通。图3中(a)、(b)、(c)所对应的状态分别为100-110-111三种开关状态。由于一个扇区内功率器件的开通时间最大仅为基波周期的1/6，因此三相电流的方向在一个扇区较大的时间范围内并未改变，即PWM开关状态虽然改变，但功率器件导通压降对输出电压的影响并没有改变(本文考虑反并联二极管与功率器件的导通压降uce是相同的)。因此可知，逆变器导通压降uce的影响便可由三相电流的方向决定。

图3　功率器件导通压降对PWM逆变器的影响

其余扇区同理分析，可得出一条结论：不同的开关状态，功率器件导通压降对PWM逆变器的影响只跟三相电流的流向有关，即只跟电流空间矢量is所在扇区有关。定义门槛电压uth为导通压降uce的一部分，由于门槛电压在某一桥臂的影响也由该相电流方向决定，可以定义A相门槛电压采用uth·sign(ia)表示。因此利用电压空间矢量概念可以定义

uth=uthsign(ia)+authsign(ib)+a2uthsign(ic)

a=exp(j*2π/3)

(1)

式中uth——逆变器非线性带来的门槛电压空间矢量。

式(1)可简化为

uth=2uthsec(is)

(2)

电流空间矢量i所在的扇区：

图4所示为电流空间矢量is所在扇区位置，其中A、B、C为互差120°的三相静止坐标轴，αβ为两相静止坐标轴，与电压空间矢量类似，根据iα=0，iα=1.732iβ，iα=-1.732iβ三条直线，可以将电流空间矢量平面分为六个区域。设定：

(3)

则电流空间矢量is所在扇区由式(4)确定。

sec(is)=4X+2Y+Z

(4)

图4　电流空间矢量所在扇区

图5所示为逆变器功率器件的导通压降对输出电压的影响。其中，us为观测到的电压空间矢量，由于功率器件导通压降的影响，在扇区切换时us轨迹不连续并且发生畸变。存在如下关系

us=u*-uth-rdis

(5)

式中u*——给定的电压空间矢量，呈圆形轨迹；rdis——阻抗压降，rd——逆变器的等效通态电阻；其中uth为门槛电压空间矢量，而uth为门槛电压，根据式(2)可以看出|uth|=2uth，这里不同于三相平衡系统。

图5　逆变器非线性模型的影响

图5可见，逆变器非线性特性对并网电压的正弦度影响较大，因此研究逆变器非线性模型对提高光伏发电系统的精度有着实际意义。

3非线性补偿

图6　PWM逆变器非线性补偿控制框图

针对不同的扇区中电流空间矢量is对逆变器输出电压的影响，补偿策略如下

sec1：

(6)

sec2：

(7)

sec3：

(8)

sec4：

(9)

sec5：

(10)

sec6：

(11)

4仿真与实验验证

本文采用Matlab/Simulink软件对逆变器非线性进行仿真研究，定量地分析了逆变器非线性对并网电压的影响。为了更清晰地对比非线性补偿的效果，仿真设置IGBT的门槛压降为2.5V，二极管的门槛压降也为2.5V，死时设置为零，负载设置为三相阻感负载。

图7所示为逆变器非线性作用对并网电压影响效果的仿真波形图，图(a)的给定频率为工频50Hz，功率器件的门槛电压均为2.5V不变。仿真结果可以看出逆变器的非线性使得实际并网电压与给定电压存在误差。

图7　给定与实际电压

图8所示为偿前后A相输出电流及FFT的仿真波形图，图(a)、(b)分别为补偿前、后的输出电流波形。根据图8的仿真结果可以看出，逆变器非线性对输出电流会有一定的畸变，通过非线性补偿后，输出电流畸变率明显降低、正弦度良好，电流波形得到明显改善。

图8　A相输出电流及FFT波形

采用美国TI公司数字信号处理器TMS320F28335进行实验验证，逆变功率模块采用EUPEC公司的BSM50GB120DLC模块，电压传感器采用LEM公司的LV28-P。PWM逆变器开关频率为5kHz，死区时间设置为5μs。图9所示为逆变器非线性补偿策略前后并网电压实验波形。由图9可见，采用所提非线性补偿策略后，电压畸变率降低，正弦度得到很大程度地提高，有效削弱了逆变器非线性特性带来的影响，进一步验证补偿策略的正确性和有效性。

图9　并网电压波形

5结语

针对光伏逆变器非线性特性影响系统性能，研究了一种非线性补偿策略，该策略利用电流空间矢量所在扇区补偿逆变器非线性带来的电压偏差，使得逆变器并网电压呈圆形轨迹，同时提高了输出电流的正弦度。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和补偿措施的有效性。

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(本文编辑：赵艳粉)

Nonlinearity Analysis and Compensation Strategy of Photovoltaic Inverter

ZHOU Er-lei, ZHANG Ke, CAO Wei-wei

(HuaibeiPowerSupplyCompany,Huaibei235000,China)

Abstract:The nonlinearity of photovoltaic inverter often causes distortion of phase voltage and phase current, consequently affecting the system performance; therefore, this paper puts forward a nonlinear compensation strategy based on detailed analysis of nonlinear effect theory. This compensation strategy uses the current space vector sector under the two-phase static coordinate system to compensate the voltage deviation caused by nonlinear, and feed forward to the command voltages, which ensures the grid voltage space vector is still in circular trajectory and improves the sine degree of the phase current and the phase voltage. This simple and effective compensation strategy can effectively compensate for nonlinear error. Finally, the simulation results show that this new nonlinear compensation strategy can effectively reduce the voltage and current distortion caused by nonlinear error, and can improve the system performance.

Key words:photovoltaic inverter；current space vector；nonlinear compensation

DOI：10.11973/dlyny201601016

作者简介：周二磊(1987)，男，工程师，研究方向为新能源并网技术以及电励磁同步电动机矢量控制。

中图分类号：TM301.2

文献标志码：B

文章编号：2095-1256(2016)01-0075-05

收稿日期：2015-09-15