單相光伏并網(wǎng)逆變器直流注入問(wèn)題的成因和抑制-最新資料

1、單相光伏并網(wǎng)逆變器直流注入問(wèn)題的成因和抑制0 引 言 嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和生態(tài)環(huán)境的壓力要求各國(guó)大力開(kāi)發(fā)利用 可持續(xù)的清潔能源。 太陽(yáng)能在眾多利用形式中具有環(huán)保清潔、 蘊(yùn) 藏豐富、 分布廣等優(yōu)勢(shì)， 已經(jīng)成為當(dāng)前世界上可再生能源的重要 組成部分 1 。世界各國(guó)紛紛投資研發(fā)， 大力拓展光伏發(fā)電市場(chǎng)， 促進(jìn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步提高， 使其成為當(dāng)前最具 發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一。 基于中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要， 中 國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”目標(biāo)已進(jìn)行新的調(diào)整， 從之前公布的 光伏發(fā)電裝機(jī)容量21 GW擴(kuò)大到35 GW國(guó)家還將出臺(tái)對(duì)光伏 產(chǎn)業(yè)在上網(wǎng)、 補(bǔ)貼等方面的支持政策。 光伏發(fā)電將成為未來(lái)的替

2、代能源之一，建設(shè)大規(guī)模的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是必然的選擇。非隔離型的光伏并網(wǎng)逆變器由于其省去了工頻變壓器而具 有重量輕、效率高、體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)，成為光伏并網(wǎng)逆變 器發(fā)展的主流方向。 由于沒(méi)有低頻或者高頻的隔離變壓器， 非隔 離型的光伏并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵性技術(shù)之一是并網(wǎng)直流電流的抑制 2?3 。并網(wǎng)逆變器控制電路中測(cè)量元器件存在零點(diǎn)漂移、器件 本身的非線性特性， 開(kāi)關(guān)管本身及驅(qū)動(dòng)電路不一致等問(wèn)題， 造成 了逆變器輸出電流中產(chǎn)生直流分量。 電力系統(tǒng)不允許將有較大輸 出直流分量的逆變器連接到電網(wǎng)上， 因?yàn)樽⑷腚娋W(wǎng)直流分量會(huì)使 變電站變壓器工作點(diǎn)偏移， 導(dǎo)致變壓器飽和； 增加電網(wǎng)電纜的腐蝕；導(dǎo)致較高的初級(jí)電

3、流峰值，可能燒毀輸入保險(xiǎn)，引起斷電；甚至可能增加諧波分量4?5。IEEE Std 929?2000中規(guī)定光伏 系統(tǒng)并網(wǎng)電流中直流分量必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%。因此，研究光伏并網(wǎng)直流注入問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要詳細(xì)分析了單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生直流分量注入 的原因，針對(duì)偏移型直流注入提出一種通過(guò)積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)有效抑 制并網(wǎng)直流注入的算法，并將其應(yīng)用到無(wú)差拍電流控制逆變器 中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)并網(wǎng)偏移型直流分量進(jìn)行抑制。 針對(duì)非線性直流注 入問(wèn)題，定量的分析了測(cè)量元器件的非線性對(duì)并網(wǎng)電流直流分量 注入的影響，為選擇測(cè)量元器件非線性參數(shù)的考慮提供了參考。1 非線性直流分量產(chǎn)生的原因及抑制方法1.1

4、非線性直流分量產(chǎn)生的原因 光伏并網(wǎng)算法的完成需要實(shí)時(shí)采樣并網(wǎng)電流、 電網(wǎng)電壓等正 弦量，然而采樣所用到的霍爾電流電壓互感器、 后級(jí)的模擬放大 電路都存在一定的非線性特性， 輸出與輸入信號(hào)之間的關(guān)系不是 一條具有固定斜率的直線。 對(duì)于輸入的正弦波形， 輸入信號(hào)幅度 不同時(shí)，放大倍數(shù)會(huì)不同， 這將導(dǎo)致所測(cè)量的正弦波形發(fā)生畸變， 產(chǎn)生直流分量。圖 1 為針對(duì)元器件非線性直流注入的原理分析，圖 1（a） 中曲線 2 為某測(cè)量電路所用放大器的理想特性曲線， 由于其存在 非線性特性，實(shí)際的特性曲線為圖 1 （a）中曲線1,對(duì)于不同幅 值的輸入信號(hào)放大倍數(shù)也不同。若需要采樣的波形如圖 1（b）， 圖 1(

5、c )中曲線 2 與曲線 1 分別表示為理想輸出波形與考慮器 件非線性之后的實(shí)際輸出波形， 測(cè)量元器件的非線性造成輸出信 號(hào) Zi 變成了上大下小的失真波形，從而造成直流分量的注入。1.2 測(cè)量器件非線性度帶來(lái)直流分量的定量分析 非線性原因?qū)е铝四孀兤鬏敵鲋写嬖谥绷麟娏鳎?若不采取適 當(dāng)措施，該直流電流將注入電網(wǎng)，引起電網(wǎng)的直流注入問(wèn)題。針 對(duì)非線性的直流注入問(wèn)題， 往往需要根據(jù)非線性特性方程來(lái)補(bǔ)償 非線性，但這個(gè)特性廠家一般不提供，而只給出非線性度指標(biāo)。 采用輸入/輸出的特性曲線與理想曲線的最大偏差為 Yi(maR ，用 Yi (maR |Y|來(lái)度量元器件的非線性度。本文結(jié)合無(wú)差拍控制算法，

6、 對(duì)元器件的非線性度進(jìn)行擬合仿 真，并研究了測(cè)量電路非線性度對(duì)輸出直流分量的影響。 搭建并 網(wǎng)額定電流為 16 A 基于無(wú)差拍控制的逆變器，主要研究測(cè)量電 路非線性度的大小對(duì)直流分量注入的影響， 采用二次曲線擬合元 器件的非線性度的大小， 由于實(shí)際設(shè)計(jì)測(cè)量電路時(shí)， 測(cè)量電流與 電壓的元器件往往采用一個(gè)公司的產(chǎn)品， 這里假設(shè)測(cè)量電流與電 壓的電路具有同樣的非線性特性。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出， 隨著元器件非線性度的增大， 輸出直流分 量的大小也隨之增加。IEEE Std 929?2000 規(guī)定直流注入必須小于系統(tǒng)額定電流的 0.5%，當(dāng)測(cè)量元器件的非線性度小于 0.3% 時(shí)可以基本滿足 I

7、EEE Std 929?2000 的規(guī)定。2 偏移型直流分量產(chǎn)生的原因及抑制方法2.1 偏移型直流分量產(chǎn)生的原因并網(wǎng)逆變器控制電路中一般都需要測(cè)量電網(wǎng)電壓、 并網(wǎng)電流 等參數(shù)， 所用測(cè)量元器件往往存在輸入失調(diào)的問(wèn)題， 導(dǎo)致了所測(cè) 量的正弦波形整體向上或者向下偏移 6 。結(jié)果是：由于測(cè)量產(chǎn) 生的直流分量將被帶入到逆變器的控制算法中， 將引起控制器的 誤差，最終使逆變器的并網(wǎng)電流中含有直流分量。圖2為針對(duì)偏移型直流注入的原理分析，圖 2 (a)中曲線2 為某測(cè)量電路所用放大器的理想特性曲線，由于其存在輸入失 調(diào)，實(shí)際的特性曲線為圖2(a)中曲線1，較之于理想特性曲線 向上偏移100 mV若需要采樣

8、的波形如圖 2 (b)，( c)中曲線 1與曲線 2 分別表示為理想輸出波形與考慮輸入失調(diào)后的實(shí)際輸 出波形，測(cè)量元器件的輸入失調(diào)造成采樣得到的正弦波整體上 移。光伏并網(wǎng)算法的采樣電路中放大器存在輸入失調(diào)，如圖2(b)中所示。本文結(jié)合無(wú)差拍控制算法，對(duì)偏移型直流 注入進(jìn)行仿真分析， 定量的研究了元器件輸出失調(diào)產(chǎn)生的直流分 量。搭建并網(wǎng)額定電流為 16 A 基于無(wú)差拍控制的逆變器，主要 研究測(cè)量并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的元器件失調(diào)大小對(duì)直流分量注 入的影響。 實(shí)際設(shè)計(jì)測(cè)量電路時(shí)， 測(cè)量電流與電壓的元器件往往 采用一個(gè)公司的產(chǎn)品， 這里假設(shè)測(cè)量電流與電壓的電路具有同樣 的輸出失調(diào)。得到的測(cè)量結(jié)果如表 2

9、 所示。表 2 元器件輸入失調(diào)對(duì)直流分量的影響從表 2 中可以看出， 隨著元器件輸入失調(diào)的增大， 輸出直流 分量的大小也隨之增加。當(dāng)測(cè)量元器件的輸出失調(diào)小于 10 mV/5 V 時(shí)，直流分量的注入小于 0.5%。為了解決由于元器件偏移型直 流分量的注入， 提出一個(gè)積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)抑制直流注入， 這里以 無(wú)差拍控制為例介紹該方法。2.2 偏移型直流分量抑制的方法2.2.1 無(wú)差拍控制原理 光伏發(fā)電容易受到外界環(huán)境如光照、 溫度等影響， 要求逆變 并網(wǎng)電流控制技術(shù)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 無(wú)差拍控制是一種 數(shù)字化的控制方法， 其優(yōu)勢(shì)就在于良好的動(dòng)態(tài)性能， 控制過(guò)程無(wú) 過(guò)沖，具有非?？斓臅簯B(tài)響應(yīng)。圖3

10、為無(wú)差拍電流控制原理圖， DC為光伏電池輸出經(jīng)過(guò)BOOS升壓電路得到的直流電壓，其值約為380 V。VT1VT4組成全橋逆變器完成將光伏電池輸出的能量傳送到電網(wǎng)的任務(wù)。 L 和 C 組成一個(gè)濾波器， 主要用于濾除由于開(kāi)關(guān)管高頻通斷而產(chǎn)生 的諧波電流的注入，R為線路的等效電阻。由于電網(wǎng)電壓在一定 范圍內(nèi)穩(wěn)定， 控制逆變器輸出的電流與電網(wǎng)電壓同相位， 即其功 率因素為 1，即能完成最大效率的輸送。2.2.2 偏移型直流分量抑制算法 無(wú)差拍控制的思路是根據(jù)當(dāng)前采樣周期電路的狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè) 下一周期開(kāi)關(guān)器件的占空比7，從而產(chǎn)生PWM波控制開(kāi)關(guān)管的 通斷，為了解決由于測(cè)量元器件的零點(diǎn)漂移所帶來(lái)的偏移型直流

11、注入問(wèn)題，如式（ 1）所示在電流控制環(huán)節(jié)加入一個(gè)電流補(bǔ)償KI xi £ ，每個(gè)正弦波周期對(duì)注入的直流分量進(jìn)行抑制，直到 I £ =0達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)證明該方法簡(jiǎn)單有效，具有很好的 暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：式中： Uac （k+1） 為電網(wǎng)電壓在第 k+1 次采樣周期的平 均值；TS為功率器件的開(kāi)關(guān)周期；N為每個(gè)周期的采樣次數(shù)； iL （k） 為第 k 次周期電感電流的采樣值；iref （ k+1） 為電感電流在第 k+1 周期的參考值； udc 為升壓級(jí)輸出的直流電 壓。假設(shè)圖 4 為一個(gè)周期內(nèi)濾波電感電流的理想波形， 周期為 T， 每周期采樣次數(shù)為N,該直流抑制算法只需要對(duì)

12、稱(chēng)提取靠近峰值 附近大約20個(gè)點(diǎn)（N=200時(shí)），如圖4中灰線條所框起來(lái)的部 分：如果iLi中不含直流分量，由圖4可知：iLi=-iLN-i-20,iLi+仁-iLN-i-19iLi+20= -iLN-i 帶入式（3）即得i £ =0。當(dāng)iL （t）中含有直流分量idc時(shí)，i £工0，其值的大小代 表iL （t）中含直流分量的多少，i £ （t）的值越大說(shuō)明所 含直流分量的值也越大。在無(wú)差拍電流控制環(huán)中，將 i £（t ） 乘上一個(gè)比例系數(shù) KI 作為一個(gè)負(fù)反饋補(bǔ)償。 KI 的大小與電路結(jié) 構(gòu)有著密切的關(guān)系，需要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)?shù)倪x擇 KI ，以實(shí)現(xiàn) 快

13、速且穩(wěn)定的直流抑制。2.2.3 仿真分析為了驗(yàn)證理論分析和直流抑制控制方法的有效性，在Matlab/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行時(shí)域仿真 10-11 ，圖 5 為時(shí)域仿 真搭建的電路模型。直流母線電壓為380 V,系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz,濾波 電感40 mH,濾波電容850卩F,并網(wǎng)電流幅值為設(shè)置為 20 A。 為了讓仿真效果更明顯,這里假設(shè)電流與電壓測(cè)量電路存在 5% 的輸出失調(diào),并網(wǎng)電流波形仿真效果如圖 6 所示。圖 6 中初始時(shí)刻并網(wǎng)電流存在一定量的直流電流, 經(jīng)過(guò)閉環(huán) 補(bǔ)償環(huán)節(jié)不斷調(diào)節(jié),在 0.15 s 時(shí)刻后,直流分量得到充分抑制。 為了更直觀地分析并網(wǎng)電流直流分量的變化情況,這里用 Simulink/Fourier 模塊對(duì)并網(wǎng)電流波形進(jìn)行傅里葉分析,提取 其直流分量,如圖 7 所示。分析可知 0.15 s 后直流分量?jī)H有 0.02 A，為額定電流的0.12%。直流分量逐步被抑制，調(diào)節(jié)速度快且 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)好。圖 8 為并網(wǎng)電壓與電流的仿真波形, 可以看出基于無(wú)差拍控 制算法下所補(bǔ)償?shù)闹绷饕种骗h(huán)節(jié)達(dá)到了很好的效果, 且不影響無(wú) 差拍控制本身良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)