兼顧有源濾波的三相四開關光伏并網逆變器
發布時間：2019-07-12 11:34:54來源：
兼顧有源濾波的三相四開關光伏并網逆變器譚興國1，2，馮高明王輝2，張黎2（1.河南理工大學電氣工程學院，焦作454003；2.山東大學電氣工程學院，濟南250061）光伏并網技術，提出了一種三相四開關并網逆變方案。該方案依據實際光伏發電情況和電網諧波污染程度，設計了可工作在并網發電模式、有源濾波模式以及兼容模式下的三相四開關并網逆變器，并推導得到各模式下其指令電流的計算方法；并利用電流直接跟蹤技術，有效地實現各模式間的自適應切換；針對方案中三相四開關拓撲的直流中點電位偏移問題，給出了直流母線電容電壓差值前饋的補償方法中，MPPT（maximumpowerpointtracking）為光伏逆變器的比較大功率跟蹤模塊；a、b、c三相輸出中，c相功率元件采用串聯電容Ci和C2替代。由可知，DC/AC逆變環節米用三相四開關拓撲代替常規的三相六開關拓撲，因此減少了1組功率元件，且只需對三相中的兩相進行調制控制。
然而，功率元件的減少使得光伏并網變換器的控制性能發生變化，下文將闡述四開關并網逆變器的獨特控制規律及對應措施。
1.1.2控制規律和特性定義開關函數況、取±1，分別表示b、c相上下橋臂的閉鎖通斷（見），得到四開關逆變器三相輸出電流7Fa、7Fb和7f.之間的關系為：戶為微分算子；4為并網電感；"sb和Kc為并網接入點b、c相的相電壓；尺為線路電阻；dc為四開關逆變器直流母線電壓。
由此可見，在三相四開關拓撲中，只需對兩相開關函數5b、進行準確控制，即可實現對三相輸出電流的控制。但四開關變換器也存在著很多問題，如直流電壓利用率較低、直流中點電位偏移等。
為保證四開關變換器的輸出性能，通常要求其直流側電壓。應為交流輸出線電壓峰值的2倍以上。這對功率元件承壓提出了更高的要求，考慮到大功率并網逆變器中必須配置隔離變壓器，因此配置變比為的升壓隔離變壓器，在直流側的功率器件電壓應力降為1/的同時保證四開關變換器三相輸出耦合為0；此外，在控制方面還可以采用過調制技術進一步提高其直流電壓利用率。
1.1.3中點電位偏移前饋補償算法由于輔助橋臂上電容流過低頻負載電流，因此四開關并網逆變存在直流中點電位偏移的問題，應予以特別關注。將該偏移量Am代入四開關逆變器輸出電壓方程可得由此可見，中點電位偏移導致輸出電壓不平衡，進而對并網電流造成影響。由式（2）可知，本文給出的直流中點電位前饋補償算法的具體步驟為：取Am=0.5（mc廠叫2），其中mci和叫2分別為串聯電容Cl和C2承受的電壓；在b、c相電流值中加入Am/3作為前饋進行補償，從而抑制直流中點電位偏移對輸出不平衡的影響。
1.2控制策略四開關并網逆變器可工作于3種模式：并網發電、有源濾波、以及2者的兼容模式。為充分利用四開關逆變器容量實現光伏發電比較大化與電能質量治理的比較佳補償，本文給出了一種基于光伏發電功率與電網諧波污染狀況的工作模式切換控制準則，如所示。中，/ref為電流內環控制值；Ppv為光伏實際輸出功率；八ef為工作模式切換設定的功率閾值；gh為實際諧波畸變系數；gref為諧波閾值。
由于逆變系統中光伏出力的波動較大，實時測量光伏電池輸出功率'v并與設定的光伏功率閾值八ef進行比較。當光照充足時，Ppvref，四開關逆變器全部容量工作于并網發電模式，比較大限度利用光伏出力。若Ppv 1.2.2指令電流生成方法對于這3種模式，必須設計合適的控制策略，既要保證每種模式的正常工作，又要使各模式間能進行簡單切換，且過渡過程較為平滑。 光伏并網逆變模式實則是對并網電流的控制過程。本文以逆變器輸出的兩相電流ZFa、ZFb作為控制量，對其進行精確的電流跟蹤控制，使其準確跟蹤電網電壓相位，即可實現光伏并網功能。 有源濾波的典型補償方法分為諧波檢測法和直接跟蹤算法。在電網電壓無畸變的情況下，2種補償算法控制效果是等效的，可由諧波檢測補償算法推出直接電源電流跟蹤補償算法，推導過程如（a）所示。中，ZL為需補償的負載電流；ZLh為負載電流諧波成分；ZFref為APF補償電流指令；ZF為APF輸出反饋電流；Zsref為接入點等效電源電流值；4bref、4cref為b、c相電流值；4為接入點等效電源電流反饋；Msa為接入點a相相電壓；PLL為鎖相環；0為a相跟蹤相位；々為補償系數,為b、c相橋臂的開關信號；/p1和/p2為不同模式下經外環得到的電流幅值。 為便于實現模式切換，本文在有源濾波控制中使用電源電流直接跟蹤補償算法，以電源兩相電流Zsc、Zsb作為控制量，使其與電網電壓波形一致，具體如（b）所示。 有源濾波APF模只需補償電網中的諧波和無功成分，外環提供兩相電流4bref和4cref的幅值/p1，用于補償因開關損耗等引起的直流電壓波動，故電流內環b、c相的實際指令電流分別為壓實時變化，與電壓成余弦關系，實現了對電網信號的準確鎖相跟蹤。 1.3.2通過硬件實現電流滯環跟蹤的電路電流跟蹤技術的準確性和反應速度直接影響到四開關變換器控制性能。本文采用電流滯環跟蹤方式，設計了通過硬件實現電流滯環跟蹤的電路。 電流的閉環調節及滯環跟蹤無需數字信號處理器參與，主控系統只需給出電流指令，從而簡化了系統軟硬件設計，如所示。 控制電路由3部分組成：（1）控制器經電壓外環和鎖相處理得到電源兩相電流信號/sbref和/scref，再經TLV5617A串行DA轉換器變換成電壓形式的電流指令IrEFB和REFC.（2）電流滯環比較模塊。電流/ref與實際電流/FB經比較器產生電流偏差，與設定的電流滯環寬度進行比較，用于產生控制所需開關信號。中，/fbb、/fbc分別為b、c兩相反饋電流，上下電流滯環寬度可通過電阻調節。（3）脈沖形成與死區閉鎖模塊。滯環輸出的程邏輯陣列處理，形成具有死區的2路脈沖信號，用于驅動三相四開關變換器的2路橋臂。死區時間取決于電容充放電常數。 2，此時直流中點電位偏移基本為0，波形恢復正常，印證了中點電位前饋方法的有效性。 2.2不同模式下的控制效果四開關并網逆變器可以工作于單獨并網、并網與APF兼容以及單獨APF 3種模式，下文將分別對其進行介紹。 2.2.1單獨APF模式（a）為投切到有源濾波模式時，啟動過程中a相上的控制效果，其中為a相非線性負載電流；（b）為三相四開關逆變器輸出的三相補償相電流。 由可知，經四開關APF補償后，電流中的諧波總畸變率（totalharmonicdistortion，THD）由30.7%下降到2.0%，電源電流中的負載諧波成分得到了有效抑制；若適當減小電流滯環寬度，還可進一步減小諧波成分。由Msa和Zsa波形可知，功率因數被補償為1；電源電流幅值等于負載基波電流幅值（1A），只提供負載基波有功電流；即對于電源而言，非線性負載在四開關APF的補償作用下，相當于被補償為線性電阻的形式。 2.2.2并網發電與有源濾波兼容模式兼容模，指令中隱含有功并網電流和諧波補償電流，如所示。電源電流幅值為0.5A，小于基波有功電流設定值（1A）。由（a）可知，此時三相四開關并網逆變器除補償諧波外，還向負載提供了0.5A的有功電流（這也是電源電流幅值變小的原因），實現了并網發電與有源濾波的兼容控制。 改變電流指令幅值士即可改變有功輸出與有源濾波控制的占比。 2.2.3四開關并網發電模式在光伏并網模式下，四開關變換器以單位功率因數并入電網，控制效果如所示。中，為四開關變換器并網側a相相電壓；四開關光伏變換器輸出有功功率'=40W，電壓與電流波形一致，功率因數為1，四開關光伏變換器并網發電，向電網提供有功功率。 并網模式由上述實驗結果可知，通過對四開關光伏變換器施加合適的控制策略、改造隔離變壓器變比，即可在四開關低成本拓撲下，實現光伏并網發電與有源濾波多種功能；若在光伏輸出側配置儲能，還可以進一步實現能量的雙向傳輸控制，擴大四開關并網逆變器的應用范圍。 3結論本文結合光伏并網發電與有源濾波等技術，在不改變硬件拓撲的情況下，提高了光伏發電裝置利用及供電質量。 本文所采用的三相四開關拓撲減少了1組功率元件，其控制實現相對簡單；為便于模式間的平滑切換，應采用電流跟蹤型控制方法。 基于周期積分的單相軟件鎖相方法，以周期累加的方法取代2次諧波低通濾波，以便對電網信號進行準確跟蹤。 直流母線電容電壓差值前饋補償方法可有效抑制三相四開關變換器直流中點電位偏移引起的輸出不平衡現象。