动态补偿算法消除并网电流过零点畸变

周治国，谢飞

（1.佛山市鸿盛智能科技有限公司，广东 佛山 528333；

（2.顺德职业技术学院 电子与信息工程学院，广东 佛山 528333）

随着分布式光伏发电的发展，越来越多的并网逆变器将走进千家万户。为避免并网逆变器在运行时对电网造成谐波和无功污染，要求并网逆变器具有清洁高效安全的性能，因此并网逆变器的性能受到了广泛的关注。

户用型并网逆变器［1］一般采用单相结构，输出功率相对较小。单相并网逆变器从开关信号的调制方式上可分为单极性和双极性SPWM调制两种，双极性SPWM是4路高频调制信号且两两互补，开关损耗相对较高，在软件中实现相对简单；而单极性SPWM是2路互补的低频信号和2路互补的高频信号，开关损耗相对较低，但存在过零点畸变。在要求高转换效率的前提下，单相并网逆变器普遍采用单极性SPWM调制方式，那么过零点畸变就成为了单相并网逆变器必须解决的一个问题。针对存在过零点畸变的问题，本文提出了用动态补偿算法来消除并网电流产生的过零点畸变［2］。

1 单相并网逆变器系统

1.1 系统结构

如图1所示，单相并网逆变器由母线高压Udc和逆变桥等组成。光伏阵列通过DC/DC升压，使母线高压Udc稳定在400 V；逆变桥的输出经过LC滤波连接到公共电网上。逆变桥的4路开关信号是通过采样电流IL和参考电流Iref相比较得到误差信号e，误差信号e经过PI调节器后与电网电压前馈信号进行叠加，得到的结果通过PWM发生器生成4路驱动信号，其中参考电流Iref是与电网电压同频同相的参考信号。

图1 并网逆变器系统图

1.2 过零点畸变分析

为了便于分析单极性SPWM调制在单相并网逆变器产生过零点畸变的原因，本文借助Matlab/Simulink软件来搭建单相并网逆变器的仿真模型［3-5］，如图2所示。系统仿真模型主要由功率电路和控制系统模块组成，图3为其中的控制系统模块。控制系统模块［6-7］主要功能是将采样到的电网电压信号和电感电流信号进行闭环控制［8］，然后生成单极性SPWM信号。本文将从以下3个仿真实验来分析产生过零点畸变现象的原因。

图2 并网逆变器系统模型

图3 控制系统模型

1）将仿真时间设置为0.025 s，信号的采样时间为50 us，PI调节器中的比例系数KP=46，积分系数Ki=0.002 5，仿真结果如图4所示；然后将Ki调整为25，输出电流Iac的结果如图5所示。二者对比发现：图5中的输出电流波形在零点附近发生畸变。由此可得出：Ki参数过大会致使过零点畸变现象的产生。

图4 输出电流波形（KP=46，Ki=0.002 5）

图5 输出电流波形（KP=46，Ki=25）

2）将PI调节器中的Kp、Ki分别设置为46、0.002 5，而将交流电压采样信号延迟3个开关周期，也即延迟150 us。如图6所示，输出电流波形发生了明显的过零点畸变，实验结果说明：交流电压采样的延迟会引起过零点畸变。

图6 电压采样延迟的输出电流波形（KP=46，Ki=0.002 5）

3）将PI调节器中的Kp、Ki参数保持不变，将交流电流采样信号延迟3个开关周期，运行发现输出电流波形发生了振荡，结果如图7所示。振荡现象的产生说明PI调节器中的比例系数Kp较大，需减小Kp参数。如图8所示，将Kp设置为14，Ki保持不变，运行发现输出电流波形的振荡消失了。实验结果证明：交流电流采样的延迟不会产生过零点畸变，但输出电流波形会发生振荡。

图7 电流采样延迟的输出电流波形（KP=46）

图8 电流采样延迟的输出电流波形（KP=14）

通过以上仿真研究可得出：在单极性控制单相并网逆变器中，过零点畸变主要是由Ki参数大小和交流电压采样延迟引起的。

2 消除过零点畸变

由于积分系数Ki能消除系统的静差，提高系统的控制精度，因此在单相并网逆变器中合适的Ki参数显得很重要；而交流电压采样电路在模拟电路中是一定会存在信号延迟的，且只能尽量减小采样延迟时间。在这种情况下，本文提出一种动态补偿算法来解决过零点畸变的问题［9-10］。

动态补偿算法在软件中实现步骤如下：

2）根据电网电压瞬时值，求出当前相位θg；

3）当-π/4＜θg＜π/4时，进入第4步；否则进入第7步；

4）当-ΔI＜I*ac＜ΔI且当前正弦周期内是第1次进入第4步，那么跳转到第5步；否则跳转到第7步；

6）Δφ的门限设置为±π/3；

7）根据φ=θg+Δφ，求出Scut=sinφ；

8）将数据Scut作为单极性SPWM发生器的低频臂参考切换信号；

9）中断返回。

3 实验结果

为了验证动态补偿算法能完全消除并网电流过零点畸变，对单极性控制的单相并网逆变器进行了2次实验：PI闭环控制不带动态补偿算法和PI闭环控制带动态补偿算法。图9为没有加入动态补偿算法的PI闭环控制并网电流波形，其在零点处存在畸变；在PI闭环控制中加入动态补偿算法后的并网电流波形如图10所示。二者对比可以看出：加入动态补偿算法后，并网电流波形不存在过零点畸变。

图9 不带动态补偿算法的并网电流波形

图10 带动态补偿算法的并网电流波形

参考文献：

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