单相光伏并网逆变器瞬时电流的补偿控制分析

吕守向

(福州理工学院　福建福州　350506)



单相光伏并网逆变器瞬时电流的补偿控制分析

吕守向

(福州理工学院福建福州350506)

摘要：单相光伏并网发电中，进行逆变器瞬时电流的补偿控制，可以提高电网运行效率，降低电网运行损耗，实现节能效益。根据单相光伏并网发电系统特点，优化设计光伏并网逆变器，制定出具体的单相光伏并网逆变器瞬时电流补偿控制方案，实现对瞬时电流的跟踪控制策略，提高单相光伏并网供电设备供电能力，有助于改善电能质量，缓和电力紧缺影响，最大发挥单相光伏并网电力能源效益。文章分析了对于单相光伏并网逆变器瞬时电流的补偿控制。

关键词：光伏并网，单相，逆变器，补偿控制，瞬时电流

随着我国电力行业的发展，电网覆盖面积也不断扩张，从我国当前单相光伏并网建设现状入手，在单相光伏并网配置中合理安装补偿控制装置，针对我国实际配网情况，控制单相光伏并网逆变器的瞬时电流，有助于降损节能。文章基于单相光伏并网中逆变器瞬时电流补偿的意义与原理，分析单相光伏并网逆变器瞬时电流的控制措施。

1实现单相光伏并网的意义

在世界能源和环境污染严重的今天，深入开展利用太阳能等的并网发电技术，对于缓解能源危机和加快环境保护、促进经济的可持续发展等具有深远而重大的理论和现实意义[1]。光伏发电作为一种分布式发电，是一种绿色清洁、具有巨大潜力的新能源，无论在国内还是国际上都受到了广泛的关注和重视。太阳能发电是一种特殊的电力，针对发电机构，对于其异步发电机，在发出有功功率时，还需要能够从系统中吸收一些无功功率，并且，此时的无功需求也将会随有功输出变化而发生一定变化。

2并网逆变器

2.1原理

并网逆变器作为能量传输的桥梁，直接决定着光伏发电的效率和输出电能的质量，在光伏发电系统中起着举足轻重的作用。所谓的并网是指逆变器交流侧输出接入电网中，也称并网运行。在光伏并网系统中，并网逆变器是实现光伏阵列与电网间能量的传递与转换的关键环节。当光伏电池的输出在较大的范围内变化时，并网逆变器能够始终尽可能高效地将光伏电池输出的低压直流电转化为与电网匹配的交流电流送入电网[2]。对于光伏并网中，其并网逆变器，不仅可以作为光伏电池和电网之间的接口装置，同时，也可以将光伏电池中的直流电能，将其转换成交流电能，并可以传输到电网之上，起重要作用。在光伏并网发电系统之中，随着并网逆变器投入应用的增多，也不可忽视输出并网电流谐波污染，避免影响电网电压正常运行。

2.2并网逆变器种类分析

对于实际中的逆变电路，其可以根据直流侧不同的电源性质，将其可分为直流测电压源的电压型逆变的电路，也可以分为电流型的逆变电路。半桥逆变器中，还有两个桥臂，对于其每个桥臂，也可以由一个可控器件以及一个反并联的二极管相互组成[3]。同时，在其直流侧接的电容，也是两个互相串联足够大的电容，且电容连接点，也就是直流电源中点。负其电路原理图和工作波形如图1所示。

图1半桥逆变器及其工作波形

全桥逆变器中将4个IGBT管子组成一个桥形的电路之后，使成对的两个桥臂同时导通，两队交替各导通180°，这样的电路称为全桥逆变电路。其电路原理图和工作波形如图2所示。

图2　全桥逆变器及其工作波形

并网型逆变器按照其控制方式的不同可以分为：电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制4种。

3浅析单向光伏并网逆变器对瞬时电流的影响

光伏并网逆变器中，对于其异步电机，当其可以作为发电机在运行时，若是没有独立励磁的装置，在并网前的发电机，本身也没有电压，因此，在并网时，必然会伴随着一个过渡的过程。在直接并网之时，可以流过5～8倍的额定电流，这样的冲击电流，一般需要经过几百毫秒之后，才可以转入到稳态中。同时，针对异步发电机并网时，分析其冲击电流的大小，其与并网时的网络电压大小以及发电机暂态电抗均有关系。电网中的滑差越大，则在逆变器中，其交流暂态衰减时间也将会越来越长，且其并网时的冲击电流的有效值，也就会越来月大。基于太阳能的光伏发电机组，载荷大电网并联之时，其在合闸瞬间，产生的冲击电流，会对发电机以及电网系统的安全运行产生一定影响[4]。设置逆变器进行补偿控制，可以避免造成电压崩溃，改善电网系统运行的性能，可以有效降低输出功率的波动，稳定电场电压。

4设计实现单相光伏并网逆变器瞬时电流的补偿控制

4.1系统结构

光伏并网逆变器主要可以由两个部分组成：分别是前级DC-DC变换器部分，以及后级DC-AC逆变器部分。对于这两个部分之间，可以通过Dclink相护连接，并且要求在工作中Dclink的电压可以达到400V。在单相光伏并网逆变器补偿控制系统中，光伏太阳能电池板的输出电压，就是额定直流100～170V。对于其DC—DC变换器，则是采用的boost结构，对于DC—AC部分，则是采用全桥的逆变器，对于补偿控制之中，DC-DC完成大功率的跟踪控制功能，DC-AC维持DClink中间的稳定电压，并可以将电能转换为220V/50Hz正弦的交流电。

4.2 设计控制电路

交流配电系统的安全也关系到整个系统的正常运行，因此可以设置漏电保护、电隔离等装置，方便对交流配电系统的故障维护[5]。在光伏并网逆变器设计中，补偿控制中，对于直流配电系统的设计，可以使用不能线径电缆，用串联和并联的方式分别满足电网对电压的需求和负载对发电功率的需求，建设外部环境对系统的影响，从而提高光伏建筑一体化发电系统的运行安全。

图3　光伏逆变器电路结构

如图3所示，在三相静止对称坐标系中，对于交流侧物理量，若是均为变交流量之时，则将会不利于系统控制。因此，可以将坐标变换成电网基波频率同步的旋转型d-q坐标系，其数学模型中可以描述为：

式中ed、eq，可以用来电网电动势矢量中E的d分量、q 分量

vd、vq。可以表示在三相VSR交流侧中，其电压矢量Vdq的d分量、q分量

id、iq表示，在三相VSR交流侧中，电流的矢量Idq的d分量、q分量

P表示微分算子

由上式中可以看出，对于VSR中，由于其d、q轴变量之间相互耦合，因而，也相应的会给逆变器瞬时电流控制造成困难。对此，就可以采用前馈的解耦控制方法策略，当在单相光伏并网逆变器中，其电流调节器中可以用PI调节器，有效实现补偿控制，则vd、vq的控制方程如下：

式中：KiP、Kil表示，在电流内环中的比例调节增益以及积分调节增益。

以上公式经简化，可得：

同样，求得：

显然，在上式中表明，对于前馈控制算法中，可以确保在VSR电流内环中，实现对(id,iq)的解耦控制。解耦iq电流的内环结构如图4所示。

图4　电流的环结构

可以模拟单相光伏并网中信号检测电路功能，可以把强电信号，将其转换为DSP的可读取弱电的数字信号，同时，还要保证在单相光伏并网中强电与弱电之间的隔离。单相光伏并网逆变器的补偿控制之中，可以选用HCPL7800A型的光电耦合器(惠普公司生产)，不仅其非线性度达到0.004%，同时其共模电压达到1 000V，共模抑制能力达到15kV/lμs，增益的温漂则是0.000 25V/℃，其带宽达到100kHz。

4.3计算单相光伏并网的开关电流

在单相光伏并网中，对于其逆变器工作过程之中，为了可以防止逆变器桥臂的上、下开关管能够直通，需要在两管开关信号中，插入一个死区时间，并且在此时间内，其上、下两管均位于关断状态，单相光伏并网输出电压，主要电感电流的方向来决定[6]。补偿控制中，并网开关在系统中的工作位置在总进线，流过并网开关的电流等于变流器的整个视在功率，以1.5MW为例在额定情况下，功率Ps-total=1733KVA，UIN=690V，并网开关电流计算如下：

长期工作电网电压低情况下：考虑电网电压、电压621V，功率Ps-total=1733KVA，并网开关电流计算如下：

过载最严酷情况下：输出功率2000KW，电机转速1950rmp，电网电压621V，并网开关电流计算如下：

在对逆变控制器的设计中，应该保证其使用的寿命在20年以上，而且逆变控制器还应该满足光伏方阵的最大使用功率，不管是光照、电压、温度怎么变化波动[7]，都要保证你点控制器的正常运行。补偿控制中，还需要具有防雷、防短路、防电压异常的功能，必须确保其对电流转换率在90%，确保电网和建筑中太阳能发电一体化的安全运行。

5补偿控制仿真试验

5.1搭建仿真平台

可以将上面设计的针对单相光伏并网逆变器瞬时电流的补偿控制中，对于搭建出的Simulink/Matlab仿真平之台[8]，设置其主要参数，分别是，电网的电压有效值为220V，直流的母线电压达到400V；而且，为可以显示补偿效果，在其负载中，均采用了整流桥接阻感负载，单相光伏并网负载的功率是5kVA。补偿仿真的实验波形如图5所示。

图5　仿真波形

5.2实验一

采用日本恒河DL750录波仪，其主要参数由：5 kW的PVGC，以及220 V的交流系统，太阳能的最大功率点电压为500 V，其频率为50 Hz(可以适应电网的电压频率的变化)，对于并网连接中，电感为2 mH，同时直流母线装置的电容是2 350LF。之后，就可以向单相光伏并网发送有功。对于其直流母线的电压，可以达到502 V，直流的电流为9.2 A，并网电流中的有效值是19.8 A，其功率因数是1；系统的效率达到95%，THD可以小于3%。从而经过实验，得到实验的波形，如图5所示。波形a主要就是基于负载非线性的电流波形，不仅含有丰富高次的谐波，还负载着电感上的无功功率；波形b可以很好反映出本方法中电流检测的有效性；波形c很好消除电网的谐波，大大提高了单相光伏并网质量，同时可以实时补充单相光伏并网的无功功率，改善单相光伏并网的功率因数。通过设计逆变器的补偿控制方法，可以对单相光伏并网电网的电流进行控制补偿，有效控制单相光伏并网逆变器的输出电流，其波形如图d中所示，确保单相光伏并网中的电流波形是正弦波，也可以与单相光伏并网中的电压同步。

5.3实验二

可以向单相光伏并网中发送有功，此时，还可以发送1 kv的无功。将单相光伏并网中，其直流母线的电压可以稳定在560 V，确保直流输出的电流为3.0 A，不仅可以抑制单相光伏并网直流母线电压波动，也可以抑制其吸收有功，此时的并网电流有效值为1.19 A，其功率因数达到0.809。其实验波形结果如图6所示。

图6　有功、无功波形

通过以上仿真验证，采用逆变器瞬时电流补偿控制，可以很好跟踪电网电压，从而控制电流波形，不仅可以达到并网输送有功功率，同时也可以兼顾无功和谐波补偿功能，具有实际应用效果。

6结论

综上所述，在我国电网建设中，实现单相光伏并网逆变器瞬时电流补偿控制，降低单相光伏并网运行过程中的瞬时电流损耗量。在单相光伏并网运行过程中实现瞬时电流补偿控制，不仅可以提高单相光伏并网运行功率因数，可以节省电力资源，也提升单相光伏并网供电的经济效益。

参考文献：

[1]张强，刘建政，李国杰，等.单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制[J].电力系统自动化，2007，31(10)：50.

[2]曹太强，许建平，祁强，等.单相光伏并网逆变器控制技术[J].电力自动化设备，2012，32(5)：133.

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[4]张亮，蔡旭，张东，等.并联型有源电力滤波器设计及并网冲击电流的抑制[J].电机与控制学报，2010，14(3)：39.

[5]陈燕东，罗安，彭自强，等.光伏并网发电与无功补偿的鲁棒预测控制[J].电工技术学报，2013，28(11)：239.

[6]杨立永，王周龙，田红芳，等.光伏并网系统中的无功及谐波电流检测与补偿[J].北方工业大学学报，2011，23(1)：48.

[7]戴训江，晁勤.一种新颖的并网逆变器A适应电流滞环控制策略[J].电力自动化设备，2009，29(9)：85.

[8]张强，高志强，周强，等.基于无功补偿技术户用型并网逆变器研究[J].电力电子技术，2015，49(1)：90.

(责任编辑李平)

中图分类号：TM 615

文献标识码：A

文章编号：1674-9545(2015)04-0033-(05)

通讯作者：吕守向(1984-)，男，湖北鄂州人，研究方向为配网自动化，微网，逆变器等。

收稿日期：2015-10-2