李圣清，楊峻，徐天俊，張彬

（1.湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007；2.國網湘西供電公司，湖南吉首416000）

光伏直流分量注入屬于電能質量問題。目前裝機容量在5 MW下的大型廠礦企業(yè)及商業(yè)建筑屋頂光伏電站普遍采用組串式三相非隔離型光伏逆變器。由于逆變器輸出端不經變壓器直接與用戶或低壓配電網連接，光伏發(fā)電中產生的直流分量會直接注入用戶端或電網，造成變壓器工作點偏移，引起高初級電流峰值，增加電網諧波含量等一系列嚴重后果［1］。

當前解決光伏直流分量注入問題的方法主要有：電容隔直法；反饋調制法；虛擬電容法［2］。電容隔直法最易實現但實際很少采用，一方面隨著系統(tǒng)容量的增大所需電容也將隨之增大，在經濟上不劃算；電容器選取不當極有可能造成系統(tǒng)諧振，得不償失。有的提出加設直流分量檢測電路，構建閉環(huán)負反饋的方式消除直流分量［3］。結構簡單，理論效果較好，但其抑制效果嚴重依賴于對直流分量的精確檢測，這在實際工況下是不容易實現的。有的提出一種虛擬電容法，其效果的實現同樣依賴于準確檢測并網電流中的直流分量［4］。

本文提出一種三相非隔離型光伏逆變器系統(tǒng)并網直流注入抑制方法。通過定量分析得出系統(tǒng)并網直流分量與系統(tǒng)內SVG 直流側電容紋波電壓成線性關系，對SVG直流側工頻紋波電壓經過dq變換和LPF濾波處理后，最后對其構建反饋閉環(huán)，在消除此紋波電壓的同時消除并網直流分量。

1 并網直流分量與SVG直流側電壓關系分析

目前兆瓦級大型屋頂及墻體光伏電站逆變器系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 含SVG三相非隔離型光伏并網逆變器系統(tǒng)Fig.1 Three-phase non isolated grid connected photovoltaic inverter system bearing SVG

在系統(tǒng)中接有SVG，用于對系統(tǒng)進行無功補償及特定次諧波抑制，其普遍采用級聯結構。對三相級聯SVG 做定量分析時通常采用單臺單相近似分析，其數學模型如圖2所示。其中Ceq為其直流側電容；is（t）為并網電流；iC（t）為電容的充電電流；S（t）為SVG開關函數。

圖2 單相SVG定量分析模型Fig.2 The quantitative analysis model of single phase SVG

iAC，IDC分別表示并網電流的交流分量和直流分量，系統(tǒng)并網電流is（t）可表示為

式中：In，φn，nf 分別為并網電流中各次交流分量的幅值、相位和頻率。S()t 為SVG開關傳遞函數，經傅里葉變換可得：

式中：Sh(t )為開關函數高次諧波分量。只考慮基波分量時開關函數可被簡化為

式中：M為調制比。

由此可得SVG 直流側電容充電電流ic(t )表達式為

由于高頻分量已經被濾除，因此可認為充電電流中只含基波分量、直流分量及少量低頻諧波分量。只考慮基波分量時依據式（4）有

此時基頻電流分量對應的電容電壓為

顯然并網電流中的直流分量IDC與SVG 直流側基頻電壓UC1呈線性關系。

2 三相光伏并網直流分量抑制

已經證明并網直流分量與級聯SVG 直流側電容基頻電壓成線性關系，故可以通過消除此電壓間接消除并網直流分量。步驟為：先對SVG直流側電容電壓UC進行dq坐標變換，變換后電容上的直流電壓、2倍頻紋波電壓、基頻紋波電壓轉換成d軸、q軸上的直流及基頻電壓分量。合理設置LPF，使其導通頻率f 低于50 Hz，從而得到反應原SVG 直流側基頻交流紋波電壓的直流電壓。最后通過對此直流電壓分量U1d構建反饋閉環(huán)，在消除此紋波電壓的同時消除并網電流中的直流分量，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖Fig.3 Closed-loop control system block diagram

在設置濾波器導通頻率前，必須先對直流側電壓UC進行dq 變換。由于是做單相分析，無法利用三相電壓做常規(guī)dq 變換，因此需利用UC構建模擬三相電壓，具體方法為：將UC與滯后1/6 T的UC經過圖4 的組合后得到互差120°的虛擬三相電壓。

圖4 dq變換示意圖Fig.4 Schematic diagram of dq transform

再以電網電壓鎖相所得的旋轉角ωt 對其做dq變換可得：

式中：G為dq坐標變換矩陣；T為工頻周期。

對于級聯SVG，調制波與電網電壓同相，φm=0，故

對U1d構建閉環(huán)負反饋，其模型如圖5 所示。其中：GLPF為低通濾波器傳遞函數。Gi為逆變器內電流環(huán)傳遞函數；k 為系統(tǒng)反饋系數，k=1/ωCeq。

圖5 U1d閉環(huán)反饋框圖Fig.5 U1dclosed loop feedback block diagram

將處理信號經負反饋系數k 環(huán)節(jié)后輸入至U1d端，在消除此紋波電壓的同時間接消除并網直流分量IDC。

3 仿真與實驗分析

為了驗證本文所提方法的可行性，在Matlab/Simulink 上搭建含SVG 仿真模塊的三相并網逆變系統(tǒng)模型進行仿真。逆變器系統(tǒng)仿真系統(tǒng)參數設計如下：直流側電壓680 V，逆變器輸出電流峰值20 A，SPWM 方式，開關器件開關頻率20 kHz，電網電壓/頻率380 V/50 Hz。

圖6所示為未采用直流抑制措施時系統(tǒng)三相并網電流仿真波形。由于未采用直流抑制措施且三相直流分量含量不同，導致abc 三相電流幅值出現不對稱情況。

圖6 三相并網電流仿真波形圖Fig.6 The three-phase grid connected current simulation waveforms

圖7 為其中a 相（b，c 相略）并網電壓電流仿真波形圖；圖8 為a 相并網電流頻譜分析圖。顯然在沒有采取任何直流抑制措施的情況下，a 相的并網電流中含直流分量約0.62%，（國標規(guī)定：不帶變壓器系統(tǒng)中允許最大直流電流為逆變器交流額定值的0.5%）不滿足并網要求。

圖7 a相并網電流及電壓仿真Fig.7 The a-phase current and voltage simulation

圖9 為采用本文所提直流抑制方法后的三相并網電流波形；在采用本文所提方法后，各相直流分量含量幾乎為零，abc三相電流幅值相等，波形對稱性好。

圖10 為采取本文所提直流抑制方法后的a相（b，c相略）并網電壓電流仿真波形圖；圖11為a相并網電流頻譜分析圖，其中直流分量含量約為0.04%，直流分量大幅減少，遠低于國家標準，完全滿足并網需要，充分證明了本文所提方法的有效性。

圖8 a相電流頻譜分析圖Fig.8 The a-phase current spectrum analysis diagram

圖9 三相并網電流仿真波形圖Fig.9 The three-phase grid connected current simulation waveforms

圖10 直流抑制后a相并網電流及電壓仿真Fig.10 The a-phase grid connected current and voltage simulation after DC inhibition

圖11 a相電流頻譜分析圖Fig.11 The a-phase grid connected current simulation waveforms

為了進一步驗證本文所提方法，作者搭建了含小型SVG 的三相非隔離型并網逆變系統(tǒng)實驗平臺，參數設計如下：逆變器系統(tǒng)輸出功率17 kW，直流側輸入電壓620 V，電網電壓為230 V，開關器件開關頻率為20 kHz，SVPWM算法為調制算法，主控芯片采用TI 公司的TMS320F28335。圖12為直流抑制策略未啟動時a相并網電流波形；圖13 為直流抑制策略啟動后a相并網電流波形。

圖12 未抑制直流分量時a相電流波形Fig.12 The a-phase current waveform before DC inhibition

圖13 抑制直流分量后a相電流波形Fig.13 The a-phase current waveform after DC inhibition

采用泰克A621 交直流探頭對實驗三相系統(tǒng)并網電流直流分量實時取樣檢測，實驗結果如表1所示。

表1 實驗實測參數Tab.1 The experiment parameters

顯然，對比抑制前、抑制后并網直流分量含量可見，三相并網直流分量大幅減少，考慮到探頭精度為5 mA，可認為抑制后并網直流分量幾乎為0，充分說明了本方法的有效性。

4 結論

解決三相光伏發(fā)電并網系統(tǒng)直流注入問題迫在眉睫。本文提出一種針對含SVG 大型非隔離型光伏電站并網直流注入抑制方法。通過定量分析三相并網電流中的直流分量與系統(tǒng)內SVG 直流側電容紋波電壓的關系，對直流側工頻紋波電壓經過類dq 變換和LPF 濾波處理后構建反饋閉環(huán)，間接達到消除并網直流分量的目的。本方法在無需對并網直流分量準確檢測的前提下仍能很好地實現直流抑制效果，且系統(tǒng)無需增加外設硬件電路，具有較高的工程實用價值。本方法對無SVG 的光伏電站不適用。

［1］ 周林，楊冰，郭珂，等.光伏并網系統(tǒng)中直流注入問題最新進展及發(fā)展趨勢［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（6）：147-155.

［2］ 劉鴻鵬，王衛(wèi)，吳輝.光伏逆變器的調制方式分析與直流分量抑制［J］.中國電機工程學報，2010，3（9）：27-32.

［3］ 葉智俊，嚴輝強，余運江，等.一種簡單的逆變器輸出直流分量消除方法［J］.機電工程，2007，9（9）：50-51.

［4］ 王寶誠，郭小強，梅強，等.無變壓器非隔離型光伏并網逆變器直流注入控制技術［J］.中國電機工程學報，2009，29（36）：23-28.

［5］ Bowtell L，Ahfock A.Direct Current Offset Controller for Transformerless Single-phase Photovoltaic Grid-connected Inverters［J］.IET Renewable Power Generation，2010，4（5）：428-437.

［6］ 陳良亮，肖嵐，龔春英，等.逆變器并聯系統(tǒng)直流環(huán)流產生原因及其檢測與抑制方法［J］.中國電機工程學報，2004，24（9）：56-61.

［7］ 史晏君，段善旭，劉邦銀.鏈式STATCOM 并網電流直流分量抑制［J］.中國電機工程學報，2012，32（36）：15-21.

［8］ 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢疫檢驗總局.中國國家標準化管理委員會.GB/T 19939—2005 光伏系統(tǒng)并網技術要求［S］.北京：中國標準出版社，2006.