基于比例谐振控制的单相并网逆变器偏移误差分析与抑制

枣庄矿业（集团）有限责任公司岱庄煤矿 侯玉胜

基于比例谐振控制的单相并网逆变器偏移误差分析与抑制

枣庄矿业（集团）有限责任公司岱庄煤矿 侯玉胜

在单相并网逆变器中，电流传感器、不平衡电压和元器件的非线性特性都会导致相电流出现偏移误差。当包含偏移误差的相电流用于电流控制时，会直接导致直流侧(DC)出现偏移，网侧电流出现二次谐波分量。DC偏移量和二次谐波分量会降低并网逆变器的效率。本文提出了一种基于比例谐振(PR)控制的单相并网逆变器偏移误差补偿算法，并通过仿真验证了该算法的有效性。

单相并网逆变器；比例谐振控制；误差分析；补偿算法

0 引言

在单相并网逆变器中，保证网侧电流控制的稳定是逆变器高效运行的必要条件。对电流控制来说，网侧电流需要通过电流传感器，模拟元件以及模-数转换器(ADC)来测量。在测量过程中，一些非线性特性会导致偏移误差的出现[1]。对偏移误差补偿来讲，需要使用硬件电路来检测误差，但这会增加硬件电路的体积和重量[2]。用算法实现时，将相电流测量的偏移和量化误差和电网频率关联起来，然后从中提取误差信息[3]。由于相电流测量模块和误差补偿模块集成在一起，会产生一个周期的延迟，因此瞬态响应能力会降低。文献[4]中，电流控制使用PR控制器，将相电流被转换成dq同步参考坐标系下，从d轴电流中提取出偏移误差产生的脉动成分。但是，PR控制器对偏移误差变化较为敏感，这给PR控制器的使用带来了困难。

本文对网侧电流使用PR控制器时的偏移误差进行了理论分析。同时，提出了一种偏移误差补偿算法，并应用于二阶广义积分器（SOGI）,全通滤波器（APF）和低通滤波器（LPF）。该算法补偿了由偏移误差产生的DC和二次谐波分量，提高了单相并网逆变器的稳定性和高效运行能力，并通过仿真验证了该算法的有效性。

1 系统误差分析

图1所示为单相并网逆变器系统，包括电流PR控制器，DC电压控制器和锁相环（PLL）。

图1 基于PR控制的单相并网逆变器框图

图2所示为电流测量过程，从图2可以看出，相电流通过电流传感器，外围电路，模拟元件如LP和ADC。由于电流测量过程中的非线性特性，实际测量值包括实际值，偏移和量化误差。其中，量化误差不会影响单相系统，因此在本文中忽略了量化误差。

图2 电流误差产生过程

网侧电流测量值可以表示为：

当相电流包含偏移误差时，系统的输出功率可以表示为：

由式(2)可以看出，输出功率包含了偏移误差造成了脉动分量，脉动分量的频率和电网频率相同。脉动分量也以同样的形式在直流电压中出现。因此，直流电压输出的指令电流如式(3)所示。

不考虑量化误差，式(3)可以被写问式(4)。

从式(4)可知，相电流偏移误差导致的脉动频率为电网频率的2倍。因此，需要通过补偿相电流偏移误差带来脉动提升网侧电能质量。

2 偏移误差补偿算法

图3所示为包含所提出补偿算法的电流控制系统框图。图4所示为所提出的补偿算法框图。

图3 含补偿算法的电流控制系统框图

图4 补偿算法框图

如图3所示，测量电流作为补偿参考信号来提取网侧电流的偏移误差信号。在本文所提出的算法中，SOGI可以提取指定频率的分量，相电流偏移误差导致的二次谐波分量可以通过SOGI提取。同时，可以通过APF得出相位滞后90度的虚拟电流。通过叠加信号的绝对值得到DC分量和8次谐波频率脉动分量。将所得信号通过LPF可以得到DC分量，再将此信号作为网侧相电流的误差补偿信号。将8次谐波频率可以作为LPF的带宽后，可以误差的快速精确补偿。

3 仿真验证

图5所示为采用补偿算法前后的DC电压波形。图6所示为相电流的波形、谐波畸变率（THD）分析图。在仿真试验中，注入的电流误差为0.3A，DC电压为330V。从图5中可以看出，采用补偿算法后，DC电压脉动明显减小，因偏移误差产生的谐波分量基本被消除。网侧电流THD从2.33%减小到1.05%。

图5 采用补偿算法前后DC电压波形

(a)采用补偿算法前相电流波形及THD分析

图6 采用补偿算法前后相电流波形及THD分析

4 结论

本文分析了单相并网逆变器相电流偏移误差对逆变器的影响，提出了一种补偿算法，补偿相电流偏移误差量。采用该算法，DC电压脉动和相电流的THD被明显减小，在MATLAB中搭建了仿真模型验证了该算法的有效性。

[1]刘美茵,黄晶生,张军军,等．基于BDEW标准的光伏并网逆变器模型验证及误差分析[J]．电力系统自动化,2014,38(13)：196-201．

[2]胡军柯．电流测量电路的误差补偿和降噪技术的研究及应用[D]．浙江大学,2008．

[3]Park G G,Hwang S H,Kim J M,et al．Reduction of Current Ripples due to Current Measurement Errors in a Doubly Fed Induction Generator[J]．Journal of Power Electronics,2008,10(3)．

[4]Kim D Y,Kim J M,Park J W,et al．Compensation of current measurement error in half-bridge PWM inverter for linear compressor[C]//Ecce Asia Downunder．IEEE,2015：1593-1600．

侯玉胜，工程师，毕业于中国矿业大学，多年从事煤矿机电技术工作，主持、参与多项煤矿自动化升级改造及机电大型设备的数据集成、远程监控、无人值守改造工作。