户用光伏逆变器的无功补偿控制策略

洪家尧， 高文根， 徐东

(安徽工程大学检测技术与节能装置安徽省重点实验室， 安徽芜湖241000)

引言

随着政府对于光伏发电领域的重视，光伏逆变器向小型化、户用化发展的方向越来越明显。现在更多的户用光伏逆变器控制的目标是使逆变器能够以单位功率因数输出，从而最大幅度地提高并网效率。但现在户用电器以感性负载为多，如果光伏逆变器总是以单位功率因数并网，不考虑户用电器的无功需求，只依靠大电网为电器提供无功，当大量的户用光伏逆变器以这样的方式并网，那么会对大电网的电能质量带来电压波动、电能损耗和电压降低等问题[1]。为了解决上述问题，就需要实现以单位功率因数发电和对负载的无功补偿的双重功能。首先要解决的是检测负载电流得到负载所需的无功电流分量，然后与光伏逆变系统前级 MPPT得到的最大有功功率并网时电流的有功分量进行合成。

为了实现单相光伏逆变的无功补偿，要能够快速地检测出负载需要的无功功率。文献[2-3]将应用在三相中的瞬时无功功率理论借鉴到单相光伏逆变上，把单相系统的电压或者电流延时90°构造成模拟三相的系统。这样就可以把已经在三相系统上成熟的瞬时无功功率理论的原理借鉴到单相光伏逆变上[4-5]。文献[6-7]说明了由于通过延时来构造虚拟的三相系统，使得系统的控制数据有滞后的现象，系统的实时性和稳定性受到影响。本文利用二阶广义积分器来重构两相正交向量代替延时 90°构造两相正交向量，减小通常使用移相检测带来的延时问题[8]，提出了可以同时实现以单位功率因数发电和对负载的无功补偿的双重功能控制策略。

1 系统的控制原理

户用光伏逆变器带本地负载无功动态补偿的结构框图如图1所示。该系统前部分DC/DC使用Boost电路和后部分DC/AC使用单相全桥拓扑组成。其中包括最大功率跟踪(MPPT)环节、功率控制环节、二阶广义积分器、无功检测、电流内环PI控制+重复控制、SPWM调制等技术实现了该系统单位功率因数并网和无功补偿。根据功率平衡，功率控制部分由改变并网逆变器内环电流参考值的大小和方向来维持直流电压稳定。功率控制环节由设定的或者由前部分DC/DC得到有功和无功功率的参考值输出有功指令电流Ipref和无功指令电流Iqref。负载上电流IL通过二阶广义积分器输出iα和iβ两相相位相差90°的信号，再通过同步旋转d-q变换。转换后得到的无功补偿量ILq含有交流成分，通过低通滤波虑除后得到指令电流ILqref。将上述得到电流的有功指令电流Ipref和无功补偿ILqref变换到α-β坐标系，变换得到iα即最终电流内环参考值。电流内环采用PI和重复控制并联的方法后即可达到以单位功率因数发电和对负载的动态无功补偿的双重功能。

图1 带无功补偿逆变系统结构框图

2 无功补偿策略

为了能够实时得到负载需要补偿的无功电流，利用二阶广义积分器构造两项正交向量[9]，如图2所示。负载电流iL通过正交信号发生器生成iα和iβ两相相位差90°的信号。

图2 正交信号发生器结构图

由图2的逆变器输出电流正交信号发生器的闭环传递函数为：

(1)

(2)

公式(1)与公式(2)的伯德图如图3所示。由图3可知，iα、iβ两相信号正交。其中，iα与负载电流iL的幅值、频率、相位都相同，iβ与负载电流iL的幅值、频率相同，相位上相差 90°；且与k、ω无关。该正交信号发生器除了能够构造两相相位相差90°的信号，也能对给定的输入信号实现滤波的功能。在这里谐振角频率ω取值为50 Hz是电网电压基波的频率；k值的大小除了对滤波有影响也对系统响应速度有影响，综合考虑k取值为 0.7 。假设负载电流信号为 ：

(3)

图3 传递函数D(S)、Q(S)的伯德图

负载上检测到的iL电流通过正交信号发生器变换到α-β坐标系后再通过d-q 变换，可得 d-q坐标系的电流分量：

(4)

由公式(4)得到负载电流iL在基波频率(这里是50 Hz)处有功分量和无功分量的幅值分别为iLp和iLq[10]。iLp和iLq经过低通滤波器虑除交流分量，得到有功和无功电流的参考值ILpref和ILqref，具体值为：

(5)

3 并网电流的控制

设定光伏逆变器输出的有功功率为Pref和无功功率为Qref[11]，功率控制环由公式(6)与公式(7)分别计算出电流内环参考的有功分量和无功分量[12]：

(6)

(7)

对该系统输出功率的控制就转化为对电流的跟踪。ud表示一个常数，前级MPPT控制为功率控制提供参考有功功率为Pref。将公式(5)得到的无功电流直流分量ILqref和公式(7)得到的有功电流分量idref通过坐标反变换可得到电流内环的参考值Iα。参考电流为：

(8)

4 电流内环控制

电流内环本文采用PI+重复控制的策略[13-14], 电流环复合控制器框图如图 4所示。重复控制[15]对于并网逆变系统的优点在于有较好的静态性能。周期延迟环节Z-N会使控制动作延迟一个周期才执行，即系统在第n个指令周期发生扰动时，需要经过一个指令周期的延时，在第n+1个周期才会对误差信号进行调节，由于各种原因导致该系统的误差变大时，重复控制无法在第n个周期内及时执行相应调节，所以在第n个周期近似于开环控制状态，因此其动态性能差。PI控制对误差跟踪的速度快，能够在误差变化时立即产生调节作用，可以使系统获得较好的动态特性。为了保证系统的稳定性补偿环节Q(z)将误差的纯积分变为准积分而设置的滤波器，它可以是一阶低通滤波器，也可以是略小于 1 的常数。这里，Iref是电流内环跟踪值，Ig是并网电流，Gc(z)是补偿器，P(z)是受控对象。电流内环工作的过程为，电流给定值Iref为公式(8)中的Iα与检测并网电流Ig的误差，作为控制器的输入信号。电流内环跟踪值与并网电流相减的差值通过 PI 和重复控制器分别作用后，把两个结果相加，然后经SPWM调制，产生4路控制单相全桥4个IGBT的驱动脉冲。系统受到较大扰动的时候，由于重复控制的动态特性差的特点不能立马起作用，但是PI 控制器可以快速对扰动产生相应调节。这时，系统输出通过 PI 控制器来调节，经过一个周期后，重复控制器开始对扰动产生作用，使跟踪误差快速减小，直至该系统又达到稳定[16]。由于当系统稳态时，误差较小，此时PI 控制策略对系统的调节作用较小。该系统主要由重复控制器来调节，使得稳态输出电流的波形能很好地跟踪参考给定。

图4 电流内环控制结构图

5 系统仿真验证

通过Matlab/simulink把所设计的单相户用光伏逆变系统进行仿真验证。仿真参数为：电网电压 220 V/50 Hz，逆变器最大功率输出Pref有功功率参考值3000 W ，负载 1000 W+1000 Var。0.06 s前不加负载，0.06 s后带有1000 W+1000 Var负载。如图5所示。0～0.06 s系统没有接入负载，经过一个周期的调整后，电感IL2输出电流和大电网电压Ug同相，结合图6可知，并网电流Ig与电网电压Ug保持同相，即系统这个时候将光伏产生的能量全部馈入电网。同样从图7也可以看出，前0.06 s逆变器输出的无功功率始终为零。

图5 逆变器输出电流IL2和电网电压Ug

图6 并网电流和电网电压

图7 逆变器输出有功及无功功率

0.06 s时接上感性负载，经过一个周期的调整后，由图5能够看出逆变器输出电流IL2和大电网电压Ug不同相了，因为这时逆变器不是单纯的输出有功功率还输出了无功功率，具体可见图7。由图7可以看出，逆变输出有功功率与参考值Qref=3000 W跟踪得较为准确，基本相等，在接入负载后有些波动，经过一段时间调整后又能很好地的跟踪参考值了。0.06 s后经过一段时间的调整，逆变器输出无功功率为1080 Var基本补偿了负载需要的1000 Var。图6中为了方便清楚显示并网电流是实际电流3倍，在0.06 s接入负载后并网的电流减小，因为接入的负载消耗一部分有功功率所以导致接入负载后并网电流变小，余下的能量馈入大电网，同时实现了对本地负载无功需求的补偿。

图8为并网时大电网向负载传输的能量，负号表示光伏逆变器向大电网馈入给能量。在前0.06 s不加无功补偿策略，稳定时有功功率P≈-2007 W，无功功率Q≈933 Var。

图8 并网有功及无功功率

利用公式(9)计算出cosφ≈0.91。0.06 s后加入无功补偿策略，这稳定后P≈-1988 W、Q≈-110，计算出cosφ≈0.997。

(9)

其中，S表示视在功率，cosφ表示并网功率因数。

由计算结果可以看出实现了单位功率因数并网。由图9可以看出并网电流的THD为2.05%满足并网的要求。由上述仿真结果可以看出随着感性负载的接入，该系统依然能够及时实现无功的补偿同时还能以单位功率因数并网，实现了该控制策略的目标。

图9 并网电流THD

6 结束语

通过二阶广义积分器构造两项正交向量，将常用于三相系统的瞬时无功功率理论运用到单相系统。仿真表明，系统在实现户用光伏逆变器以单位功率因数并网发电的同时，能够对负载的动态进行无功补偿。

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