单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制

第31卷　第10期

2007年5月25日Vol.31　No.10

May25,2007

单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制

张　强,刘建政,李国杰

(清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京市100084)

摘要:为拓展单相光伏并网无功补偿功能,实现单相并网系统无功和谐波电流的精确检测和补偿,

提出一种改进的新型瞬时无功与谐波电流检测及补偿方法。该方法以瞬时无功理论为基础,推导出单相并网逆变器瞬时无功控制规律,可以简便、快速地分离所需电流分量;并结合无差拍理论,给出基于无差拍控制的单相并网逆变器的脉宽调制(PWM)算法,可以对瞬时谐波及无功电流进行补偿。将该控制策略应用于单相光伏并网系统,使光伏并网系统除提供有功功率外,同时兼备无功与谐波补偿功能,增强了光伏并网功能。关键词:并网逆变器;谐波抑制;无功补偿;无差拍控制;光伏并网中图分类号:TM4;TM615

0　引言

随着太阳能等新能源不断开发,新型发电机并网方式不断提出,为满足小型用户需求,屋顶式太阳能系统等分布式发电系统受到越来越多的重视[1]。同时,目前电网的谐波污染日益严重,由单相电路中的非线性负载引起的谐波危害占很大比例(如电力机车等)[2]。因此单相电网无功和谐波电流的治理成为目前重要的研究课题。单相并网电路需要实时补偿无功和高次谐波时,其关键问题是如何实时检测出需要补偿的无功和高次谐波,以及如何对并网电流进行控制,较好地跟踪补偿电流。目前,国内外对单相电路谐波检测已有一些研究[324],主要有直接滤波、快速傅里叶变换(FFT)等方法,但还没有一种公认成熟的方法。本文基于以上问题,提出一种新型的基于瞬时无功功率理论的单相并网逆变器无功与谐波检测及补偿方法,不但能解决单相电路的瞬时无功电流和谐波电流的检测,同时使单相光伏并网系统同时兼备无功与谐波补偿功能。

法[8]。然而现有的单相检测方法仍基于三相的基础,或是构造出假想的三相电路,因此计算量大,控制复杂。本文给出一种改进的直接单相变换方法,可以方便地检测出瞬时有功、无功及谐波分量,下面给出详细的推导过程。

如图1所示,假设交流侧负载为非线性负载,则电网电流会产生无功及谐波分量。

图1　并网逆变器结构示意图Fig.1　Diagramofgrid2connectedinverter

设电网瞬时电流为is(t),则恒有:

(1)is(t)=ip(t)+iq(t)+ih(t)

式中:ip(t)为基波有功分量;iq(t)为基波无功分量;ih(t)为除基频外的所有高次谐波分量。

再假设电网电压为us(t)=Umcosωt,为检出各分量电流,式(1)用傅里叶基数可表示为:

∞

1　基于瞬时无功功率理论的单相电路无功

is(t)=Ipcosωt+Iqsinωt+

与谐波电流检测

传统的三相瞬时无功功率理论是建立在三相对称的情况下,通过线性变换,分离出基波分量,从而达到检测无功和谐波的目的[526],传统的三相电路瞬时无功功率理论由日本的赤木泰文[7]提出后,在三相电路中得到了广泛的应用。但在很长时间内未能应用于单相电路,直到最近才提出了以瞬时无功功率理论为基础的单相电路谐波和无功电流检测方

收稿日期:2006210210;修回日期:2007201219。

n=2

∑I

n

(nωt+φn)

(2)

式中:In,φn分别为n次谐波电流幅值和初相角。

将式(2)两边同乘2cosωt,得到:2is(t)cosωt=Ip+Ipcos2ωt+Iqsin2ωt+　

∞

n=3

ωt+φ)cosω2Icos(nt∑

n

n

=

Ip+Ipcos2ωt+Iqsin2ωt+

∞

n=3

∑I

n

(cos((n+1)ωt+φn)+

(3)

cos((n-1)ωt+φn))

・研制与开发・　张　强,等　单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制51

　　同理,将式(2)两端同乘以2sinωt,得到:

2is(t)sinωt=Iq+Ipsin2ωt-Iqcos2ωt+　

∞

n=3

功功率的并网。

2　基于无差拍控制理论的PWM算法

当控制部分提供电流参考值后,就需要一种合

适的脉宽调制(PWM)控制方式使得并网系统发出的电流能够跟踪参考电流。目前有多种PWM控制方式,如瞬时比较方式、定时比较方式和三角波比较方式。不同的PWM控制策略对参考电流的跟踪能力也不同,在进行了大量试验与比较后,本文采用无差拍PWM作为对上文理论推导的实现方式。

在数字控制技术不断发展、数字电路硬件成本不断降低的今天,数字化PWM控制方式具有更加广泛的应用前景。基于Deadbeat的PWM实现方案,其控制系统由高性能数字信号处理器(DSP)实现。与传统的PI控制相比:PI控制在其系统状态变化时,系统稳定时间较长,通常在几个工频周期内,且这是在对PI参数进行优化的基础上,同时PI控制参数设定非常复杂,虽然表面上看起来PI的参数调节与外部参数无关,但不同的电路参数对PI参数最终的确定有影响且没有明确的关系,虽然最终能够达到稳态,但控制效果不理想;无差拍控制控制周期在一个工频周期内,响应迅速。动态响应快,算法适合数字化PWM控制方式,具有更加广泛的应用前景。基于Deadbeat的PWM实现方案,其控制系统由高性能DSP实现。与模拟控制相比,数字化控制具有控制灵活、易改变控制算法和硬件调试方便等优点。这种方法的原理是在每一个开关周期的开始时刻,采样逆变器并网侧产生的电流i,并且预测出下一周期开始时刻逆变器并网侧的电流参考值i3,由差值i3-i计算出开关器件的开关时间,使i在下一周期开始时刻等于i3。这种方法计算量较大,但其开关频率固定、动态响应快的特点十分适用于并网逆变器的数字控制。下面推导并网逆变器控制中基于无差拍控制的PWM方式。

并网逆变器的原理图如图3所示。

ωt+φ)sinω2Icos(nt∑

n

n

=

Iq+Ipsin2ωt-Iqcos2ωt+

∞

n=3

∑I

n

(sin((n+1)ωt+φn)-

(4)sin((n-1)ωt+φn))

　　由式(3)、式(4)可以看出,经过变换的电流中含有相同的频率分量,均由直流分量和高频分量组成,通过变换,分离出了有功直流分量与无功直流分量。因此,在理论上,只要将变换后的信号经过截止频率低于2倍基波频率的低通滤波器进行滤波,就可以得到基频分量幅值,即Ip,Iq,再对式(3)、式(4)进行逆变换,分别乘以cosωt与sinωt,即可得到瞬时的基波有功电流Ipcosωt与无功电流Iqsinωt,即

(5)ip(t)=Ipcosωt

(6)iq(t)=Iqsinωt

　　通过本变换同时可以得到瞬时谐波电流,即

(7)ih(t)=is(t)-(ip(t)+iq(t))

　　整个变换框图如图2所示。为了能在实际的电网运行条件下准确得到电网电压信号,在变换前加一级锁相环(PLL),从而得到与电网电压相位完全

相同的正弦信号。

图2　瞬时电流检测框架

Fig.2　Diagramofinstantaneouscurrentdetection

与传统的检测方式相比,本文提出的是一种改进的检测算法,原有算法虽然也提取出了基波的有功和无功功率,但由于需要考虑系统的工频分量,因此算法比较复杂。而本文在对式(3)、式(4)的处理中,数字PLL完全可以进行电网相位和频率的检出,因此只考虑有功、无功电流的直流分量,再转换为基波分量,这样的好处在于滤波器设计相对简单,同时算法得到了简化。

在图2的电流检测框架图中可以看出,若要同时检测并补偿无功电流和谐波电流,则连接无功电流与谐波电流检测通道,将含有谐波和无功的电流作为目标电流进行补偿;若只需要检测并补偿谐波电流时,则断开无功电流检测通道,将含有谐波分量的有功电流作为目标电流进行补偿即可。

此外,当系统直流侧为可输出有功的直流源,如光伏电池或经整流后的风能发电,同时可以实现有

图3　并网逆变器原理图

Fig.3　Schematicdiagramofgrid2connectedinverter

系统中电压电流等物理量的定义如下:直流侧电压为udc,交流电网侧电压为us,电流为i,则在系统运行的任意时刻下面的环路电压方程都成立。回路电压方程为:

52

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2007,31(10)　　

L

di=udc-usdt

(8)

3　基于瞬时电流检测的单相光伏并网系统

光伏并网(PVGC———photovoltaicgrid2connected)是新能源应用的重要手段之一,并网系统的核心是并网逆变器及其控制,其作用是将光伏阵列输出的非线性直流电源转换成可以并入电网的交流电源。

PVGC的原理如图5所示。PVGC主功率电路通过左侧并联电容器与光伏阵列相连,光伏电能在送入直流母线之前,经过一个二极管防夜间反向电流进入光伏阵列发热。PVGC主功率电路由控制单元的PWM驱动信号控制。交流侧经连接电抗后并入电网。

　　如果定义并网逆变桥的开关状态函数为:

1k相逆变桥上桥臂开通、下桥臂关断sk=

0k相逆变桥下桥臂开通、上桥臂关断

(9)

环路电压方程就可以表达为如下形式:

di(10)L=(SAudc-SBudc)us

dt

　　设控制周期为Ts,对环路电压方程离散化,同时设电流参考指令为i3,逆变桥开关占空比为ΔdA,ΔdB,并且假设控制周期远小于电网基波周期,忽略电网电压和直流侧端电压的变化。因此,在一个控制周期内,环路电压方程可以表达如下:

(i3-i)L=(ΔdAudc-ΔdBudc)us

Ts

(11)

　　由于逆变桥上下桥臂的导通在一个控制周期内是对等的,可以得到第2个方程:

ΔdA+ΔdB=1(12)

　　由式(10)、式(11)可以求解出用于控制并网逆变桥的一路PWM信号的占空比:

ΔdA=

3

usL(i-i)1++

udcTsudc图5　单相光伏并网系统示意图

Fig.5　Single2phasephotovoltaicgrid2connectedsystem

2

3

usL(i-i)1--udcTsudc(13)

对应另一路PWM信号的占空比为:

ΔdB=

(14)

2

　　按照式(13)、式(14)计算的占空比来控制并网

逆变桥就能够实现并网的控制功能。

图4为在5kHz的控制频率下,采用本文提出的理论对目标电流的跟踪。由图4可见,获得的电流控制效果相当好。

由于太阳能电池输出特性具有非线性,且具有受光照强度和环境温度影响严重的特点,因此为提高太阳能利用率,最大限度地将能量馈送入电网,在控制中采用最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracing)技术,这也是光伏并网逆变器与一般并网逆变器最大的不同。

光伏并网直流侧并接电容器,因此,白天在发出有功的同时,利用一部分有功维持直流母线电压恒定,这样可以发出部分无功;夜晚通过从系统吸收有功,维持直流母线电压恒定,由于单相系统,母线上会有波动,但作为单相小功率户用系统,其无功补偿度并不大,母线波动在可接受的范围内,通过下面的实验波形可以验证。

4　仿真与实验

在上文的基础上搭建基于Simulink/MATLAB的仿真平台,结构如图3所示。主要参数为:电网电压有效值220V,直流母线电压400V,为显示补偿效果,负载采用整流桥接阻感负载,负载功率为5kVA。图6为仿真试验波形。

由于负载的非线性性,负载电流波形含有丰富的高次谐波,且由于负载电感上无功功率的存在,基波电流与电网电压有一定的相位延时,未进行无功及谐波补偿时见图6(b),通过本文方法对电网电流进行补偿,控制逆变器输出电流见图6(d),此时电网电流波形为正弦波,且与电网电压同步。图6(d)

图4　目标电流与逆变器并网侧输出电流

Fig.4　Targetcurrentandoutputcurrentofinverter

・研制与开发・　张　强,等　单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制53

很好地反映出本方法中电流检测的有效性,而图

6(c)则反映出电流补偿的有效性,可以看出采用这种算法,很好地消除了电网谐波,提高了电网质量,同时实时补充无功功率,改善了电网的功率因数。

　　实验2:向电网发送有功,同时发送1kvar无功。为抑制直流母线电压的波动,吸收部分有功,将直流母线电压稳定在560V,此时直流输出电流310A,并网电流有效值9119A,功率因数为01809;实际发送有功功率116kW,无功功率111kvar,THD小于3%。实验波形如图7(b)所示。

图7为采用日本恒河DL750录波仪所录波形。可以看出,采用本文提出的控制策略,PVGC能够很好地跟踪电网电压,控制电流波形,在达到并网输送有功功率目的的同时,兼顾了无功与谐波补偿功能。实验结果与前面的理论推导及仿真波形一致,验证了本文方法的正确性。

5　结语

图6　仿真波形

Fig.6　Simulationwaveforms

按照第4节所介绍的并网系统,在实验室建立

如图1所示的并网试验平台,主要参数如下:PVGC为5kW,交流220V系统,太阳能最大功率点电压500V,频率50Hz(可适应电网电压频率变化),并网连接电感2mH,装置直流母线电容2350μF。

实验1:向电网发送有功。直流母线电压502V,直流电流912A,并网电流有效值1918A,功率因数为1;系统效率达95%,THD小于3%。实验波形如图7(a)所示。

本文通过对单相电路的研究,提出一种新型的单相并网逆变器无功与谐波电流检测及补偿技术,并应用于单相光伏并网系统。通过仿真和实验,结果表明:

1)本文所提出的单相并网逆变器无功及谐波电流检测与补偿技术可行,达到了理想的补偿效果;

2)三相瞬时无功功率理论完全可以应用于单相电路,本文的理论推导与仿真试验验证了本理论的可行性;

3)基于此控制策略的单相光伏并网逆变系统具有消除电网谐波、补充无功功率的特点,具有瞬时电流检测功能的单相光伏并网逆变系统将有着广阔的应用前景。

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电、电力电子及并网逆变器。E2mail:zhangqiangmails@126.com

),男,硕士,副教授,研究领域为电力系刘建政(1961—统、控制及新能源并网。),男,博士,高级工程师,研究领域为电李国杰(1965—力系统、控制及新能源并网。

InstantaneousCurrentDetectionandCompensationofSingle2phasePhotovoltaicGrid2connectedInverter

ZHANGQiang,LIUJianzheng,LIGuojie

(StateKeyLabofPowerSystems,DepartmentofElectricalEngineering,

TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Inordertoenhancethefunctionofreactivepowercompensationofasingle2phasephotovoltaicsystemingridconnectionandrealizeprecisedetectionandcompensationofreactiveandharmoniccurrentofthesingle2phasegrid2connectedinverter,animprovedmethodofdetectinginstantaneousreactiveandharmoniccurrentinthesingle2phasegrid2connectedphotovoltaicsystemispresented.Basedoninstantaneousreactivepowertheory,algorithmsofcurrentdecouplinginthesingle2phasesystemarederivedforperformingthereactivepowercontrolofsingle2phasephotovoltaicgrid2connectedinverter.Themethodproposedeffectivelysolvesthedifficultiesofthecurrentdetectioninsingle2phaseconnection.ThepaperproposestoadoptadeadbeatcontrolstrategyandderivesthealgorithmofdeadbeatPWM.Withthissystemusedinthephotovoltaicgrid2connectedinverter,notonlythesystemhasthefunctionofsupplyingactivepower,butalsocaneffectivelyperformreactivepowercompensationandharmonicsuppression.

Keywords:grid2connectedinverter;harmonicsuppression;reactive2loadcompensation;deadbeatcontrol;photovoltaicgrid2connected

(上接第40页　continuedfrompage40)

ANovelPowerDistributionandConsumptionConceptBasedonPowerSupermarket

LIUBing1,RUANJiangjun1,WEIYuanhang2,ZHUQiming3

(1.WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

(2.FoshanPowerSupplyBureauofGuangdongGridCompany,Foshan528000,China)

(3.HefeiPowerSupplyCompany,Hefei230022,China)

Abstract:Inordertoseekthebettermodeofretailelectricitymarket,referringtheretailmodeofothertrades,aprice2difference2typeservicepatternthatpaysequalattentiontopowerpriceandadditionalvalueareproposedinthehopeofbetterrealizingthewin2winofsellerandpurchaserparts.Therefore,aroundthepowercommodityadditionalvalue,anovelpowerdistributionandconsumptionconceptbasedonpowersupermarketisproposedaftersummarizingthepowerqualityserviceundertheuniteddispatchingwayandanalyzingthelimitationofthecurrentembryonicformofpowerprice2difference2typeretailtrade.Thedefinitionandcoreideaofpowersupermarketareclarifiedindetail,andstressedthecharacteristicsofpowersupermarkettosatisfythebusinessmen’sbenefitsandenabletheconsumerstogainthepowercommoditywithhighestperformance2to2priceratioatthesametime.Onthebasisofbuildingthetheoreticalframeworkofpowersupermarket,theconstructionprinciple,theimplementationandsupervisoryprinciple,thetransactionmechanism,thetradingpriceformulationrule,thecompensationmechanismofpowersupermarketandthearrangementprincipleoftheequipmenttoguaranteethesupplementaryvalueofpowergoodsareelaborated.

Keywords:retailelectricitymarket;powersupermarket;powerquality;tradeprice;compensationmechanism