单相光伏并网系统新型复合控制策略研究

杜枭燃， 席自强

(湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430068)

单相光伏并网系统新型复合控制策略研究

杜枭燃， 席自强

(湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430068)

针对户用小型光伏发电系统，提出一种基于重复控制和电压前馈控制相结合的新型复合控制策略。建立相应单相光伏并网系统的数学模型，对单相光伏并网系统的工作原理进行了深入的分析，并搭建一个6 kW单相光伏并网系统的实验平台。实验样机结果表明，该控制策略能使单相光伏并网逆变器得到更优的并网电流波形，降低总谐波畸变率。

并网逆变器； 重复控制； 电压前馈； 谐波畸变率

在光伏发电系统里面，逆变器有着至关重要的作用。逆变器工作效率决定了光伏发电系统并网电压质量的高低。传统的逆变器在输出端和工频隔离变压器连接以实现电气隔离的作用，但是这样一来会使成本变高、损耗增大甚至影响系统效率。无变压器型光伏逆变器以其效率高、体积小、成本低，被广泛应用于小功率光伏发电系统中[5-7]。然而，少了隔离变压器之后，光伏电池部分和电网之间存在电气的直接连接，光伏系统与大地之间会有寄生电容，当寄生电容上的共模电压发生改变的时候，会产生共模电流，导致并网电流的畸变[8-9]；同时还会在并网过程中使电网电流含有较大直流分量，引起电网系统中分布变压器的饱和[10]。

本文提出一种在改进型的全桥逆变器拓扑结构下，采用重复控制和电压前馈控制相结合的复合控制策略，并合理选择低偏移量的工作器件，将逆变器中输出电流里面的直流分量进行较好的抑制。该逆变器不仅可以抑制共模电流，而且使直流分量降到最低。对于解决无变压器型单相光伏并网系统中出现的问题十分有效。

1 并网逆变器的拓扑选择

采用的单相光伏并网系统拓扑结构见图1。其中开关管VT1～VT4的导通和关断是根据正弦调制波和三角载波的比较来控制，而开关管VT5、VT6则是在电网电流的正负半个周期内分别进行导通。其系统具体分析如下：

在电网电流的正半周期内，开关管VT5将会导通，一旦正弦调制波超过三角载波，开关管VT1、VT4将会导通，此时的共模电压即为

vcm=0.5(vao+vbo)=0.5(VPV+0)=0.5VPV

(1)

而当正弦调制波低于三角载波时，开关管VT1、VT4将会关断，电流就会经二极管VD7和开关管VT5来续流。同理，开关器件的关断阻抗会影响寄生电容的放电。vao，vbo即会近似保持在0.5VPV，所以有

vcm=0.5VPV

(2)

从式(2)可以看出，在正半周期内的稳定状态下VPV保持不变，则共模电压几乎恒定不变，从而使得共模电流得到很好地抑制。

图 1 混合桥臂拓扑

而在负半周期的时候，共模电压的分析与正半周期内的情况近似。

分析比较上述工作情况容易看出该拓扑结构能够很好抑制共模电流，与此同时全桥型的结构可以降低输出端滤波电感上的损耗，提高了逆变器的工作效率。

2 并网逆变器的控制策略

2.1电压前馈控制策略

未加上电压前馈控制的单相光伏并网控制系统结构框图见图2。

图 2 未加电压前馈的并网控制系统框图

由于本系统是有源逆变，所以受电网系统影响较大，如电网内部发生变化，那么该系统的输出并网电流也会产生相应的畸变，不能满足国家有关规定的并网标准。

由图2可知，当电网端电压变化Δunet时，系统并网电流iC也会相应发生变化，输出即为

(3)

由式(3)可以看出，当电网电压突变的时候，并网系统的输出电流也会发生变化，从而导致系统不再稳定。为了解决该问题，必须采取有效的措施来抑制这种变化。

本文选择在单相光伏并网系统中加入电网电压前馈补偿环节来改善整个系统的稳定性。加上电压前馈控制的单相光伏并网控制系统结构框图见图3。

图 3 电压前馈并网控制系统框图

由图3可知，在系统加入电网电压前馈补偿环节之后可以得到电流变化为：

(4)

如果令G4(s)=1/G2(s)，则式(4)为零，从而可以消除电网电压的变化对该系统的影响。通过增加一个电压前馈控制环节，来给出一个和电网电压相对应的合适占空比，从而解决了由于电网电压的变化对整个系统的影响。

2.2直流分量抑制控制策略

从控制角度来说，由于光伏并网逆变器输出端的高频 SPWM波中含有一定量的直流电流分量，从而引起直流分量的产生。直流电流分量来源大致可以分为四类：最初给定正弦波信号中所含有的直流电流分量；由于控制系统所引起的直流电流分量；由于脉冲分配不均匀及形成死区电路而引起的直流电流分量；由于开关管特性无法保证完全一致而引起的直流电流分量。

在上述的几种影响因素中，实际可能性和实际影响性相对较大的是第一种和第二种影响因素。而在后两种影响因素中，系统电路只需要处理 SPWM开关信号，合理的设计可以使得其对整个系统的影响相对较小。

直流电流分量产生的原因是因为脉宽总量的和不为零。因此本文采用重复控制策略来使它平衡，达到改善整个系统稳态性能，消除相应死区效应和电网系统电压畸变的目的。

通过软件来抑制直流电流分量的最终目的是：在一个周期内调制波和三角波比较后输出脉宽量的总和为零[15]。因此可用式(5-6)表示：

(5)

(6)

假设 SPWM为理想调制方式，则：

(7)

式中，K为理想调制的增益。

由式(7)很容易看出，若要整个系统的直流分量为零，其实只需要在一个工频周期内vc对时间的总积分为零即可。因此，只需要把一个工频周期的调制波vc在相应的每个工频周期内进行累加，并确保它的和为零，就可以使整个控制系统中无直流电流分量。而当其累加之和不为零的时候，就把这个累加值作为下一个工频周期内调制量vc的修正值，从而确保直流电流分量为零。

3 实验验证

为进一步验证该拓扑结构和控制策略的可行性，基于TI公司的DSP芯片(TMS320F28335)，研制了一套6000 VA原理样机。虽然光伏发电的电压受环境影响较大，但是在非常短的周期内可以将其当作恒定值来处理。逆变器输入电压600 V，开关频率f=20 kHz，开关管是型号为FF100R12KS4的IGBT。电网电压vg=220 V，频率fg=50 Hz。

当逆变器输出功率为2.5 kW时，实验测得的电网电压vg、并网电流ig的波形见图4。

图 4 并网电流与电网电压波形图

适当增加逆变器的输出功率。当逆变器输出功率为5kW时，实验测得的电网电压vg、并网电流ig的波形如图5所示。

图 5 并网电流与电网电压波形图

再次增大逆变器的输出功率。当逆变器输出功率为极限值6kW时，实验测得的电网电压vg、并网电流ig的波形如图6所示。

图 6 并网电流与电网电压波形图

从上述实验结果可知，在本文所提出的控制策略下，单相光伏并网逆变器可以产生较为理想的并网电流波形，并且系统总谐波畸变率也不高。

在其它实验参数不改变，仅改变市电电压条件下又做了一系列实验，得到不同电网电压等级下的总谐波畸变率(表1)。

表1 不同电网电压等级下总谐波畸变率

实验结果表明，本系统在不同的电压等级下，表现出的并网能力都是满足国家标准的。从表1中的数据知，虽然实验中的参数是在市电电压220V 的条件下进行调节的，但是当市电电压产生波动时，THD值依旧没有发生太大的变化。

4 结论

本文采用电网电压前馈控制和重复控制相结合的新型复合控制策略，对单相光伏并网发电系统的输出电流进行控制。在同样的并网条件下，该控制策略所产生的总谐波畸变率在标准的规定值范围内，从而确保了该系统的输出电流能够满足并网的要求。实验结果表明：本文提出的单相光伏并网发电系统控制策略能使整个系统具有良好的动态性能和稳态性能。

[1] Guerrero J M，Blaabjerg F，Zhelev T. Distributeed generation : toward a new energy paradigm[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics Magazine，2010，4(1)：52-64.

[2] Kerekes T，Teodorescu R，Liserre M，et al. Evaluation of three-phase transformerless photovoltaic inverter topologies [J]. IEEE Trans. on Power Electronics，2009，24(9)：2202-2211.

[3] Ye Z H，Kolwalkar A，Zhang Y，et al. Evaluation of anti-islanding schemes based on nondetection zone concept [J].IEEE Trans. on Power Electronics，2004，19(5):1171-1176.

[4] Green M A. Consolidation of thin-film photovoltaic technology : the coming decade of opportunity [J]. Progress in Photovolaics : Research and Applications，2006(14):383-392.

[5] Gu B，Dominic J，Lai J S，et al. High reliability and efficiency single-phase transformerless inverter for grid-connected photovoltaic system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(5):2235-2245.

[6] Xiao H，Xie S. Transformerless split-inductor neutral point clamped three-level PV grid-connectedinverter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(4):1799-1808.

[7] Shen J M，Jou H L，Wu J C. Novel transformerless grid-connected power converter with negative grounding for photovoltaic generation system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(4):1818-1829.

[8] Gubia E，Sanchis P，Ursua A，et al. Ground currents in single-phase transformerless photovoltaic system[J]. Progress in Photovoltaics : Research and Applications，2007，15(7):629-650.

[9] Gonzalez R，Lopez J，Sanchis P，et al. Transformerless inverter for single-phase photovoltaic system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22(2):693-697.

[10] Kiaer S B，Pedersen J K，Blaabjerg F. A review of single-phase grid-connected for photovoltaic modules[J]. IEEE Transactions on Industrial Applications，2005，41(5):1292-1306.

[11] Bower W，Wiles J. Investigation of ground-fault protection devices for photovoltaic power system applications[C]. 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，2000.

[12] Nishida Y，Nakamura S，Aikawa N，et al. A novel type of utility-interactive inverter for photovoltaic system[C]. The 29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，2003.

[13] Chen Y，Smedley K M. A cost-effective single-stage inverter with maxim power point tracking[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(5):1289-1294.

[14] Mohan N，Undeland T M. Power electronics : converters，applications，and design[M]. New York : John Wiley &Sons，1995.

[15] Myrzik J M A，Calais M. String and module integrated inverters for single-phase grid-connected photovoltaic system-a review[C]. 2003 IEEE Bologna Power Technology Conference， Bologna，2003.

[责任编校：张岩芳]

NewCompositeControlStrategyforSingle-phasePhotovoltaicGrid-connectedSystem

DU Xiaoran , XI Ziqiang

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

A new compound control strategy based on repetitive control and voltage feedforward control is proposed for small household photovoltaic power generation system. The mathematical model of the single-phase photovoltaic grid-connected system is established, and the working principle of the single-phase PV grid-connected system is analyzed deeply, and an experimental platform of a 6kW single-phase photovoltaic grid-connected system is built. The experimental results show that the control strategy can make the single-phase PV grid-connected inverter get better parallel current waveform and reduce the total harmonic distortion rate (THD).

Grid connected inverter; repetitive control; voltage feedforward; harmonic distortion rate

2016-08-15

杜枭燃(1988-)， 男， 湖北十堰人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化

席自强(1960-)，男，湖南东安人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为电力系统及其自动化

1003-4684(2017)05-0085-04

TM464

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