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：測量器件輸入失調(diào)導(dǎo)致的平移型直流注入和測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)對方法。針對平移型的直流注入問題，提出了通過一個直流分量積分補償環(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。針對非線性直流注入問題，做出了定量分析，為測量元器件非線性度指標(biāo)的選擇提供了的參考價值。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)果驗證了理論分析和算法的正確性。

　　嚴(yán)峻的能源形勢和生態(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、蘊藏豐富、分布廣等優(yōu)勢，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，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?；谥袊夥a(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)電裝機容量21 GW，擴(kuò)大到35 GW。國家還將出臺對光伏產(chǎn)業(yè)在上網(wǎng)、補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，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量元器件存在零點漂移、器件本身的非線性特性，開關(guān)管本身及驅(qū)動電路不一致等問題，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，因為注入電網(wǎng)直流分量會使變電站變壓器工作點偏移，導(dǎo)致變壓器飽和;增加電網(wǎng)電纜的腐蝕;導(dǎo)致較高的初級電流峰值，可能燒毀輸入保險，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，針對偏移型直流注入提出一種通過積分補償環(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，實現(xiàn)了對并網(wǎng)偏移型直流分量進(jìn)行抑制。針對非線性直流注入問題，定量的分析了測量元器件的非線性對并網(wǎng)電流直流分量注入的影響，為選擇測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)算法的完成需要實時采樣并網(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，輸出與輸入信號之間的關(guān)系不是一條具有固定斜率的直線。對于輸入的正弦波形，輸入信號幅度不同時，放大倍數(shù)會不同，這將導(dǎo)致所測量的正弦波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生直流分量。

　　圖1 為針對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，實際的特性曲線為圖1(a)中曲線1,對于不同幅值的輸入信號放大倍數(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際輸出波形，測量元器件的非線性造成輸出信號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償非線性，但這個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，對元器件的非線性度進(jìn)行擬合仿真，并研究了測量電路非線性度對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，主要研究測量電路非線性度的大小對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，由于實際設(shè)計測量電路時，測量電流與電壓的元器件往往采用一個公司的產(chǎn)品，這里假設(shè)測量電流與電壓的電路具有同樣的非線性特性。測量結(jié)果見表1.

　　圖1 測量元器件非線性直流分量的產(chǎn)生

　　表1 測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)測量元器件的非線性度小于0.3%時可以基本滿足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量電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流等參數(shù)，所用測量元器件往往存在輸入失調(diào)的問題，導(dǎo)致了所測量的正弦波形整體向上或者向下偏移。結(jié)果是：由于測量產(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為針對偏移型直流注入的原理分析，圖2(a)中曲線2為某測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)后的實際輸出波形，測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，主要研究測量并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的元器件失調(diào)大小對直流分量注入的影響。實際設(shè)計測量電路時，測量電流與電壓的元器件往往采用一個公司的產(chǎn)品，這里假設(shè)測量電流與電壓的電路具有同樣的輸出失調(diào)。得到的測量結(jié)果如表2所示。

　　表2 元器件輸入失調(diào)對直流分量的影響

　　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)測量元器件的輸出失調(diào)小于10 mV/5 V時，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，提出一個積分補償環(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)勢就在于良好的動態(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。

　　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，為了解決由于測量元器件的零點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)加入一個電流補償KI×Iε，每個正弦波周期對注入的直流分量進(jìn)行抑制，直到Iε =0 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實驗證明該方法簡單有效，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 為升壓級輸出的直流電壓。

　　圖4 一個周期內(nèi)的電流波形

　　假設(shè)圖4為一個周期內(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稱提取靠近峰值附近大約20個點(N=200時)，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) =-