莊麗

（包頭職業(yè)技術學院電氣工程系，內(nèi)蒙古 包頭014030）

歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會（EPIA）發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2013年全球光伏新增裝機容量為3 700萬kW，比2012 年增長了24%，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潛力巨大。傳統(tǒng)單機光伏并網(wǎng)逆變器由于受容量的限制不能滿足大功率光伏發(fā)電的需求。逆變器并聯(lián)已經(jīng)成為解決該問題的必然選擇［1-2］。但是模塊并聯(lián)引起的環(huán)流問題會增加系統(tǒng)損耗和降低系統(tǒng)效率［3-4］。因此研究三相光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的零序環(huán)流抑制方法具有重要意義。

文獻［5］提出了采用獨立的直流源或者交流變壓器阻斷環(huán)流的通路，該方法能夠實現(xiàn)環(huán)流的抑制，但是會增加光伏逆變器的體積和成本，這違背了光伏逆變器發(fā)展趨勢。Sato 和Kataoka 在文獻［6］中的零序分量提供較高的阻抗，但是該種方法只是能夠抑制中高頻環(huán)流分量，對于并聯(lián)逆變器中的低頻分量抑制效果較差。Chen 在文獻［7］中提出了采用HEPWM 抑制并聯(lián)環(huán)流的方法，但是該方法在低調制比時控制的效率很低。文獻［8-9］提出了一種非線性的控制方法，但是該算法非常復雜，不適合實際情況中進行運用。文獻［10-12］提出了一種交錯的空間矢量調制，該方法雖然能夠降低系統(tǒng)的電流總諧波畸變率，但是會增加系統(tǒng)的開關頻率。文獻［13-15］利用零序PI 控制器對空間矢量脈寬調制中零矢量的分配進行調節(jié)，這種方法易于實現(xiàn)，具有較好的控制效果。

1 三相逆變器并聯(lián)的零序環(huán)流模型

本文中并聯(lián)光伏逆變器系統(tǒng)為共直流母線交流側直接并聯(lián)的結構，環(huán)流路徑形成如圖1 所示。理想情況下，如果2 臺逆變器的參數(shù)和控制輸出電流都保持一致，并不會產(chǎn)生環(huán)流。但是在實際情況下，由于并網(wǎng)電抗器差異和算法控制時間延遲、死區(qū)等因素的干擾會使并聯(lián)光伏逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流。

圖1 三相并網(wǎng)逆變器并聯(lián)的拓撲結構Fig.1 Topology structure of parallel connection system of three-phase PWM inverter

選取直流電源負極為參考點，并聯(lián)三相并網(wǎng)逆變器在三相靜止坐標系下的平均模型可表示為

式中：ua，ub，uc為電網(wǎng)電壓；uN為電網(wǎng)中性點電壓；io為電網(wǎng)電流ia，ib，ic之和；da，db，dc為并聯(lián)逆變器的橋臂輸出占空比；L為濾波電感；C為直流側C1和C2電容之和；udc為輸入電壓值。

對于單臺三相逆變器，由于不存在環(huán)流通路，零序電流為零。對于并聯(lián)的三相逆變器，由于環(huán)流通路的存在產(chǎn)生環(huán)流，且2 臺逆變器的環(huán)流大小相等，方向相反，如下式所示：

在三相坐標系下很難實現(xiàn)對其精準控制，因此需要對三相逆變器進行坐標變換。將逆變器的A 相、B 相和C 相變換到兩相同步旋轉坐標系下，對于并聯(lián)的逆變器拓撲結構，由于零序分量的存在，需要將A相、B相和C相轉化成dq0坐標系。

本文定義坐標變換矩陣為

通過上述坐標變換，三相靜止坐標系下交流量變換成兩相同步旋轉坐標系下的直流量為

根據(jù)基爾霍夫定律可知，圖1 的交流側的公式為

式中：ix1和ix2為控制并網(wǎng)電流，x為a，b，c；dx1，dx2為逆變器1和2占空比，x為a，b，c；do1，do2為并聯(lián)逆變器1，2 的零序占空比；Ln為濾波電感，n為1，2；Vdc為輸入電壓值。

從式（8）得到環(huán)流公式為

式中：do1,do2為并聯(lián)逆變器1,2的零序占空比。

2 基于SVPWM的環(huán)流抑制原理

零矢量和非零矢量的作用時間不同，不會影響逆變器系統(tǒng)的交流側電流和直流母線電壓。因此可以通過控制逆變器的零矢量的作用時間來控制零序電流。

對于SVPWM 最優(yōu)的開通時間如圖2 所示，在1 個PWM 開關周期內(nèi)，可以對零矢量的作用時間進行實時控制，從而可以控制零序電流。假設零矢量V0的作用時間為（d0/2-2y）T，零矢量V7的作用時間為（d0/4+y）T。其中y的取值為［0，d0/4］，因此零矢量的作用時間為［0，d0］。

通過上述分析可知零序矢量占空比為

圖2 矢量分配圖Fig.2 Distribution diagram of vectors

因此零序電流占空比之差為

式中：yi為逆變器對零矢量的修正值，i=1，2。

因此對于并聯(lián)的逆變器系統(tǒng)，只要控制1 臺逆變器的環(huán)流，就可以實現(xiàn)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的環(huán)流抑制，因此設y2=0。

將式（11）簡化為

式中：d11，d12為第1 臺逆變器的矢量開通時間；d21，d22為第2臺逆變器矢量開通時間。

因此零序電流在同步坐標系下的模型可以化簡為

3 環(huán)流的抑制方法

3.1 傳統(tǒng)環(huán)流抑制方法

假設2 臺逆變器給定的電流值是相等的，PI調節(jié)器輸出的電壓給定是相等的，因此d11=d21，d12=d21。因此零序電流可以轉化為

Udc在恒定時，對式（14）做拉普拉斯變換，得到

通過式（15）可以看出，將零序電流和電流給定進行做差，然后通過PI 控制器對偏差進行控制，得到修正值y1如圖3所示。

圖3 PI 控制框圖Fig.3 Diagram of PI control strategy

通過不斷地修正y1值進行實時地控制零矢量的作用時間抑制環(huán)流，這種方法雖然取得了一定的效果，但是該方法動態(tài)響應差，本文提出的具有動態(tài)響應快，控制精度高的重復控制能夠克服上述缺點。

3.2 本文提出的改進重復控制環(huán)流抑制方法

本策略以載波周期作為重復控制的補償周期，與PI 控制一起調整SVPWM 占空比，實現(xiàn)對并聯(lián)逆變器環(huán)流的抑制，大大提高了抑制環(huán)流的精度和動態(tài)響應特性。如圖4所示。

圖4 重復控制補償?shù)腜I 控制器Fig.4 Repetitive control compensation PI controller

此時系統(tǒng)的控制框圖如圖5 所示，對于第1臺逆變器來說，需要對逆變器的零序電流進行控制，首先對第1臺逆變器三相電流進行采樣，然后將三相電流之和與給定的電流進行做差比較，誤差通過重復控制補償?shù)腜ID控制器得到零矢量的修正值y1，最后對SVPWM矢量進行修正。

圖5 系統(tǒng)控制框圖Fig.5 Control strategy diagram of the system

4 仿真結果分析

為了對上述環(huán)流抑制控制方法的有效性進行證明，對并聯(lián)逆變器進行環(huán)流仿真。仿真參數(shù)為：直流電壓600 V，開關頻率5 000 Hz，輸出頻率50 Hz，橋臂電感3/5 mH，直流電容4 500 μF，

圖6為1臺逆變器單獨工作時的A相電網(wǎng)電壓和A相電流的波形。從圖6中可以看出電流的大小、相位和頻率控制得很好。

圖6 A相電網(wǎng)電壓與A相電流Fig.6 Phase A grid voltage and current

在正常光伏并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)系統(tǒng)中，濾波電感的大小相等，模塊之間的給定電流也是相等的。圖7為濾波電感和給定電流分別相等時的環(huán)流仿真波形。圖7 中可以看出傳統(tǒng)的PI 控制和改進的重復控制均能夠實現(xiàn)環(huán)流的抑制，但是改進的重復控制會略好于PI控制。

圖7 濾波電感為3 mH給定電流為30 A時的實驗結果Fig.7 Experiment results when the filter inductors is 3 mH and the reference current is 30 A

實際情況下，光伏并網(wǎng)逆變器的并聯(lián)電感值可能存在一定的不同，圖8 為濾波電感不等時給出的仿真波形，濾波電感分別為3 mH 和5 mH，從圖8中可以看出不進行控制時電流發(fā)生了很大的畸變，加入控制之后，改進的重復控制波形質量和環(huán)流抑制都優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制。

圖8 濾波電感分別為3 mH和5 mH，給定電流為30 A時的實驗結果Fig.8 Experiment results when the filter inductors are 3 mH，5 mH and the reference current is 30 A

5 結論

本文提出了一種基于并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的環(huán)流抑制改進的重復控制。通過分析并聯(lián)逆變器的環(huán)流模型，給出了從SVPWM 調制進行環(huán)流抑制的方法，該方法不僅實現(xiàn)簡單，而且能夠取得良好的效果。最后通過仿真驗證了改進的重復控制對于并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的環(huán)流抑制方法優(yōu)于傳統(tǒng)的PI環(huán)流抑制方法，而且在電感不等時效果更優(yōu)。

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