单相光伏并网逆变器直流注入问题的成因和抑制3 光伏发电, 逆变器, 电池, 动态, 技术

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关键字：单相光伏并网   直流注入抑制   积分补偿   无差拍控制   并网逆变器  
2.2 偏移型直流分量抑制的方法

2.2.1 无差拍控制原理

光伏发电容易受到外界环境如光照、温度等影响，要求逆变并网电流控制技术具有良好的动态响应性能。无差拍控制是一种数字化的控制方法，其优势就在于良好的动态性能，控制过程无过冲，具有非常快的暂态响应。

图3为无差拍电流控制原理图，DC为光伏电池输出经过BOOST 升压电路得到的直流电压，其值约为380 V。VT1～VT4组成全桥逆变器完成将光伏电池输出的能量传送到电网的任务。L 和C 组成一个滤波器，主要用于滤除由于开关管高频通断而产生的谐波电流的注入，R 为线路的等效电阻。由于电网电压在一定范围内稳定，控制逆变器输出的电流与电网电压同相位，即其功率因素为1，即能完成最大效率的输送。



图3 无差拍电流控制原理图



2.2.2 偏移型直流分量抑制算法

无差拍控制的思路是根据当前采样周期电路的状态来预测下一周期开关器件的占空比，从而产生PWM波控制开关管的通断，为了解决由于测量元器件的零点漂移所带来的偏移型直流注入问题，如式（1）所示在电流控制环节加入一个电流补偿KI×Iε，每个正弦波周期对注入的直流分量进行抑制，直到Iε =0 达到稳定状态，实验证明该方法简单有效，具有很好的暂态响应和稳态响应：





式中：为电网电压在第k +1 次采样周期的平均值；TS 为功率器件的开关周期；N 为每个周期的采样次数；iL (k) 为第k 次周期电感电流的采样值；iref(k +1) 为电感电流在第k +1周期的参考值；udc 为升压级输出的直流电压。



图4 一个周期内的电流波形



假设图4为一个周期内滤波电感电流的理想波形，周期为T，每周期采样次数为N，该直流抑制算法只需要对称提取靠近峰值附近大约20个点（N=200时），如图4中灰线条所框起来的部分：

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，由图4 可知：iL(i) =-iL(N -i -20) ，iL(i +1) =-iL(N -i -19)…iL(i +20) =-iL(N -i) 带入式（3）即得iε =0 。当iL(t) 中含有直流分量idc 时，iε≠ 0 ，其值的大小代表iL(t)中含直流分量的多少，iε(t)的值越大说明所含直流分量的值也越大。在无差拍电流控制环中，将iε(t)乘上一个比例系数KI作为一个负反馈补偿。KI的大小与电路结构有着密切的关系，需要根据实际情况恰当的选择KI，以实现快速且稳定的直流抑制。

2.2.3 仿真分析

为了验证理论分析和直流抑制控制方法的有效性，在Matlab/Simulink 环境下进行时域仿真，图5为时域仿真搭建的电路模型。



图5 基于无差拍直流抑制控制方法仿真时域模型



直流母线电压为380 V，系统开关频率设置为10 kHz，滤波电感40 mH，滤波电容850 μF，并网电流幅值为设置为20 A。为了让仿真效果更明显，这里假设电流与电压测量电路存在5%的输出失调，并网电流波形仿真效果如图6所示。



图6 并网电流波形



图6中初始时刻并网电流存在一定量的直流电流，经过闭环补偿环节不断调节，在0.15 s时刻后，直流分量得到充分抑制。为了更直观地分析并网电流直流分量的变化情况，这里用Simulink/Fourier模块对并网电流波形进行傅里叶分析，提取其直流分量，如图7所示。分析可知0.15 s 后直流分量仅有0.02 A，为额定电流的0.12%。直流分量逐步被抑制，调节速度快且稳态响应好。



图7 抑制后并网电流FFT分析提取直流分量



图8为并网电压与电流的仿真波形，可以看出基于无差拍控制算法下所补偿的直流抑制环节达到了很好的效果，且不影响无差拍控制本身良好的动态性能和稳定性。



图8 并网电压与电流波形



3 结语

本文提出一种简单有效的偏移型直流抑制算法，其具有简单、快速、有效、实用等特点。根据实际工程应用提出的电流环补偿方法只需要占用少量的芯片资源而无需增加额外的硬件设施，可以广泛的用于数字化的控制算法中。同时对非线性的直流注入做了具体分析，并定量地给出了元器件的非线性对直流注入的影响，为测量元器件的选择提供了非线性指标的参考。仿真结果表明，基于无差拍控制基础上的电流补偿环节可以有效地抑制直流电流的注入。