胡月，沈安文，譚海青

（華中科技大學自動化學院，湖北武漢430074）

1 引言

隨著光伏并網(wǎng)技術的研究和發(fā)展，建筑集成式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)（building integrated photovoltaic system，BIPV）在分布式電網(wǎng)的應用越來越廣泛。大多數(shù)單相光伏逆變系統(tǒng)的控制集中在使逆變器輸出單位功率因數(shù)，從而最大幅度地提高并網(wǎng)效率［1-2］。但為了使電網(wǎng)更大限度地接納光伏逆變器，具有如低電壓穿越，無功補償?shù)容o助功能的光伏逆變器將成為下一代光伏逆變器的研究熱點［3-4］。

要有效地調節(jié)逆變器輸出的有功和無功，關鍵技術在于負載的無功檢測，電網(wǎng)電流的控制等。目前常用的技術是將三相無功功率理論的思想擴展到單相來構造虛擬的兩相或者三相電路，其構造方法決定了檢測的實時性。大多數(shù)學者采用將負載電流延時90°來構造負載虛擬相電流，但這將導致一個較大的延時，影響系統(tǒng)的動態(tài)響應［5］。文獻［6］提出了一種基于離散傅里葉變換的鎖相環(huán)法來獲得更為精確的無功補償效果，但會導致運算復雜，對控制器要求高。文獻［7］提出了一種基于基波分離的諧波電流檢測法，雖然其能通過簡單的數(shù)學計算分離出基波有功和基波無功，但當電網(wǎng)頻率變化時，影響測量精度。本文提出了一種基于正弦信號積分器的參考電流發(fā)生法來構造虛擬兩相電流，克服了傳統(tǒng)方法帶來的延時。結合瞬時無功功率理論，來產(chǎn)生有功電流信號和無功電流信號，實現(xiàn)光伏逆變器的有功功率控制及無功補償?？刂葡到y(tǒng)采用經(jīng)典的雙閉環(huán)控制，外環(huán)PI控制保持了母線電壓穩(wěn)定，內環(huán)采用準比例諧振控制器，實現(xiàn)了電流的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。

2 系統(tǒng)的控制原理

本文提出的光伏并網(wǎng)逆變器的電路原理圖如圖1所示。并網(wǎng)逆變器由前級DC/DC升壓環(huán)節(jié)和后級逆變環(huán)節(jié)組成。DC/DC環(huán)節(jié)采用Boost升壓電路，后級逆變環(huán)節(jié)利用軟件鎖相、單極性SPWM調制等技術實現(xiàn)了逆變并網(wǎng)和無功補償。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器Fig.1 Photovoltaic grid-connected inverter

太陽能陣列作為直流源輸入，其V—I和P—V特性隨光照和溫度變化，表現(xiàn)出極大的非線性。因此，本文采用變導增量法來找出最大功率點對應的工作電壓，并采用雙閉環(huán)控制來控制母線電壓和并網(wǎng)電流。

由功率平衡，通過控制并網(wǎng)電流的有功的大小和方向，可以控制直流母線電壓穩(wěn)定。電壓調節(jié)輸出有功指令電流，通過檢測負載上的電流，轉換得到無功補償分量指令電流。將二者相結合，得到最終并網(wǎng)的指令電流。再通過電流內環(huán)的控制，即可實現(xiàn)無功補償和并網(wǎng)發(fā)電。光伏并網(wǎng)功率調節(jié)系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)功率調節(jié)系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Photovoltaic grid-connected power control block diagram

3 改進的無功電流檢測算法

為了得到負載無功電流，將瞬時無功功率理論運用到單相系統(tǒng)，需要構造正交的兩相電流。本文提出了一種正弦信號積分器，來得到兩相正交的電流，克服了傳統(tǒng)移相檢測帶來的延時，如圖3所示。

圖3 正弦信號積分器Fig.3 Sinusoidal signal integrator

圖3中閉環(huán)傳遞函數(shù)（Hα=iL1α/iL和Hβ=iL1β/iL）如下：

式（1）和式（2）中的相角關系：

假設負載電流信號為

式中：ω0為電網(wǎng)基波頻率；ILk為第k次諧波電流的均方根值；θk為第k次諧波電流的初始相角。

經(jīng)過正弦信號積分器后，得到負載在兩相坐標軸上的電流分別為

電網(wǎng)電壓經(jīng)過鎖相環(huán)可以得到其單位正余弦信號V1α=sin(ω0t)，V1β=cos(ω0t)。由基于瞬時無功功率理論諧波電流檢測ip-iq法，可得：

其中

由瞬時無功理論可知，ILp和ILq分別為負載電流在基波頻率處有功分量的幅值和無功電流分量的幅值，經(jīng)過低通濾波器可分離出該直流量，得到無功電流的參考幅值即

4 并網(wǎng)電流的控制

為了保持母線電壓穩(wěn)定，電壓外環(huán)采用PI控制。給定參考電壓U*dc和母線電壓Udc的誤差eu作為PI控制器的輸入，則有功參考電流的幅值Idc大小如下：

將有功電流分量Idc和無功電流分量ILq通過坐標反變換可得到兩相的參考電流如下：

其中

為了克服傳統(tǒng)PI 控制器在跟蹤交流信號時存在靜態(tài)誤差的缺點，本文中系統(tǒng)的電流內環(huán)采用準比例諧振（proportional resonant，QPR）控制，使得控制信號在電網(wǎng)基頻處產(chǎn)生足夠大的增益，實現(xiàn)正弦給定下的無靜差控制，同時可以減小電網(wǎng)電壓頻率波動的影響。其傳遞函數(shù)表示為

式中：Ki為諧振系數(shù)；Kp為比例系數(shù)；ω0為諧振頻率；ωc為帶寬。

|G(s) |在ω0處達到其最大增益，調整Ki和ωc可使其控制器有較高的品質因素，且選取適當?shù)摩豤可使控制器在非基頻處增益增加，減小電網(wǎng)頻率變化對控制器性能的影響。

為了獲取適當?shù)腒i，Kp，ωc，通過Bode 圖來分別考察每一個參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。

當Kp=0，ωc=1時，改變Ki不會改變控制器的帶寬，Ki增大時，諧振控制器的增益增加。如圖4a所示。當Kp=0，Ki=1時，改變ωc系統(tǒng)的幅值相位都會改變。ωc增大時，諧振控制器的增益和相位都增加，但在諧振頻率處的增益大小恒定。如圖4b所示。

圖4 準比例諧振控制器頻率響應Fig.4 Frequency responses of non-ideal PR controller

同理，當Ki，ωc不變，Kp增加時控制器的幅值增加，并在諧振頻率處取得峰值，系統(tǒng)的相角裕度減小。這意味著Kp增大，可使諧波的含量減小。選擇適當?shù)腒p可以使系統(tǒng)準確地追蹤正弦信號，同時抗干擾。

綜合考慮之后，本文選擇控制器Kp=12，Ki=90，ωc=4。

5 仿真分析和實驗結果

在前文理論分析的基礎上，搭建基于Saber的仿真平臺，系統(tǒng)的結構圖如圖1 所示。主要參數(shù)為：電網(wǎng)電壓有效值220 V頻率，50 Hz，直流母線電壓400 V，Boost電感1.1 mH，直流側電容2 000 μF，輸出側濾波電感2 mH，輸出側濾波電容1 μF，采用阻感負載ZL=26.94+j15.55。

分別在不同的光照強度下研究無功補償?shù)男Ч?。圖5a 是在光照強度為1 000 W/m2時系統(tǒng)帶阻感負載的輸出波形。其中，Ig為電網(wǎng)電流，Is為逆變輸出電流，Vs為電網(wǎng)電壓。逆變器輸出電流超前電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。可知在光照充分時，逆變器完全補償了負載的無功，又把多余的電能饋送給電網(wǎng)。測得電網(wǎng)電流THD 為2.108%和逆變電流的THD為1.597%，滿足并網(wǎng)要求。

圖5b 是在光照強度為10 W/m2時系統(tǒng)帶阻感負載的輸出波形。其中，Ig為電網(wǎng)電流，Is為逆變輸出電流，Vs為電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓相角相差180°，逆變電流滯后電網(wǎng)電壓接近90°。可知在光照不充分的情況下，逆變器完全補償負載的無功，不足的有功部分由電網(wǎng)提供。測得電網(wǎng)電流THD 為2.693%，逆變電流的THD為2.896%，滿足并網(wǎng)要求。

圖5 無功補償輸出波形Fig.5 Reactive power compensation waveforms

為了驗證無功補償算法的可靠性，采用了帶光伏陣列仿真功能的CHROMA公司的程控直流電源62150H-600s模擬太陽能輸出，在3 kW單相光伏逆變器平臺上展開了實驗研究。控制芯片采用dsPIC33F506，負載為阻感負載。

實驗結果如圖6 所示，逆變電流滯后電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，電網(wǎng)電流畸變小于3%，光伏逆變器準確地實現(xiàn)了無功補償和有功控制。

圖6 單相光伏逆變器無功補償輸出波形Fig.6 Reactive power compensation output waveforms of single-phase photovoltaic inverter

6 結論

本文提出了一種基于正弦信號積分器的無功電流檢測法，克服了傳統(tǒng)方法在構造虛擬相電流的電流時會產(chǎn)生相位延時的問題，實現(xiàn)了無功補償和有功控制。而增加無功補償功能會增大逆變器輸出電流，因此要在其允許范圍內進行無功補償，避免超過逆變器輸出的最大電流。PI 外環(huán)使母線電壓保持穩(wěn)定，對于電流內環(huán)，比例諧振控制可以實現(xiàn)電網(wǎng)電流的無誤差跟蹤，并減小電流畸變。仿真和實驗結果驗證了該方法的可行性，可應用于商業(yè)的建筑集成式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中。

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