郭晓瑞;王培良;郭吉丰;王燕锋
usb flash【摘 要】絮凝沉淀池Since the DC-bus voltage ripple of grid-connected single-phase photovoltaic inverter makes the design of voltage-loop controller very difficult,the mathematical steady-state relationship between DC-bus voltage ripple and voltage-loop controller output is derived,based on which,a scheme is proposed to compensate the DC-bus voltage ripple.It injects the second harmonic into the voltage-loop controller of DC-bus to eliminate the impact of low-frequency ripple in the DC-bus voltage feedback on the voltage-loop controller,which decreases the distortion rate of grid-connecting current effectively.Therefore,the bandwidth limitation due to the voltage ripple could not be considered during the design of voltage-loop controller and the overdeviation of bus voltage is effectively prevented.Simulative and experimental results show the rationality and effectiveness of the proposed analysis method and compensation scheme.%单相光伏并网逆变器中直流母线电压纹波的存在使得电压环控制器的设计变得困难,对此首先推导出稳态时 直流母线电压纹波和电压环控制器输出量之间的数学关系,在此基础上提出了一种母线电压纹波补偿方法,将2次谐波注入直流母线电压环控制器中,以消除母线电压反馈中低频纹波对电压环控制器的干扰,有效降低了并网电流的畸变率,设计控制器时不必考虑电压纹波引起的带宽限制,有效防止了母线电压过低或过冲现象.仿真及实验结果证明了所提母线电压纹波分析方法以及补偿算法的合理性及有效性.
【期刊名称】《电力自动化设备》
样本制作【年(卷),期】2017(037)005
【总页数】6页(P48-53)
【关键词】光伏;并网逆变器;母线电压纹波;电压环控制器;补偿;逆变器;控制
【作 者】弹跳高跷郭晓瑞;王培良;郭吉丰;王燕锋
【作者单位】湖州师范学院工学院,浙江湖州313000;湖州师范学院工学院,浙江湖州313000;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;湖州师范学院工学院,浙江湖州313000
【正文语种】中 文
【中图分类】TM464;TM615
粉末冶金轴承0 引言
为了实现可持续性发展，许多研究者正致力于高效的可再生能源（如太阳能、风能、水能、生物能、潮汐能）的收集和转换。由于光照辐射度及风力由自然气候决定，风力发电和光伏发电系统输出的功率具有波动性、间歇性、随机性，提高系统的控制性能是新能源发电的关键技术［1］。可再生能源发电系统并网时必须要满足快速的动态响应、高质量的并网电流以及鲁棒性要求［2-3］，在电能满足可靠、优质的前提下降低并网发电系统的成本。
可再生能源并网发电系统一般采用两级式的功率变换拓扑形式［4-5］。对风力发电而言，前级是AC/DC变换模块，对光伏发电而言，前级是DC/DC变换模块；后级是网侧功率变换器，属于DC/AC逆变模块。前级可实现最大功率点追踪（MPPT），后级可实现并网逆变功能，同时稳定直流母线电压［6］。直流母线电容位于前、后级之间，为了保证可再生能源功率调节系统的可靠性，对直流母线电压的控制极其重要。
由于单相光伏并网逆变器中直流母线电容低频电压纹波的存在使得直流母线电压控制器的设计变得困难，这一设计难题不仅存在于单相并网逆变系统中，还存在于三相不平衡系统中［7-8］。传统的控制策略通过设计很低带宽的电压环PI控制器来抑制母线电压反馈中低频纹波对并网电流质量的影响，这导致逆变器的动态响应性能变差［9-10］。有学者提出了具有快速动作的PI控制技术来提高电压环控制器的瞬态性能［11］，被PI控制器处理的电压误差等于直流母线参考电压平方与反馈电压平方的差值，通过PI控制器可以直接控制直流母线电容能量，相当于提高纹波频率、降低纹波幅值，从而可以实现相对较快的动态响应。在此控制技术的基础上，一种系统技术被提出以获得合适的增益［12］，但是由于低频的电压纹波仍存在于电压环中，控制器带宽的提高仍然受到限制。关于提高逆变器电压环瞬态性能的技术，大多数仅仅适用于三相平衡并网逆变系统［13］，而因为单相并网逆变系统或者三相不平衡系统中2次电压纹波的存在，在兼顾稳态性能的同时不能有效地保证瞬态性能［14］。
文献［15］提出一种自适应下垂算法，与可以得到直流母线电压平均值的采样技术相结合，将其应用于电压环控制器中，直流母线电压中的2次谐波分量不会被闭环控制系统调制，这样并网电流中也不会出现3次谐波分量，不但提高了逆变器的稳态性能，而且在设计
电压环控制器时可以不必考虑电压纹波的干扰而降低带宽，提高了逆变器的瞬态性能。该方法通过对直流母线电压纹波采样求导的方式来获得稳态时母线电压最大值及最小值，由于电压采样信号精度、干扰及正弦函数在峰值点附近的导数很平滑的特点，往往会导致求取的电压平均值不准确，该方法在实际工程应用中受到限制。文献［16］给出一种电压环控制器增益的设计方法，推导出输出电流谐波畸变率公式，建立了直流母线电压反馈系统精确模型，在满足输出电流谐波失真度（THD）指标的前提下基于根轨迹分析方法选择合适的母线电容和电压环控制器增益来进一步提高直流母线电压的瞬态响应，但仍没有从根本上解决瞬态特性和输出电流畸变率之间的矛盾。
本文首先推导出单相光伏并网逆变系统母线电压纹波，继而提出一种新的母线电压纹波补偿方法，可以有效地消除直流母线电压反馈中的2次纹波，保证电压环控制器的输入为直流分量，相比传统电压环控制器，其带宽得以大幅度提高。
1 直流母线电压纹波干扰
对于中小功率非隔离式单相光伏并网逆变器而言，如果前级光伏电池板最大功率点低于市电峰值电压，就需要二级变换。直流母线电容位于两级变换之间，起到能量存储和传递瞬
时功率的作用。光伏输入功率的波动性对并网逆变系统的稳定性提出了很高的要求，通过控制光伏并网逆变器的直流母线电压来实现光伏输入端功率至电网的稳定输出。
传统的单相光伏并网逆变器采用双环控制，如图1 所示。图中，ku、kl、ki分别为直流母线电压、市电电压和并网电流的采样衰减比；Upv和ipv分别为光伏电池组串输出电压和电流。前级Boost电路经MPPT算法实现升压。电流环作为内环，其控制器Gi（s）能快速地追踪并网电流参考iref，使得并网输出电流波形及相位与市电电压Ugsin（ωt）保持一致。电压环作为外环，其控制器Gu（s）控制直流母线电压Ubus保持在Uref/ku值附近，电压环控制器的输出Um与市电电压的乘积作为并网电流iL的幅值给定参考，实现能量在光伏输入侧与电网输出侧之间的功率平衡。
图1 单相光伏并网逆变系统控制框图Fig.1 Control block diagram of single-phase grid-connected photovoltaic inverter system
直流母线电压存在2倍频纹波是单相逆变器不可避免的问题。直流母线电容作为能量存储单元在两级之间瞬时功率的转变中提供能量支持，同时给系统提供抵抗输入端能量突变的能力，一般采用增大母线电容的方式来减弱母线电压波动，但母线电容增加会导致成本上升。
另外，从能量守恒的角度，对单相光伏并网逆变系统而言，输入瞬时功率为直流量，输出瞬时功率可以分解为直流分量与2倍频交流分量之和，直流母线电容也就不可避免地存在2倍频电压纹波，逆变器输出功率越高，纹波电压幅值就越高。尽管光伏并网逆变器不像燃料电池系统，2次纹波除了影响输出外，还会对输入侧造成很大影响，但这种影响仍不容忽视，因为此2倍频电压纹波会通过电压环控制器的输出干扰电流环控制器，这将使电压环控制器的设计变得困难。电压环控制器带宽可以设计得很低，以达到抑制2倍频电压纹波的目的，但是这样会导致逆变器的动态性能不佳，不能应对光伏输入侧功率的突变，直流母线电压会出现过冲或过低的现象，那么直流母线电容的容量以及开关管的耐压等级也要选择得很高，可见通过降低带宽的方式，不但系统动态性能不佳以及存在临界稳定性问题，而且系统成本提高。
2 直流母线电压纹波推导
由于直流母线上存在2倍于市电电压Ugsin（ωt）频率的纹波，2次电压纹波会直接通过电压环控制器输出Um影响并网电流参考iref，从而最终影响并网电流质量，因此较大直流母线电压纹波会使电压环控制器的输出含有相对较大的低频谐波分量，从而引起并网电流参
考畸变，如图2所示，那么并网电流中就会出现3次谐波分量，无法实现更高的功率因数（PF）和更低的 THD。
图2 市电电压、电压环输出量和并网电流参考波形图Fig.2 Waveforms of line voltage，voltage-loop output and current-loop reference
为此，首先构建直流母线电压纹波和Um之间的数学关系。
电压环控制器Gu（s）的输出值Um可以表示为：
其中，Um_dc、Um_ac分别为Um的直流分量和交流分量的幅值；ω为市电角频率；σ为Um信号中交流分量过零点相对于市电电压过零点相位滞后量。
那么并网电流参考可以表示为：
如果并网逆变器电流环控制器中包含积分控制环节，可以近似认为并网输出电流和电流参考相等，输出电流iL可以近似用iref/ki表示，这样并网逆变器输出的交流瞬时功率可以表示为：
其中，k=Um_ac/Um_dc，表示电压环控制器输出量Um中交流分量幅值对直流分量的比值。
语音降噪芯片pout在半个市电周期的平均值为：
从式（4）可以得出，当电压环控制器输出中的直流分量不变时，逆变器输出的平均功率与直流母线电压纹波直接相关。
光伏电池板输出功率（并网逆变器输入功率）为：
考虑到逆变器整机效率由前级Boost电路效率ηboost和后级并网逆变器效率ηinv组成，可以建立下列等式：
将式（4）—（6）联立，电压环控制器输出值中的直流分量为：
考虑到逆变部分效率ηinv，Boost电路输出的直流母线电流io为：
将电压环输出中直流分量的表达式代入式（8），进一步得到：
经过三角函数关系化简，io可以分解为：
对直流母线电容而言，负载为后级并网逆变器，由于并网逆变器输出与市电电压同相位的电流，功率因数接近于1，那么直流母线电容输出端可以等效为电阻Rinv和滤波电感感抗jωL串联形式，直流母线侧等效阻抗为Zinv=Rinv+jωL。由瞬时输出功率和直流母线侧的功率得到如下关系式：
其中，Uref为数字控制中直流母线电压的参考值。
由此可以得到直流母线侧的等效阻抗。母线电容并联该等效阻抗后的2次谐波等效阻抗Z2为：
直流母线2次电压谐波可以表示为io2与Z2的乘积：
同理，也可以求出直流母线4次电压谐波：
可见，直流母线电压纹波是可以建模的，相对于2次电压谐波，4次电压谐波基本上为零。
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