單相光伏并網(wǎng)逆變器直流注入問題的成因和抑制

　　隨著非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的廣泛應(yīng)用，直流注入問題也日益受到重視，IEEE Std 929-2000規(guī)定直流注入必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%。將直流注入產(chǎn)生的原因分為兩種類型：測(cè)量器件輸入失調(diào)導(dǎo)致的平移型直流注入和測(cè)量器件的非線性造成的非線性直流注入，并分別提出了應(yīng)對(duì)方法。針對(duì)平移型的直流注入問題，提出了通過一個(gè)直流分量積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)來抑制逆變器控制算法中偏移型直流分量，該直流抑制算法無需增加外圍硬件電路，且只占用很少的控制芯片資源。針對(duì)非線性直流注入問題，做出了定量分析，為測(cè)量元器件非線性度指標(biāo)的選擇提供了的參考價(jià)值。最后將上述直流抑制算法應(yīng)用于無差拍并網(wǎng)控制中，并在Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和算法的正確性。

　　嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和生態(tài)環(huán)境的壓力要求各國大力開發(fā)利用可持續(xù)的清潔能源。太陽能在眾多利用形式中具有環(huán)保清潔、蘊(yùn)藏豐富、分布廣等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為當(dāng)前世界上可再生能源的重要組成部分。世界各國紛紛投資研發(fā)，大力拓展光伏發(fā)電市場(chǎng)，促進(jìn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步提高，使其成為當(dāng)前最具發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一。基于中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”目標(biāo)已進(jìn)行新的調(diào)整，從之前公布的光伏發(fā)電裝機(jī)容量21 GW，擴(kuò)大到35 GW。國家還將出臺(tái)對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)在上網(wǎng)、補(bǔ)貼等方面的支持政策。光伏發(fā)電將成為未來的替代能源之一，建設(shè)大規(guī)模的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是必然的選擇。

　　非隔離型的光伏并網(wǎng)逆變器由于其省去了工頻變壓器而具有重量輕、效率高、體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)，成為光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)展的主流方向。由于沒有低頻或者高頻的隔離變壓器，非隔離型的光伏并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵性技術(shù)之一是并網(wǎng)直流電流的抑制。并網(wǎng)逆變器控制電路中測(cè)量元器件存在零點(diǎn)漂移、器件本身的非線性特性，開關(guān)管本身及驅(qū)動(dòng)電路不一致等問題，造成了逆變器輸出電流中產(chǎn)生直流分量。電力系統(tǒng)不允許將有較大輸出直流分量的逆變器連接到電網(wǎng)上，因?yàn)樽⑷腚娋W(wǎng)直流分量會(huì)使變電站變壓器工作點(diǎn)偏移，導(dǎo)致變壓器飽和;增加電網(wǎng)電纜的腐蝕;導(dǎo)致較高的初級(jí)電流峰值，可能燒毀輸入保險(xiǎn)，引起斷電;甚至可能增加諧波分量。IEEE Std 929-2000中規(guī)定光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電流中直流分量必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%。因此，研究光伏并網(wǎng)直流注入問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　本文主要詳細(xì)分析了單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生直流分量注入的原因，針對(duì)偏移型直流注入提出一種通過積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)有效抑制并網(wǎng)直流注入的算法，并將其應(yīng)用到無差拍電流控制逆變器中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)并網(wǎng)偏移型直流分量進(jìn)行抑制。針對(duì)非線性直流注入問題，定量的分析了測(cè)量元器件的非線性對(duì)并網(wǎng)電流直流分量注入的影響，為選擇測(cè)量元器件非線性參數(shù)的考慮提供了參考。

　　1 非線性直流分量產(chǎn)生的原因及抑制方法

　　1.1 非線性直流分量產(chǎn)生的原因

　　光伏并網(wǎng)算法的完成需要實(shí)時(shí)采樣并網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓等正弦量，然而采樣所用到的霍爾電流電壓互感器、后級(jí)的模擬放大電路都存在一定的非線性特性，輸出與輸入信號(hào)之間的關(guān)系不是一條具有固定斜率的直線。對(duì)于輸入的正弦波形，輸入信號(hào)幅度不同時(shí)，放大倍數(shù)會(huì)不同，這將導(dǎo)致所測(cè)量的正弦波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生直流分量。

　　圖1 為針對(duì)元器件非線性直流注入的原理分析，圖1(a)中曲線2 為某測(cè)量電路所用放大器的理想特性曲線，由于其存在非線性特性，實(shí)際的特性曲線為圖1(a)中曲線1,對(duì)于不同幅值的輸入信號(hào)放大倍數(shù)也不同。若需要采樣的波形如圖1(b)，圖1(c)中曲線2與曲線1分別表示為理想輸出波形與考慮器件非線性之后的實(shí)際輸出波形，測(cè)量元器件的非線性造成輸出信號(hào)Zi變成了上大下小的失真波形，從而造成直流分量的注入。

　　1.2 測(cè)量器件非線性度帶來直流分量的定量分析

　　非線性原因?qū)е铝四孀兤鬏敵鲋写嬖谥绷麟娏?，若不采取適當(dāng)措施，該直流電流將注入電網(wǎng)，引起電網(wǎng)的直流注入問題。針對(duì)非線性的直流注入問題，往往需要根據(jù)非線性特性方程來補(bǔ)償非線性，但這個(gè)特性廠家一般不提供，而只給出非線性度指標(biāo)。采用輸入/輸出的特性曲線與理想曲線的最大偏差為ΔYi(max)，用Δi(max)/|Y|來度量元器件的非線性度。

　　本文結(jié)合無差拍控制算法，對(duì)元器件的非線性度進(jìn)行擬合仿真，并研究了測(cè)量電路非線性度對(duì)輸出直流分量的影響。搭建并網(wǎng)額定電流為16 A基于無差拍控制的逆變器，主要研究測(cè)量電路非線性度的大小對(duì)直流分量注入的影響，采用二次曲線擬合元器件的非線性度的大小，由于實(shí)際設(shè)計(jì)測(cè)量電路時(shí)，測(cè)量電流與電壓的元器件往往采用一個(gè)公司的產(chǎn)品，這里假設(shè)測(cè)量電流與電壓的電路具有同樣的非線性特性。測(cè)量結(jié)果見表1.

　　圖1 測(cè)量元器件非線性直流分量的產(chǎn)生

　　表1 測(cè)量元器件非線性度帶來的直流分量%

　　從表中可以看出，隨著元器件非線性度的增大，輸出直流分量的大小也隨之增加。IEEE Std 929-2000規(guī)定直流注入必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%，當(dāng)測(cè)量元器件的非線性度小于0.3%時(shí)可以基本滿足IEEE Std 929-2000的規(guī)定。

　　2 偏移型直流分量產(chǎn)生的原因及抑制方法

　　2.1 偏移型直流分量產(chǎn)生的原因

　　并網(wǎng)逆變器控制電路中一般都需要測(cè)量電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流等參數(shù)，所用測(cè)量元器件往往存在輸入失調(diào)的問題，導(dǎo)致了所測(cè)量的正弦波形整體向上或者向下偏移。結(jié)果是：由于測(cè)量產(chǎn)生的直流分量將被帶入到逆變器的控制算法中，將引起控制器的誤差，最終使逆變器的并網(wǎng)電流中含有直流分量。

　　圖2為針對(duì)偏移型直流注入的原理分析，圖2(a)中曲線2為某測(cè)量電路所用放大器的理想特性曲線，由于其存在輸入失調(diào)，實(shí)際的特性曲線為圖2(a)中曲線1，較之于理想特性曲線向上偏移100 mV。若需要采樣的波形如圖2(b)，(c)中曲線1與曲線2分別表示為理想輸出波形與考慮輸入失調(diào)后的實(shí)際輸出波形，測(cè)量元器件的輸入失調(diào)造成采樣得到的正弦波整體上移。

　　圖2 測(cè)量元器件偏移型直流分量的產(chǎn)生

　　光伏并網(wǎng)算法的采樣電路中放大器存在輸入失調(diào)，如圖2(b)中所示。本文結(jié)合無差拍控制算法，對(duì)偏移型直流注入進(jìn)行仿真分析，定量的研究了元器件輸出失調(diào)產(chǎn)生的直流分量。搭建并網(wǎng)額定電流為16 A基于無差拍控制的逆變器，主要研究測(cè)量并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的元器件失調(diào)大小對(duì)直流分量注入的影響。實(shí)際設(shè)計(jì)測(cè)量電路時(shí)，測(cè)量電流與電壓的元器件往往采用一個(gè)公司的產(chǎn)品，這里假設(shè)測(cè)量電流與電壓的電路具有同樣的輸出失調(diào)。得到的測(cè)量結(jié)果如表2所示。

　　表2 元器件輸入失調(diào)對(duì)直流分量的影響

　　從表2中可以看出，隨著元器件輸入失調(diào)的增大，輸出直流分量的大小也隨之增加。當(dāng)測(cè)量元器件的輸出失調(diào)小于10 mV/5 V時(shí)，直流分量的注入小于0.5%。為了解決由于元器件偏移型直流分量的注入，提出一個(gè)積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)來抑制直流注入，這里以無差拍控制為例介紹該方法。

　　2.2 偏移型直流分量抑制的方法

　　2.2.1 無差拍控制原理

　　光伏發(fā)電容易受到外界環(huán)境如光照、溫度等影響，要求逆變并網(wǎng)電流控制技術(shù)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。無差拍控制是一種數(shù)字化的控制方法，其優(yōu)勢(shì)就在于良好的動(dòng)態(tài)性能，控制過程無過沖，具有非常快的暫態(tài)響應(yīng)。

　　圖3為無差拍電流控制原理圖，DC為光伏電池輸出經(jīng)過BOOST 升壓電路得到的直流電壓，其值約為380 V。VT1~VT4組成全橋逆變器完成將光伏電池輸出的能量傳送到電網(wǎng)的任務(wù)。L 和C 組成一個(gè)濾波器，主要用于濾除由于開關(guān)管高頻通斷而產(chǎn)生的諧波電流的注入，R 為線路的等效電阻。由于電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定，控制逆變器輸出的電流與電網(wǎng)電壓同相位，即其功率因素為1,即能完成最大效率的輸送。[!--empirenews.page--]

　　圖3 無差拍電流控制原理圖

　　2.2.2 偏移型直流分量抑制算法

　　無差拍控制的思路是根據(jù)當(dāng)前采樣周期電路的狀態(tài)來預(yù)測(cè)下一周期開關(guān)器件的占空比，從而產(chǎn)生PWM波控制開關(guān)管的通斷，為了解決由于測(cè)量元器件的零點(diǎn)漂移所帶來的偏移型直流注入問題，如式(1)所示在電流控制環(huán)節(jié)加入一個(gè)電流補(bǔ)償KI×Iε，每個(gè)正弦波周期對(duì)注入的直流分量進(jìn)行抑制，直到Iε =0 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)證明該方法簡(jiǎn)單有效，具有很好的暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：

　　式中：為電網(wǎng)電壓在第k +1 次采樣周期的平均值;TS 為功率器件的開關(guān)周期;N 為每個(gè)周期的采樣次數(shù);iL (k) 為第k 次周期電感電流的采樣值;iref(k +1) 為電感電流在第k +1周期的參考值;udc 為升壓級(jí)輸出的直流電壓。

　　圖4 一個(gè)周期內(nèi)的電流波形

　　假設(shè)圖4為一個(gè)周期內(nèi)濾波電感電流的理想波形，周期為T,每周期采樣次數(shù)為N,該直流抑制算法只需要對(duì)稱提取靠近峰值附近大約20個(gè)點(diǎn)(N=200時(shí))，如圖4中灰線條所框起來的部分：

　　iε =iL(i) +iL(i +1) +…+iL(i +20) +iL(N -i -20) +…+iL(N -i) (3)

　　如果iL(i)中不含直流分量，由圖4 可知：iL(i) =-iL(N -i -20) ,iL(i +1) =-iL(N -i -19)…iL(i +20) =-iL(N -i) 帶入式(3)即得iε =0 .當(dāng)iL(t) 中含有直流分量idc 時(shí)，iε≠ 0 ,其值的大小代表iL(t)中含直流分量的多少，iε(t)的值越大說明所含直流分量的值也越大。在無差拍電流控制環(huán)中，將iε(t)乘上一個(gè)比例系數(shù)KI作為一個(gè)負(fù)反饋補(bǔ)償。KI的大小與電路結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，需要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)?shù)倪x擇KI,以實(shí)現(xiàn)快速且穩(wěn)定的直流抑制。

　　2.2.3 仿真分析

　　為了驗(yàn)證理論分析和直流抑制控制方法的有效性，在Matlab/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行時(shí)域仿真，圖5為時(shí)域仿真搭建的電路模型。

　　圖5 基于無差拍直流抑制控制方法仿真時(shí)域模型

　　直流母線電壓為380 V，系統(tǒng)開關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz,濾波電感40 mH,濾波電容850 μF，并網(wǎng)電流幅值為設(shè)置為20 A。為了讓仿真效果更明顯，這里假設(shè)電流與電壓測(cè)量電路存在5%的輸出失調(diào)，并網(wǎng)電流波形仿真效果如圖6所示。

　　圖6 并網(wǎng)電流波形

　　圖6中初始時(shí)刻并網(wǎng)電流存在一定量的直流電流，經(jīng)過閉環(huán)補(bǔ)償環(huán)節(jié)不斷調(diào)節(jié)，在0.15 s時(shí)刻后，直流分量得到充分抑制。為了更直觀地分析并網(wǎng)電流直流分量的變化情況，這里用Simulink/Fourier模塊對(duì)并網(wǎng)電流波形進(jìn)行傅里葉分析，提取其直流分量，如圖7所示。分析可知0.15 s 后直流分量?jī)H有0.02 A，為額定電流的0.12%。直流分量逐步被抑制，調(diào)節(jié)速度快且穩(wěn)態(tài)響應(yīng)好。

　　圖7 抑制后并網(wǎng)電流FFT分析提取直流分量

　　圖8為并網(wǎng)電壓與電流的仿真波形，可以看出基于無差拍控制算法下所補(bǔ)償?shù)闹绷饕种骗h(huán)節(jié)達(dá)到了很好的效果，且不影響無差拍控制本身良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。

　　圖8 并網(wǎng)電壓與電流波形

　　3 結(jié)語

　　本文提出一種簡(jiǎn)單有效的偏移型直流抑制算法，其具有簡(jiǎn)單、快速、有效、實(shí)用等特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用提出的電流環(huán)補(bǔ)償方法只需要占用少量的芯片資源而無需增加額外的硬件設(shè)施，可以廣泛的用于數(shù)字化的控制算法中。同時(shí)對(duì)非線性的直流注入做了具體分析，并定量地給出了元器件的非線性對(duì)直流注入的影響，為測(cè)量元器件的選擇提供了非線性指標(biāo)的參考。仿真結(jié)果表明，基于無差拍控制基礎(chǔ)上的電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以有效地抑制直流電流的注入。