單相光伏并網(wǎng)逆變器100 Hz振蕩的分析與抑制

摘要：在單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器中，輸入和輸出瞬時功率的不平衡導致母線電壓振蕩，進而導致光伏電池工作點振蕩，影響系統(tǒng)性能。對母線電壓振蕩產(chǎn)生原因及其對電池板工作狀態(tài)的影響進行分析，提出一種簡單有效的抑制光伏逆變器振蕩的分段補償算法。該算法通過在最大功率點跟蹤(MPPT)控制器輸出占空比的基礎(chǔ)上前饋補償一個附加占空比來實現(xiàn)。在3 kW光伏逆變系統(tǒng)上進行實驗，結(jié)果驗證了該算法的有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；光伏并網(wǎng)；振蕩；前饋控制

1 引言
光伏并網(wǎng)逆變器各拓撲中，單相兩級式結(jié)構(gòu)控制算法簡單、無需電力變壓器，在1．5～3 kW功率等級中應(yīng)用廣泛。穩(wěn)定運行時，光伏系統(tǒng)輸入功率基本恒定，而輸出瞬時功率呈兩倍工頻正弦變化，故在功率傳遞過程中，輸入和輸出瞬時功率不平衡。母線電容在緩沖此不平衡時，母線電壓存在兩倍工頻振蕩，其振蕩通過Boost電路傳播，最終造成光伏電池板輸入電壓和電流也以兩倍工頻振蕩，從而導致：①電池板工作點在最大功率點附近振蕩，浪費了部分能量；②基于擾動方法的MPPT控制器可能產(chǎn)生誤判。針對母線電壓振蕩影響系統(tǒng)效率這個問題，提出很多解決方法，但均存在不足。
這里在分析母線電壓振蕩產(chǎn)生原因及其對電池板工作狀態(tài)影響的基礎(chǔ)上，提出一種簡單，無需增加任何硬件成本的分段抑制方法，并進行了實驗驗證。

2 主電路拓撲
圖1為典型3 kW單相兩級式并網(wǎng)逆變器拓撲。

前級Boost環(huán)節(jié)實現(xiàn)升壓和MPPT，后級全橋逆變電路產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦交流電，將能量注入到電網(wǎng)上。

3 母線電壓振蕩及其對輸入電壓的影響
考慮光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)為1，則注入電網(wǎng)的瞬時功率為：
pg(t)=ug(t)ig(t)=IgUg[1-cos(2ωt)] (1)
式中：Ig為并網(wǎng)電流有效值；Ug為電網(wǎng)電壓有效值。
由式(1)可見，單相全橋逆變電路將能量注入到電網(wǎng)時，系統(tǒng)輸出功率呈兩倍工頻變化。
當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，輸入平均功率與輸出平均功率相等。輸入電壓振蕩對系統(tǒng)輸入功率影響較小，可認為輸入功率基本為定值，則有：
Pin=Pg=IgUg (2)
功率在傳遞過程中的不平衡通過電容來緩沖：當輸入功率大于輸出功率時，電容充電，端電壓升高；當輸入功率小于輸出功率時，電容放電，端電壓降低。分析電容上需要緩沖的能量，可得：
△p(t)=Pin-pg(t)，△p(t)=udc(t)Cbdudc(t)／dt (3)
綜合式(1)～(3)可得，母線電壓分為平均值和波動量兩部分，即：

由式(4)中第2式可見，對于單相雙級式并網(wǎng)逆變器，其母線電壓必然存在兩倍工頻振蕩。