光伏并网逆变器的电流谐波抑制策略

1、光伏并网逆变器的电流谐波抑制策略1引言并网逆变器作为光伏电池和电网的接口装置，将光伏电池的直流电能转换成交 流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用。随着投入使 用的并网逆变器日益增多，其输出的并网电流谐波对电网电压的污染也不容忽视。 按照GB/ T 19939-2005所要求，光伏并网逆变器的总输出谐波电流应小于逆变器额 定输出的5%,各次谐波也应限制在表1所列的百分比之内：奇次谐波畸变限值偶次谐波谐波限值3次至9次4.0%2次至8次1.0%11次至15次2.0%10次至32次0.5%17次至21次0时，下桥臂二极管导通，就上管 而言，输出正电压的脉冲宽度减少了 Td，即

2、实际导通时间比理想导通时间缩短了 Td， 而下管的实际导通时间则比理想导通时间延长了Td。需要做的补偿是将上管的理想导通时间延长Td，由于信号的互补性，下管的理想导通时间相应缩短了Td，达到了实际导通时间和理想的相一致的目的，从而保证了实际脉冲信号和给定脉冲信号的 一样性。同理可知，i0时，补偿方法是将上管的理想导通时间缩短 Td图7理想触发信号和实际开关信号(Fig.7 Ideal trigger sig nals and real switch sig nalS5基于广义积分的控制策略在两相静止坐标系下，被控对象为交流量。传统的pi控制器，只能无差跟踪直流给定信号，如要使得被控对象在控制器

3、的作用下，其输出能无差地跟踪交流量， 则必须采用新的控制器。根据内模原理，如果系统的给定信号或扰动为单一频率的正弦信号，那么只要在控制器中植入和指令同频的正弦信号模型G(s)二，就可以实现系统的无s +0静差跟踪。如果外部信号包含其它频率成分，这种情况下，若要实现无静差，只需针对每 一种频率的信号设置一个内模即可。图8基于广义积分的控制信号流图和基于d-q坐标系的控制策略相比，该方案无交叉耦合项，无需前馈解耦，运 算更为简单，而且由于比例环节已能对输出电流波形进行一定控制，如能通过广义 积分环节对少数几个谐波畸变率较大的频率成分进行改善，该控制策略不失为一个 简单有效的方案。6基于重复控制的控

4、制策略当然，如果频率成分复杂，则基于广义积分的控制策略将会导致内模数量大,控制器结构复杂，从使用角度而言不太合理，工程上也不易实现。因此需要寻找一 种新的内模形式来描述此种类型的外部信号分析可知，上面所述两种情况的干扰信号具有两个特点：首先是可重复性，即周期性。其次是指令信号的谐波形式。因此扰动信号在每个基波周期都以完全相同e上的波形出现。对于这样的信号，可采用如下形式的内模：G(s) S，L为给定1 - e信号的周期。这是一个周期延时正反馈环节，不管什么形式的信号，只要重复出现， 而且频率是基波的倍数，那么该内模的输出就是对输入信号的逐周期累加。当输入信号衰减为0,该内模依然会不断的逐周期输

5、出和上周期相同的信号，相当于任意 信号发生器。它的作用类似于积分环节，区别仅在于它是逐周期的累加，因此这样 的内模能够满足要求。采用这种特殊形式内模的闭环控制系统称之为重复控制系统。由于上式中的存延时环节es难以用模拟器件实现，因而在使用中重复控制都是以z J离散的数字形式实现。重复控制器内模的离散形式为 G，N为一个周期的1 -Z对于重复控制控制而言，内模是系统的核心，它提供了稳定持续的控制信号， 当内模为理想情况时，输入信号为 0的情况下输出可以无衰减的反复重现上一周期 的信号。但是理想内模的极点分布在虚轴上， 处于临界振荡状态，系统稳定性较差。当受控对象的参数稍有变化，整个闭环系统很可能

6、不稳定。图9所示的重复控制器基本框图，可得到闭环系统的传递函数为:ZE = R -丫 ; Y = P*U ; UE1 -Z整理后得：E = R(1 -Z山) E(1 - P)Z小,此式表明，系统稳定的条件是等式右面第二项是稳定收敛的。由此可见，系统稳定存在约束条件|卩- P ： 1。这表明在理想内模条件下，只有满足此约束条件误差才会收敛。但在一般情况下，被控对象难以在整个频段满足此条件，此时可对内模加以改造，即采用QZ代替Z，保证 系统稳定收敛。Q可为小于1的常数，也可以为具有低通性质的函数。使得回路满 足Q(1 - P) ： ： 1。改进型内模结构见图10图10改进型内模原理图引入Q之后，内

7、模的“纯积分”特性也被破坏，当输入信号为0时，改进内模的输出不能完全复现上个周期的信号，而是逐周期的衰减。如果Q为常数，那么仅为幅值衰减，如果Q为低通函数，对于非单一频谱的信号而言，信号的形式就会发生 变化Z位于重复控制系统的前向通道上，使控制信号延时为1个周期。由于指令信号和扰动信号均为周期性，这样可使控制信号对下一周期而言具有一定的超前性。而且对于超前相位补偿，此环节也是必须的。但在引入周期延迟环节后，系统的快 速性受到影响，有较大的控制滞后。因此在使用重复控制器时多采用嵌入式结构， 保留指令信号的快速通路，见图11*如（7）+ fl 4- U-. V 辛_巴4ZUr*图11重复控制系统框

8、图6.1补偿器补偿器S(z)是针对对象P(z)特性而设置的，它决定了重复控制系统的性能。当 重复控制器的内模输出了包含指令和扰动信息的信号后，如何使控制对象的输出完 美地跟踪指令信号，这是补偿器要解决的问题。对于控制系统而言，极点的位置和 系统的性能有着密切的关系，因此本文从极点分布的角度对补偿器的特性进行研究。由图11给出r到e的传递函数：e _(1_P)(1 _QZ)r _ 1 _Z(Q _SP)由传递函数可知，系统的极点：ZN二Q-SP，当所有的极点都位于圆心上，即 z=0时，系统具有最好的动静态特性，此时 Q=SP，在理想内模情况下Q=1，即 SP = 1。所以当取S=P形式时，系统既

9、有最好的稳定性，又具有最快的误差收敛 速度和最小的稳态误差。但是有两个因素制约着S无法取P的形式。首先，如果P包含单元圆外的零点，这样按照S = P 会存在单位圆外的极点，补偿器会不稳定， 导致整个系统无法稳定。其次，要想在整个频段保证 S二P，前提是获得一个完美精确的逆变电源模型P,这在一定程度上是很难实现的，尤其是针对其高频的特性。6.2补偿器的设计-d b( A)假定受控对象P / B(Z),小为受控对象的响应延时，根据前面的结论设计 Az控制器S(z)，除(亍)，可以实现完美的跟踪特性。但由于上述原因(补偿器的极B(z)点为受控对象的零点，当受控对象的零点在单位圆外时，可能会导致补偿器

10、不稳定)不能对受控对象直接求逆的方法设计 S(z)。传统的方法是通过零相移误差跟踪理论设计相应的S(z)控制器。首先对B(z)进行分解，得到B(z)= B：(z)BU(z- (豹)=bCo +b：1Sin(矶)+b；sin(2国t) +b：sSin(s灼t) m(bC0bC1 -bU2 - bUs)，其中B：(z-1)包含所有单 位圆内的零点，B： (z)包含单位圆外以及单位圆上的零点。 新设计的补偿器形式为 S(z) aA(f )u zd，其中BU(1)的作用是调整S(z)的增益。根据零相移误差跟踪Bc (z )Bc(1)理论，S(z)P(z)应满足零相移、零增益的条件，因此有如下推导:Sp

11、_zB(z)*A(z)才 _ B：(zJ-A(zJ)BC5(z4)BU(1)- B：(1)定义:B；(e-j T)BU(1)，- BC(1)BC(z 4)二 b；。 b；1 zb：2z b；sZBu(e 如)SP的频率形式为：鮎厂汴e(TjIm(T其中：Re( .)u0点心雪)论。乎勺；b；co如)分析可知，幅值和频率随频率的变化有明显变化。尽管在实际系统中需跟踪的信号 频率都很低，M和 变化都很小，但是-/ 较大，所以会引起较大的延时，明显影响对信号的跟踪特性。此时可采用下面的数学特性达到零相移跟踪，即:B：(z)*B：(z1)Bc(1)Bcu(1)其中 B：(z)二 b：o - bdz -

12、 bz2 -u sbcsZ，计算得:Bu(eT ) Bu(ej T )u *斗 (Re( jlm( )*(Re( ) j lm( )= B；(1)BU (1)2 2Re ( ) Im (-)上式计算结果为一实数，这表明任何频率下的相移均为 0,在低频段增益接近1。当受控对象含有单元圆外零点时，补偿器的形式为下面形式:S(z)二A(z)B：*(z)B：(z)B：(1)2其中B：*（z）=bC0z“加5加亠2b；7基于谐波补偿本节从谐波补偿的角度出发，采用改进型FFT算法对输出电流误差信号进行实时频谱分析，把由软件产生的经过预畸变的谐波信号注入逆变器，由此达到抑制非 线性扰动从而达到校正输出电流波

13、形的目的。图12为基于谐波补偿的控制系统的系统结构框图。GMs）表示控制对象，在这里就是输出LC滤波器的传递函数，其离散化形式由 Gz）表示。G2（z）表示内部模型，它和Gdz）相等。7.1扰动抑制原理考虑扰动信号d(z)在输出点的相应。由图12可以很容易得到扰动信号的传递函数:Hd(z) =1 -GJ z)G(z)1G,z) -G2(z)Gc(z)(7-1)由于Gi(z)=G2(z)，故Hd(z)可简化为:Hd(z) =1 - Gc(z)Gi(z)( 7-2)显然，只要G,z)二G(z)，则Hd(z)=O,即扰动可以得到完全的抑制。不幸的是，实际逆变器的z域传递函数含有一个纯延时环节，这就意

14、味着谐波 补偿器Gc(z)必须含有一个超前环节，这在物理上是无法实现的。但在实际使用中， 我们只需抑制低次谐波即可获得较好的输出电流波形，所以，只需要使得谐波补偿 低频段频率特性是控制对象 G (z)低频段频率特性的逆就可以了。7.2谐波补偿器谐波补偿器是由FFT和谐波发生器组成。FFT算法对输出电流误差进行实时频谱分析。由于系统电压谐波畸变主要在于次数较低的奇次谐波，所以，只需分析出1、3、5、7、9次谐波的幅值和初相角就可以满足要求了。设x(n)为N点有限长序列，其FFT为：N JX(kf x(n)WNnk(7-3)n=0式中：k =0,1,，N -1 ；显然，常规的FFT算法，其输出点数

15、和输入点数是相等的，但在本系统中只需求出X(1)、X(3)、X(5)、X、X(9)等几个输出点即可。根据基于 FFT的蝶形计算流程图可以知道，在只需计算指定的若干输出点的情况下，可以大大减少计算量，节省大量的DSP时钟，这就使得基于FFT的实时频谱分析成为可能。谐波发生器的作用是将FFT分析出的谐波进行预畸变，然后把预畸变的谐波信号作为补偿指令送给控制对象。8总结本文首先介绍了光伏并网逆变器所广泛采用的基于d-q坐标系的电流波形控制策略，其后介绍了该策略将会导致电流波形产生畸变的原因，最后介绍了三种改善的控制策略。重复控制是近年来研究较多的一种控制方法，但其Q值的存在以及补偿器S的设计都是一个难点，而且设计不好将会导致系统的不稳定。个人觉得基于广义积分和谐波补偿的控制策略，其针对性强，实现简单，是工程上较为实用的控 制策略参考文献1 . 王建宽 ，崔巍 ，江建中 SVPWM 技术的理论分析及仿真 微特电机 ， 2006 （6）： 15-20.2 . 仇志凌 邹丽霞，熊蕊，基于谐波补偿的逆变器波形控制技术研究 . 电源技术使用 ， 2004（ 3）： 164-167.3 . 陈宏 基于重