单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法

摘要

一种单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法，利用光伏并网发电系统中原有的电压电流检测装置及数字控制器，在原有控制算法的基础上，增加了对Boost电路占空比、逆变器的控制。通过对逆变器输出的相电流信号进行单相变换，将实际输出的电流与参考值比较，对差值进行PI调节获得基波和谐波的电压控制指令；还对相电流信号计算得出的直流分量检测值与给定的校准电流的差值进行处理，得到直流分量抑制电压指令；将瞬时基波电压的控制指令、瞬时谐波电压控制指令、直流分量抑制电压指令相加后，处理得到用于所述逆变器的控制指令，因此，实现了逆变器有功、无功电流的控制，指定谐波的消除，直流分量的抑制，能有效改善电网电能质量。

说明书

技术领域

本发明涉及逆变器控制领域，特别涉及一种单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高和社会的技术进步，电能成为人们日常生活中必须依赖的能源。然而煤、石油等一次能源日渐减少，而且人们在应用他们的同时，也对环境造成巨大的污染。解决能源问题的根本办法是开发环保型的可再生能源，其中太阳能发电就是其中重要的发展方向。

随着光伏并网发电的规模和容量不断加大，其对电网的电能质量及稳定运行的影响日益明显，为此世界各国对光伏发电接入电网的条件诸如注入谐波、直流分量、电压波动和闪变等方面都制定了严格的标准，这也对光伏并网逆变器的设计及控制提出了更高的要求。

对并网逆变器而言，注入电网的电流谐波要控制在一定的范围，否则会对电网造成污染或对电网上的负责造成不良影响。

谐波抑制的关键技术之一是无功和谐波电流的检测，对三相电路来说，具有公认的，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法。

然而，对单相电路，尽管有许多谐波检测方法，但都存在一些问题。比如采用固定频率滤波器的直接滤波法，存在较为严重的相移和频率漂移问题，且无法直接分离出畸变电流中的基波有功分量。基于FFT的采样数字计算方法，由于需要一定的采样计算时间，其检测速度慢、实时性差，无法满足实际要求。基于瞬时无功功率理论的三相电路谐波检测方法可以推广到单相电路，但由于要先虚拟构造出三相电路并要对畸变电流进行90°相移，所以实时性较差、电路结构复杂，不便于实现。因此，有必要找到一种电路结构简单、容易实现、实时性好的单相电路的谐波检测方法。

另外，由于并网逆变器主回路电力电子器件及驱动电路参数不一致性，导致逆变器输出电压含有直流分量。必须对该直流分量进行抑制，否则其注入电网会造成变电所变压器的工作点偏移，导致变压器饱和；增加电网电缆的腐蚀；导致高的初级电流峰值，可能烧毁输入保险，引起断电；甚至可以增加谐波分量。

现有一种可能的用于消除所述直流分量的方法，是在逆变器中加入一个隔直电容。由于该电容在50 Hz频率处必须呈现低阻抗，因此电容值会很大，从而增加系统成本。另一种抑制直流分量最简单的方法是在并网逆变器和电网之间连接一个工频变压器，但其体积大、功耗大、价格高。 

发明内容

本发明的目的是针对上述的背景技术中的不足，提供一种单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法，其以瞬时无功功率理论为基础，利用一种改进的直接单相变换方法，在实现并网逆变器有功电流、无功电流解耦控制的同时，实现对逆变器输出直流分量及指定的各次谐波的抑制，结构简单，易于实现，能有效改善电网电能质量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法，适用于依次连接有光伏阵列、用于DC/DC变换的Boost电路以及逆变器的光伏并网发电系统，对于其中所述逆变器，所述抑制方法包含以下步骤：

步骤1.　检测交流并网电压                                                ，计算得到其基准频率与相位值；

步骤2.　计算逆变器输出电流的参考值；

步骤3.　对逆变器输出的相电流信号进行单相变换，得到逆变器输出电流的实际值；

步骤4.　对逆变器输出电流的参考值与实际值的差值进行处理，得到瞬时基波电压的控制指令；

步骤5.　对逆变器指定谐波电流的给定参考值与实际值的差值进行处理，得到指定谐波的电压指令；

步骤6.　根据所述相电流信号计算得到直流分量检测值，对直流分量检测值与给定的直流抑制参考电流的差值进行处理，得到直流分量抑制电压指令；

步骤7.　将所述瞬时基波电压的控制指令、瞬时谐波电压控制指令、直流分量抑制电压指令相加后，处理得到用于所述逆变器的控制指令。

步骤1中所述基准频率与相位值，包含电网电压旋转角度；所述电网电压旋转角度是将所述交流并网电压，经过锁相环处理得到的。

步骤2中所述逆变器输出电流的参考值，包含有功电流指令；将直流母线给定参考值，减去所述逆变器输入端采样得到的母线电压，将该差值进行PI调节后得到所述有功电流指令。

步骤2中所述逆变器输出电流的参考值，还包含无功电流指令；所述无功电流指令，是通过偏移所述电网电压的基准频率作为并网电流的给定频率的反孤岛控制算法给出的。

所述步骤3中，包含根据步骤1中所述电网电压旋转角度，利用计算公式，，分离出实际输出的基波电流的有功直流分量和无功直流分量的步骤3.1；

以及，利用公式，，得到实际输出的n次谐波电流的有功直流分量和无功直流分量的步骤3.2。

所述步骤4中，还包含：

步骤4.1　将所述步骤2中的有功电流指令减去所述步骤3.1中的有功直流分量，将差值进行PI调节，输出有功电压指令；

步骤4.2　将所述无功电流指令减去所述无功直流分量，将差值进行PI调节，输出无功电压指令；

步骤4.3　将所述有功电压指令与的乘积，以及所述无功电压指令与的乘积相加，得到瞬时基波电压控制指令。

所述步骤5中，还包含：

步骤5.1　将所述步骤3.2中的所述有功直流分量，与给定参考值比较后，对差值进行PI调节，获得谐波的有功电压指令；

步骤5.2　将所述无功直流分量，与给定参考值比较后，对差值进行PI调节，获得谐波的无功电压指令；

步骤5.3　将所述谐波的有功电压指令与的乘积，与所述谐波的无功电压指令与的乘积相加，得到瞬时谐波电压控制指令。

步骤6中，将所述相电流信号在一个设定周期内累加后求平均值，得到所述直流分量检测值；将所述直流分量检测值与给定的直流抑制参考电流比较，对差值进行PI调节，得到所述直流分量抑制电压指令。

步骤7中，对所述瞬时基波电压的控制指令、瞬时谐波电压控制指令、直流分量抑制电压指令相加得到的最终调制信号进行PWM脉宽调制，生成用以驱动所述逆变器的若干开关器件的所述控制指令。

所述抑制方法，还包含控制所述Boost电路占空比的步骤：

使所述光伏阵列的输出电压和输出电流，经过最大功率跟踪算法处理后，产生电压指令；

将所述电压指令减去所述输出电压的差值进行PI调节，得到光伏阵列的输出电流指令；

将所述输出电流指令减去所述输出电流的差值进行PI调节，产生驱动Boost电路开关器件的PWM脉宽调制信号。

与现有技术相比，本发明所述单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法，其优点在于：本发明利用光伏并网发电系统中原有的电压电流检测装置及数字控制器，不需设置其他外围硬件电路，也不需要由单相变量虚构出三相变量，只需要在原有控制算法的基础上，增加了针对Boost电路及逆变器的2个补偿抑制环节，结构简单，实现了逆变器有功、无功电流的控制，指定谐波的消除，直流分量的抑制，能有效改善电网电能质量。

附图说明

图1是本发明单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法的控制原理拓扑图；

图2是本发明所述抑制方法中对于逆变器的输出电流谐波消除与直流分量抑制的控制原理图；

图3是通过本发明所述方法抑制后，在额定功率输出时逆变器的输出电流、电压实测波形；

图4是通过本发明所述方法抑制后，在额定功率输出时逆变器的输出电流谐波频谱波形。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明涉及一种单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法，适用于依次连接有光伏阵列100、用于DC/DC变换的Boost电路200以及逆变器300的光伏并网发电系统。

本发明所述抑制方法，利用光伏并网发电系统中还设有的电压电流检测装置及数字控制器，在原有控制算法的基础上，增加了针对Boost电路200及逆变器300的2个补偿抑制环节。

针对Boost电路200的抑制环节，需要控制其占空比，来获得稳定的中间电压。

具体地，基于TMS2812的DSP及FPGA的所述数字控制器，其主控制电路经过采样，获得所述光伏阵列100的输出电压和输出电流；所述输出电压和输出电流经过最大功率跟踪算法（MPPT）的实现模块10处理后，产生电压指令。

所述电压指令减去光伏阵列100的输出电压后，再经电压控制器21进行PI调节，得到光伏阵列100的输出电流指令。所述输出电流指令减去实际采样的所述输出电流后，经过电流控制器31的PI调节，产生驱动Boost电路200的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的PWM（脉宽调制）信号，即所述Boost电路200下一采样周期的占空比参考值。

配合参见图1、图2所示，针对所述逆变器300的抑制环节，需要实现其有功、无功电流的控制，指定谐波的消除，直流分量的抑制功能，具体包含以下步骤：

步骤1.　主控制电路采样交流并网电压，经过PLL锁相环40处理，得到电网电压旋转角度并输出至电流控制器32。

步骤2.　计算逆变器300的有功及无功电流的参考值。

在逆变器300的输入端采样得到母线电压。使直流母线给定参考值减去所述母线电压的差值，经过电压控制器22进行PI调节后，输出有功电流指令至电流控制器32。

由于PLL锁相环40的作用，使并网电流与电网电压同相同频，其功率因数控制为1，无功电流指令原本为0。但在本发明中，根据所述PLL锁相环40输出的电网电压基准频率，由反孤岛控制算法给出无功电流指令，并输出至所述电流控制器32；即通过偏移电网电压的基准频率作为并网电流的给定频率，当电网出现故障断电时，造成负载电压的频率扰动且很快超过频率保护的上、下限值，继而由频率保护电路控制，使并网发电系统与电网脱离。

步骤3.　计算逆变器300实际输出的有功及无功电流。

步骤3.1　基于瞬时无功功率理论，采集逆变器300输出的相电流信号进行单相变换，利用计算公式，，分离出实际输出的有功直流分量和无功直流分量。

步骤3.2　对于谐波电流，利用公式，，计算各次谐波的有功直流分量和无功直流分量。其中n代表谐波次数，此处以消除各次奇次谐波为目的，因此取n=3，5，9，11…。

步骤4.　计算瞬时基波电压的控制指令。

将步骤2获得的参考值，即有功电流指令、无功电流指令对应减去步骤3.1的有功直流分量和无功直流分量，将差值分别进行PI调节，对应输出有功电压指令和无功电压指令。将有功电压指令与的乘积，以及无功电压指令与的乘积相加，得到瞬时基波电压控制指令。

步骤5.　计算指定谐波的电压指令。

将步骤3.2中的有功直流分量和无功直流分量，与给定参考值0比较后，分别经过PI调节对应获得各次谐波的有功电压指令和无功电压指令；将谐波的有功电压指令与的乘积，与谐波的无功电压指令与的乘积相加，得到瞬时各次谐波电压控制指令。

步骤6.　计算直流分量抑制电压指令。

由于逆变器300的电流传感器有一定的零点漂移，即输入一个上下对称的正弦波时，其输出信号有一个直流偏置。为此在逆变器300并网运行之前，需要对电流传感器进行校准，即当电流为零时，将所测得的电流作为直流初始偏置值，之后所有测得的电流均需减去此偏置值，以消除由于传感器所造成的直流分量输出。

将步骤3.1中采集的相电流信号，在一个50Hz周期内累加后求平均值，得到直流分量检测值，其与给定值为0的直流抑制参考电流比较的差值，经过PI调节后，得到对应的直流分量抑制电压指令。

步骤7.　获得逆变器的驱动控制指令。

将步骤4、5、6得到的所述瞬时基波电压的控制指令、瞬时谐波电压控制指令、直流分量抑制电压指令相加得到最终调制信号，并以此为基础进行PWM脉宽调制，用以驱动逆变器300回路的IGBT开关器件。

以下是本发明所述单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法的具体实施例：

该光伏并网发电系统，包含光伏阵列，DC/DC变换的Boost电路，单相H桥逆变电路，电流电压检测装置以及由DSP2812和FPGA组成的数字控制器等部分。最大输出功率3.6kw，Boost电路开关频率为18kHz，逆变电路开关频率为16kHz，直流母线电压为500V，最大直流母线电压625V。输出电压为交流240V，最大输出电流15A。光伏阵列的电池电压容许范围：180V～600V。最大功率跟踪算法（MPPT）的跟踪电压范围：100～500V。

系统的光伏阵列输出电压和输出电流，逆变器输出电压，输出电流，经由VCO芯片将模拟量转化为高频数字信号，以占空比的形式表示模拟量大小，由FPGA转化成相应数字量，并传递给DSP2812进行信号处理，根据本发明前述的控制算法，计算出IGBT的开通关断时序，并将其传递给FPGA转化成IGBT的驱动信号，控制Boost电路的IGBT驱动信号和单相H桥逆变电路。

图3是在额定输出功率为3.6 kw时，光伏并网逆变器输出电流、电压的实测波形，实测电流波形的直流分量为5.1mA。图4为在额定功率输出时逆变器输出电流谐波频谱波形，频谱中不存在3次、5次、7次和9次谐波，11次谐波含量为0.22A。

可见，本发明所述单相并网光伏逆变器输出谐波及直流分量的抑制方法，利用光伏并网发电系统中原有的电压电流检测装置及数字控制器，不需设置其他外围硬件电路，也不需要由单相变量虚构出三相变量，只需要在原有控制算法的基础上，增加了针对Boost电路及逆变器的2个补偿抑制环节，结构简单，实现了逆变器有功、无功电流的控制，指定谐波的消除，直流分量的抑制，能有效改善电网电能质量。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。