单相光伏并网逆变器直流注入抑制策略

马亚勇，于少娟

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)



单相光伏并网逆变器直流注入抑制策略

马亚勇，于少娟

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

直流注入抑制是无变压器非隔离型光伏并网发电系统的技术挑战之一。IEEE Std.929-2000规定直流注入必须小于系统额定电流的0.5%.针对这一问题，从控制理论和拓扑结构角度出发，分别提出了基于电网电压前馈的检测反馈控制策略和新型拓扑结构的虚拟电容控制方法，给出了两种控制策略的控制框图。通过Matlab/Simulink仿真软件搭建了系统仿真平台，分别对未加入直流注入抑制策略以及本文提出的两种控制策略进行了仿真研究。仿真结果表明提出的两种控制策略能够有效抑制直流分量注入，与电网电压前馈的检测反馈控制策略相比，采用新型拓扑结构的虚拟电容控制时具有输出电流THD低，电能质量好的优势，仿真结果验证了研究控制算法的有效性和可行性。

光伏并网逆变器；直流注入；虚拟电容；电压前馈；比例谐振

随着化石能源的不断消耗以及全球变暖问题的加重，能源危机和环境污染得到了世界各国的广泛关注。大力开发利用可再生能源是解决上述问题的重要举措，光伏发电是可再生能源并网发电中主要形式之一，根据统计，到2012年，全球累计光伏发电系统装机量已经达到100 GW，光伏产业发展较快的主要集中在欧洲国家，如德国、西班牙和意大利等[1]。我国的光伏产业也在快速发展，到2015预计达到35 GW[2]。

光伏发电系统通常存在两种形式：单级式和两极式，然而无论哪种组成结构都需要采用电压源型逆变器作为并网接口实现能量转换，通过对逆变器进行控制可以实现并网发电[3]。早期，光伏逆变器输出侧接入传统电力隔离变压器，但是由于存在体积大和成本高等问题使得非隔离型光伏逆变器得到了快速发展。尽管去掉工频隔离变压器可以减小逆变器体积，提高效率，于此同时也带来了新的问题，其中直流注入是非隔离型并网逆变器的技术挑战之一。直流注入将会引起变压器饱和，波形失真，增加损耗，使得交流发电机产生脉动转矩或者发热等[4]。近年来，针对这一问题，各国相应制定了光伏并网系统直流注入的相关标准，其中IEEE Std.929-2000规定直流注入必须小于系统额定电流的0.5%.

为了避免直流注入引起的危害，可以采用半桥拓扑或者隔直电容来抑制直流分量注入，半桥拓扑在不同的开关状态下，并网电流都流过直流电容，因此能够有效避免直流注入，然而半桥拓扑要求开关器件耐压高，隔直电容在交流输出侧串联大电容将会引起逆变器体积增加[5]。文献[6]采用虚拟电容方式解决直流注入问题，通过叠加电流前馈消除直流分量，在此基础上还提出了三相并网逆变器的虚拟电容策略[7-8]。文献[9]提出了基于PR和PI联合控制的直流注入抑制策略。文献[10]提出了一种基于无差拍并网逆变器直流注入控制方法，通过电压和电流校正，并结合简单的电流过零检测方法抑制直流分量。文献[11]在传统控制器基础上增加了一个积分控制支路抑制直流注入。

本文主要关注单相并网逆变器直流注入问题，本文首先在数学模型的基础上给出了单相并网逆变器的传递函数以及控制框图，分析了影响输出电流的因素以及抑制直流注入的机理。为了解决光伏逆变器注入问题，本文分别从控制角度以及拓扑结构上进行改进。从控制角度出发，以单相H桥逆变器作为研究对象，采用具有电网电压前馈的检测反馈控制策略。从拓扑结构改进方面研究了一种改进型拓扑结构，论述了改进型拓扑结构的基本原理以及基于PR控制的虚拟电容方法。最终通过Matlab/Simulink仿真软件搭建了系统仿真实验平台，对本文所研究的两种不同策略进行了仿真验证。

1 单相并网逆变器的控制策略

典型单相并网逆变器拓扑结构如图1所示，网侧采用单电感滤波器。

图1 单相并网逆变器结构

根据图1，通过KVL能够得到：

(1)

式中：udc表示直流电压，L表示滤波电感，R表示滤波电感等效串联电阻，i表示电网电流，e表示电网电压，s表示开关函数。当采用双极性控制时，开关函数可以表示为：

(2)

将式(1)经过拉普拉斯变换得到控制对象传递函数表达式为：

(3)

单相并网逆变器在并网运行期间可以看作为受控电流源，通过控制电流来控制功率，其传递函数控制结构如图2所示：

图2 单相并网逆变器系统模型

图3 PR调节器的伯德图

根据图2，通过叠加定理可以得到输出电流的传递函数表达式为：

(4)

式中：G(s)表示调节器传递函数，K表示PWM增益。从式(4)看出输出电流同时受到两个因素影响：参考电流和电网电压。在单相逆变器控制中，由于参考值为交流量，因此传统的PI调节器在50 Hz频率处不具有无穷大增益，因此不能实现无静差调节，在此选用比例谐振调节器，可以表示为：

(5)

式中：kp和kR分别为比例系数和谐振系数，ω为基波角频率。

根据式(5)，选取kp=0.1，kR=10，通过伯德图能够得到PR调节器的频率特性如图3所示，可以看出在频率为50 Hz处，相频特性增益为300 dB，可以实现零稳态误差调节。

2 改进的直流注入抑制策略

从图2可以看出，输出电流主要受到参考电流和电网电压扰动的影响，因此当参考电流和电网电压如果存在直流分量将会导致输出电流含有直流分量，为了抑制直流分量注入，本文在此从控制理论和拓扑结构角度上分别研究了两种有效的直流注入抑制策略，下面进行分别介绍。

2.1 带有电网电压前馈的检测反馈控制策略

为了抑制直流注入，本文首先从控制层面进行分析。当参考值存在直流分量时，经过检测输出电流提取直流分量，然后将其与参考值0做闭环控制，最后将闭环控制输出叠加到电流参考值中进而补偿直流分量。而当电网电压含有直流分量时，可以采用电网电压前馈控制来补偿电网电压引起的影响。基于上述分析，本文所研究的基于电网电压前馈的检测反馈控制策略框图如图4所示。

图4 基于电网电压前馈的检测反馈控制策略框图

从图4可以看出，首先将电网电压经过单相PLL获得电网电压相位信息，并获得单位正弦信号，将其与幅值相乘得到电流给定值。其次将输出电流经过直流分量提取模块获得输出电流内部的直流分量，直流分量有几种检测方法，本文采用文献[12]提出的方式。将得到的直流分量与参考值0做差后经过PI调节器进行调节，将调节器输出叠加到电流参考进而获得补偿之后的电流参考值，将其与实际输出电流相减经过PR调节器调节，并结合电网电压前馈分量获得调制信号[13]。最终将调制信号与载波信号比较获得开关管S1～S4驱动脉冲。

2.2 新型拓扑结构的虚拟电容控制策略

前面从控制角度上研究了解决直流注入的控制方法，在此从拓扑本身结构角度进行分析。为了解决直流注入问题，文献[14]提出了一种改进型拓扑，并且给出了相应的控制策略，拓扑结构如图5所示。改进型的拓扑结构在H桥拓扑上增加了单相整流桥和一个IGBT开关管。两者之间的区别在于通过控制新增加的IGBT，在其导通期间逆变器工作在续流状态，因此能够隔离逆变器的直流侧和交流侧，最终使得直流分量无法注入电网，进而有效的避免直流注入对系统引起的危害。

改进型拓扑结构的工作原理主要分为两个部分：当电压为正期间，S2、S3一直保持关断，S1和S4处于工作状态，S5的开关状态恰好与S1和S4相反。当S1和S4开通时，逆变器工作在逆变模式，当S1和S4关断时，工作在续流模式。同理，当电压为负期间，S1、S4一直关断，S2和S3处于工作状态，S5的开关状态与S2和S3相反。当S2和S3导通时，逆变器工作在逆变模式，否则工作在续流模式。

图5 新型的单相并网逆变器结构

为了解决直流注入问题，本文在文献[15]的基础上对传统方法进行改进，本文为了实现对交流分量零稳态误差控制，采用PR调节器并结合电网电压前馈控制策略，其控制框图如图6所示。首先需要采集电网电压，通过单相锁相环获得电网电压相位信息进而合成电流参考值，采用虚拟电容控制并结合电网电压前馈，在调制过程中需要判断正负周期，根据电流参考值与0进行比较，当大于0时判断处于正半周，此时S1和S4开始工作，而S3和S4关断。当电流参考值小于0时判断处于负半周，此时S2和S3开始工作，而S1和S4关断，在两种情况下，S5的工作状态与其相反。

3 仿真研究

为了验证本文研究控制算法的有效性，通过Matlab/Simulink仿真软件搭建系统的仿真实验平台。系统参数主要参数：直流电压为400 V，电网电压有效值为220 V/50 Hz，网侧滤波电感为3 mH，开关频率为10 kHz.下面分别对传统单相H桥逆变器以及本文所研究的两种改进的控制策略进行仿真研究。

图6 改进单相并网逆变器的控制策略

3.1 未加入直流注入控制仿真结果

首先对未加入直流注入抑制策略情况进行仿真研究。由于电网电压含有直流分量时可以用电网电压前馈抑制，因此本文主要考虑电流参考值含有直流分量，设置Iref=10sinωt+1，得到的仿真结果如图7所示。

图7 未加入直流注入抑制策略的仿真结果

从图7中可以看出，当逆变器电流参考值中存在直流分量时，由于未加入抑制直流分量控制策略导致输出电流存在直流偏置，从电流FFT分析结果中看出输出电流含有1 A的直流分量。

3.2 电网电压前馈的检测反馈控制策略仿真结果

在此采用本文研究的电网电压前馈的检测反馈控制，仿真结果如图8所示。

图8 改进型检测反馈法的仿真结果

图9 改进拓扑结构虚拟电容控制的仿真结果

与传统方法对比可以看出输出电流不存在直流偏置，能够实现零稳态误差跟踪，直流分量近似为零。

3.3 改进型拓扑结构的虚拟电容控制策略仿真结果

前面对第一种改进控制进行了仿真研究，下面主要对改进型拓扑结构并且采用虚拟电容控制策略进行仿真，仿真结果如图9所示。

图9给出了改进拓扑结构虚拟电容的仿真结果，与图8对比可以看出，该方法不仅可以抑制直流分量，且电流THD更小，波形质量更高。

4 结论

为了解决非隔离光伏并网逆变器直流注入问题，本文分别从控制角度以及拓扑结构角度出发，研究了两种有效的方法抑制直流注入，给出了两种控制策略的框图，并且进行了仿真验证。仿真结果表明两种控制方法都可以有效避免直流分量注入到电网，同时改进型拓扑结构的虚拟电容策略输出电流THD更小，电流的波形质量更高。

[1] YAN Y，ENJETI P，BLAABJERG F，et al.Wide-Scale Adoption of Photovoltaic Energy[J].IEEE Industry Applications Magazine，2015，21(5)：21-31.

[2] LUO AN，XIE NING，SHUAI ZHIKANG，et al.Large-scale photovoltaic plant harmonic transmission model and analysis on resonance characteristics[J].IET Power Electronics，2015，8(4)：565-573.

[3] 秦硕，孙志毅，刘立群，等.光伏发电并网逆变器设计[J].太原科技大学学报，2015，36(1)：6-11.

[4] 周林，杨冰，郭珂，等.光伏并网系统中直流注入问题最新进展及发展趋势[J].电力系统保护与控制，2012，40(6)：147-155.

[5] ARMSTRONG M，ATKINSON D J，JOHNSON C M，et al.Auto-calibrating DC link current sensing technique for transformerless，grid connected，h-bridge inverter systems[J].IEEE Transaction on Power Electronics，2006，21(5)：1385-1393.

[6] 郭小强，邬伟扬.并网逆变器直流注入控制策略研究[C]∥中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会.杭州，2008.

[7] 王宝诚，郭小强，梅强，等.无变压器非隔离型光伏并网逆变器直流注入控制技术[J].中国电机工程学报，2009，29(36)：23-28.

[8] 郭小强，伞国成，沈虹，等.三相光伏并网逆变器直流注人抑制策略[J].电力电子技术，2013，47(3)：65-67.

[9] 栗晓政，孙建平，甄晓亚，等.基于PR与PI联合控制策略的光伏并网系统直流注入抑制技术[J].电力自动化设备，2013，33(3)：118-122.

[10] 薛家祥，梁泳全，张红卫，等.基于无差拍控制的光伏并网逆变器直流分量抑制研究[J].可再生能源，2013，31(11)：18-21.

[11] 杨亮，苏剑，刘海涛，等.单相并网逆变器的直流分量抑制策略[J].电力自动化设备，2015，35(4)：145-150.

[12] WANG BAOCHENG，GUO XIAOQIANG，GU HERONG，et al.Real-time DC Injection Measurement Technique for Transformerless PV Systems[C]∥IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems，2010：980-983.

[13] 赵清林，郭小强，邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究[J].中国电机工程学报，2007，27(6)：60-64.

[14] 尹亮，宋平岗，胡柳，等.一种新型光伏并网逆变器的拓扑结构及其直流分量分析[J].大功率变流技术，2012(4)：31-34.[15] 宋平岗，尹亮，徐凯.非隔离型逆变器输出直流分量的研究[J].电源技术，2014，38(3)：508-510.

DC Injection Control Strategy for Non-isolated Single-phase PV Grid-connected Inverters

MA Ya-yong，YU Shao-juan

(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

DC injection suppression is one most of technological challenge for transformerless photovoltaic grid-connected power systems.IEEE Std.929-200 specifies that the DC current is smaller than 0.5% of the full rated output current.In order to solve the problem，detection feedback control strategy based on grid voltage feedforward and virtual capacitor control method based on novel topology are proposed from the view of control theory and topology structure，and the control structures of two control strategies are given.Simulation platform of the system is built by Matlab/Simulink software，and the control strategy without DC injection suppression and the two proposed control strategies are studied.The simulation results show that the two proposed control strategies can effectively restrain DC component injection，comparing with detection feedback control strategy based on grid voltage feedforward，virtual capacitor control method based on novel topology has low output current THD and good power quality，the effectiveness and feasibility of the researched control method are verified by simulation results.

photovoltaic grid-connected inverter，DC injection，virtual capacitor，voltage feed-forward，proportional resonant

2015-11-02

山西省教改项目(J2011130，J2013064)；太原科技大学博士基金(20122033)

马亚勇(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为现代控制理论在电气传动中的应用；通信作者：于少娟教授，E-mail：yushao71@yeah.net

1673-2057(2016)05-0365-06

TM464

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.006