单相光伏并网逆变器无功补偿控制策略_胡月

电气传动 2015年 第45卷 第4期 单相光伏并网逆变器无功补偿控制策略 胡月， 沈安文， 谭海青 （华中科技大学 自动化学院， 湖北 武汉 430074） 摘要： 针对传统单相光伏逆变器功能单一的特点， 对具有无功补偿功能的光伏并网逆变器控制策略进行 了研究， 拓展了光伏逆变器的功能。提出了一种正弦信号积分法结合瞬时无功功率理论的方法， 来检测有功 电流和无功电流， 克服了传统单相无功检测法的时延问题。系统采用传统的双闭环控制， 电压外环采用PI控 制， 稳定母线电压， 电流内环采用准比例谐振控制器， 实现了电流的无稳态误差跟踪。仿真和实验结果证明了 该方法的有效性和正确性。 关键词： 单相光伏逆变器； 无功补偿； 电流信号检测； 双闭环控制 中图分类号： TM615文献标识码： A Reactive Power Compensation Control Strategy of Singlephase Photovoltaic Gridconnected Inverter HU Yue， SHEN Anwen， TAN Haiqing （School of Automation， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， Hubei， China） Abstract: To break the single mode of traditional single phase photovoltaic， a single phase PV gridconneted inverter system with reactive power compensation function was proposed， which expending the PV inverter functions. A sinusoidal signal integrator method was proposed. Active current and reactive current were detected by using the method combine with the instantaneous reactive power theory，which overcomes the latency problem of the conventional singlephase reactive detection method. The system adopted the traditional doubleloop control. The bus voltage was kept stable by using the PI control on the voltage loop. Zero steadystate error was realized by applying a quasi proportional resonant controller on the current loop. Simulation and experimental results show the effectiveness and accuracy of the method. Key words: single phase inverter； reactive power compensation； current signal detection； double loop control 作者简介： 胡月 （1990-） ， 女， 硕士研究生， Email： hylzfly 1引言 随着光伏并网技术的研究和发展， 建筑集成 式光伏并网系统 （building integrated photovoltaic system， BIPV） 在分布式电网的应用越来越广 泛。大多数单相光伏逆变系统的控制集中在使 逆变器输出单位功率因数， 从而最大幅度地提高 并网效率 1-2。但为了使电网更大限度地接纳光 伏逆变器， 具有如低电压穿越， 无功补偿等辅助 功能的光伏逆变器将成为下一代光伏逆变器的 研究热点 3-4。 要有效地调节逆变器输出的有功和无功， 关 键技术在于负载的无功检测， 电网电流的控制 等。目前常用的技术是将三相无功功率理论的 思想扩展到单相来构造虚拟的两相或者三相电 路， 其构造方法决定了检测的实时性。大多数学 者采用将负载电流延时90来构造负载虚拟相电 流， 但这将导致一个较大的延时， 影响系统的动 态响应 5。文献 6 提出了一种基于离散傅里叶 变换的锁相环法来获得更为精确的无功补偿效 果， 但会导致运算复杂， 对控制器要求高。文献 7 提出了一种基于基波分离的谐波电流检测 ELECTRIC DRIVE 2015 Vol.45 No.4 60 电气传动 2015年 第45卷 第4期 法， 虽然其能通过简单的数学计算分离出基波有 功和基波无功， 但当电网频率变化时， 影响测量 精度。本文提出了一种基于正弦信号积分器的 参考电流发生法来构造虚拟两相电流， 克服了传 统方法带来的延时。结合瞬时无功功率理论， 来 产生有功电流信号和无功电流信号， 实现光伏逆 变器的有功功率控制及无功补偿。控制系统采 用经典的双闭环控制， 外环PI控制保持了母线电 压稳定， 内环采用准比例谐振控制器， 实现了电 流的零稳态误差跟踪。 2系统的控制原理 本文提出的光伏并网逆变器的电路原理图如 图1所示。并网逆变器由前级DC/DC升压环节和 后级逆变环节组成。DC/DC环节采用Boost升压 电路， 后级逆变环节利用软件锁相、 单极性 SP- WM调制等技术实现了逆变并网和无功补偿。 太阳能阵列作为直流源输入， 其VI和PV 特性随光照和温度变化， 表现出极大的非线性。 因此， 本文采用变导增量法来找出最大功率点对 应的工作电压， 并采用双闭环控制来控制母线电 压和并网电流。 由功率平衡， 通过控制并网电流的有功的大 小和方向， 可以控制直流母线电压稳定。电压调 节输出有功指令电流， 通过检测负载上的电流， 转换得到无功补偿分量指令电流。将二者相结 合， 得到最终并网的指令电流。再通过电流内环 的控制， 即可实现无功补偿和并网发电。光伏并 网功率调节系统控制框图如图2所示。 3改进的无功电流检测算法 为了得到负载无功电流， 将瞬时无功功率理论 运用到单相系统， 需要构造正交的两相电流。本文 提出了一种正弦信号积分器， 来得到两相正交的电 流， 克服了传统移相检测带来的延时， 如图3所示。 图3中闭环传递函数 （H=iL1/iL和H=iL1/iL） 如下： H(s)= iL 1(s) iL(s) = ks s2+ks+2 0 （1） H(s)= iL 1(s) iL(s) = k0 s2+ks+2 0 （2） 式 （1） 和式 （2） 中的相角关系： H(j)=H(j)+ 2 假设负载电流信号为 iL=i=2 k=1 ILksin(k0t-k) 式中：0为电网基波频率；ILk为第k次谐波电流的 均方根值；k为第k次谐波电流的初始相角。 经过正弦信号积分器后， 得到负载在两相坐标 轴上的电流分别为 iL 1a = -2IL 1sin(0t-1)- 2 k=2 I * L2sin(k0t- * k) iL 1b =- 2IL 1 cos(0t-1)-2 k=2 I * L2cos(k0t- * k) 式中：I * L2， * k分别为经过正弦信号积分器后的负载 谐波电流的幅值和相位。 电网电压经过锁相环可以得到其单位正余 弦信号V1=sin(0t)， V1=cos(0t)。由基于瞬时 无功功率理论谐波电流检测ip-iq法， 可得： iLp iLq =C-pq iL1 iL1 = ILp+i Lp ILq+i Lq = 2IL 1 cos1 - 2IL 1 sin1 + k=2 2I * Lkcos(k0t- * k-0t) k=2 2I * Lksin(k0t- * k-0t) （3） 图1光伏并网逆变器 Fig.1Photovoltaic gridconnected inverter 图2光伏并网功率调节系统控制框图 Fig.2Photovoltaic gridconnected power control block diagram 图3正弦信号积分器 Fig.3Sinusoidal signal integrator 胡月， 等： 单相光伏并网逆变器无功补偿控制策略 61 电气传动 2015年 第45卷 第4期 其中 C-pq= sin(0t)-cos(0t) -cos(0t)-sin(0t) 由瞬时无功理论可知， ILp和ILq分别为负载电流在 基波频率处有功分量的幅值和无功电流分量的 幅值， 经过低通滤波器可分离出该直流量， 得到 无功电流的参考幅值即 ILp ILq = 2IL 1 cos1 - 2IL 1 sin1 （4） 4并网电流的控制 为了保持母线电压稳定， 电压外环采用PI控 制。给定参考电压U * dc和母线电压Udc的误差eu作 为PI控制器的输入， 则有功参考电流的幅值Idc大 小如下： Idc=(kp+ ki s )(udc-u* dc) （5） 将有功电流分量Idc和无功电流分量ILq通过 坐标反变换可得到两相的参考电流如下： i* s i* s =Cpq- Idc ILq = Idcsin(0t)+2IL 1sin1cos(0t) -Idccos(0t)+2IL 1sin1sin(0t) （6） 其中 Cpq-= sin(0t)-cos(0t) -cos(0t)-sin(0t) 从而可以得到i* s的前一项和太阳能板输出的有功 电流相等， 后一项和补偿的无功电流大小相等。 即i* s为电流内环的给定电流。 为了克服传统PI控制器在跟踪交流信号时 存在静态误差的缺点， 本文中系统的电流内环采 用准比例谐振 （proportional resonant， QPR） 控制， 使得控制信号在电网基频处产生足够大的增益， 实现正弦给定下的无静差控制， 同时可以减小电 网电压频率波动的影响。其传递函数表示为 G(s)=Kp+ 2Kics s2+2cs+2 0 （7） 式中：Ki为谐振系数； Kp为比例系数；0为谐振频 率；c为带宽。 |G(s)在0处达到其最大增益， 调整Ki和c可 使其控制器有较高的品质因素， 且选取适当的c 可使控制器在非基频处增益增加， 减小电网频率 变化对控制器性能的影响。 为了获取适当的Ki， Kp，c， 通过Bode图来 分别考察每一个参数变化对系统性能的影响。 当Kp=0，c=1时， 改变Ki不会改变控制器的 带宽，Ki增大时， 谐振控制器的增益增加。如图4a 所示。当Kp=0，Ki=1时， 改变c系统的幅值相位 都会改变。c增大时， 谐振控制器的增益和相位 都增加， 但在谐振频率处的增益大小恒定。如图 4b所示。 同理， 当Ki，c不变， Kp增加时控制器的幅值 增加， 并在谐振频率处取得峰值， 系统的相角裕 度减小。这意味着Kp增大， 可使谐波的含量减 小。选择适当的Kp可以使系统准确地追踪正弦 信号， 同时抗干扰。 综合考虑之后， 本文选择控制器Kp=12， Ki=90，c=4。 5仿真分析和实验结果 在前文理论分析的基础上， 搭建基于Saber 的仿真平台， 系统的结构图如图1所示。主要参 数为： 电网电压有效值220 V频率， 50 Hz， 直流母 线电压400V， Boost电感1.1 mH， 直流侧电容2 000 F， 输出侧滤波电感 2 mH， 输出侧滤波电容 1 F， 采用阻感负载ZL=26.94+j15.55。 分别在不同的光照强度下研究无功补偿的 效果。图5a是在光照强度为1 000 W/m2时系统 带阻感负载的输出波形。其中， Ig为电网电流， Is为逆变输出电流，Vs为电网电压。逆变器输出 电流超前电网电压， 电网电流与电网电压同频 同相。可知在光照充分时， 逆变器完全补偿了 负载的无功， 又把多余的电能馈送给电网。测 得电网电流 THD 为 2.108%和逆变电流的 THD 为1.597%， 满足并网要求。 图4准比例谐振控制器频率响应 Fig.4Frequency responses of nonideal PR controller 胡月， 等： 单相光伏并网逆变器无功补偿控制策略 62 电气传动 2015年 第45卷 第4期 图5b是在光照强度为10 W/m2时系统带阻 感负载的输出波形。其中，Ig为电网电流，Is为 逆变输出电流，Vs为电网电压。电网电流和电 网电压相角相差180， 逆变电流滞后电网电压接 近90。可知在光照不充分的情况下， 逆变器完 全补偿负载的无功， 不足的有功部分由电网提 供。测得电网电流THD为2.693%， 逆变电流的 THD为2.896%， 满足并网要求。 为了验证无功补偿算法的可靠性， 采用了带 光伏阵列仿真功能的CHROMA公司的程控直流 电源62150H-600s模拟太阳能输出， 在3 kW单相 光伏逆变器平台上展开了实验研究。控制芯片 采用dsPIC33F506， 负载为阻感负载。 实验结果如图6所示， 逆变电流滞后电网电 压， 电网电流和电网电压同频同相， 电网电流畸 变小于3%， 光伏逆变器准确地实现了无功补偿 和有功控制。 6结论 本文提出了一种基于正弦信号积分器的无 功电流检测法， 克服了传统方法在构造虚拟相电 流的电流时会产生相位延时的问题， 实现了无 功补偿和有功控制。而增加无功补偿功能会增 大逆变器输出电流， 因此要在其允许范围内进 行无功补偿， 避免超过逆变器输出的最大电 流。PI外环使母线电压保持稳定， 对于电流内 环， 比例谐振控制可以实现电网电流的无误差 跟踪， 并减小电流畸变。仿真和实验结果验证了 该方法的可行性， 可应用于商业的建筑集成式光 伏并网系统中。 参考文献 1 Bojoi R， Limongi L R， Roiu D， et al. Enhanced Power Quali ty Control Strategy for Singlephase Inverters in Distributed Generation SystemsJ . Power Electronics，IEEE Transac tions on， 2011， 26 （3） ： 798-806. 2 Blaabjerg F，Teodorescu R，Liserre M，et al. Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Gener ation Systems J . Industrial Electronics，IEEE Transactions on， 2006， 53 （5） ： 1398-1409. 3 Yongheng Y，Huai W，Blaabjerg F. Reactive Power Injection Strategies for Singlephase Photovoltaic Systems Considering Grid RequirementsC /Applied Power Electronics Confer ence and Exposition（APEC），2014 TwentyNinth Annual IEEE， Fort Worth， TX， 2014： 371-378. 4 Yongheng Y，Enjeti P，Blaabjerg F，et al. Suggested Grid Code Modifications to Ensure Widescale Adoption of Photo voltaic Energy in Distributed P