隨著非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的廣泛應(yīng)用,直流注入問題也日益受到重視,IEEE Std 929-2000規(guī)定直流注入必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%。將直流注入產(chǎn)生的原因分為兩種類型:測(cè)量器件輸入失調(diào)導(dǎo)致的平移型直流注入和測(cè)量器件的非線性造成的非線性直流注入,并分別提出了應(yīng)對(duì)方法。針對(duì)平移型的直流注入問題,提出了通過一個(gè)直流分量積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)來抑制逆變器控制算法中偏移型直流分量,該直流抑制算法無需增加外圍硬件電路,且只占用很少的控制芯片資源。針對(duì)非線性直流注入問題,做出了定量分析,為測(cè)量元器件非線性度指標(biāo)的選擇提供了的參考價(jià)值。最后將上述直流抑制算法應(yīng)用于無差拍并網(wǎng)控制中,并在Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和算法的正確性。
嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和生態(tài)環(huán)境的壓力要求各國(guó)大力開發(fā)利用可持續(xù)的清潔能源。太陽(yáng)能在眾多利用形式中具有環(huán)保清潔、蘊(yùn)藏豐富、分布廣等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為當(dāng)前世界上可再生能源的重要組成部分。世界各國(guó)紛紛投資研發(fā),大力拓展光伏發(fā)電市場(chǎng),促進(jìn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步提高,使其成為當(dāng)前最具發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一?;谥袊?guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要,中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”目標(biāo)已進(jìn)行新的調(diào)整,從之前公布的光伏發(fā)電裝機(jī)容量21 GW,擴(kuò)大到35 GW。國(guó)家還將出臺(tái)對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)在上網(wǎng)、補(bǔ)貼等方面的支持政策。光伏發(fā)電將成為未來的替代能源之一,建設(shè)大規(guī)模的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是必然的選擇。
非隔離型的光伏并網(wǎng)逆變器由于其省去了工頻變壓器而具有重量輕、效率高、體積小、成本低等優(yōu)勢(shì),成為光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)展的主流方向。由于沒有低頻或者高頻的隔離變壓器,非隔離型的光伏并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵性技術(shù)之一是并網(wǎng)直流電流的抑制。并網(wǎng)逆變器控制電路中測(cè)量元器件存在零點(diǎn)漂移、器件本身的非線性特性,開關(guān)管本身及驅(qū)動(dòng)電路不一致等問題,造成了逆變器輸出電流中產(chǎn)生直流分量。電力系統(tǒng)不允許將有較大輸出直流分量的逆變器連接到電網(wǎng)上,因?yàn)樽⑷腚娋W(wǎng)直流分量會(huì)使變電站變壓器工作點(diǎn)偏移,導(dǎo)致變壓器飽和;增加電網(wǎng)電纜的腐蝕;導(dǎo)致較高的初級(jí)電流峰值,可能燒毀輸入保險(xiǎn),引起斷電;甚至可能增加諧波分量。IEEE Std 929-2000中規(guī)定光伏系統(tǒng)并網(wǎng)電流中直流分量必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%。因此,研究光伏并網(wǎng)直流注入問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本文主要詳細(xì)分析了單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生直流分量注入的原因,針對(duì)偏移型直流注入提出一種通過積分補(bǔ)償環(huán)節(jié)有效抑制并網(wǎng)直流注入的算法,并將其應(yīng)用到無差拍電流控制逆變器中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)并網(wǎng)偏移型直流分量進(jìn)行抑制。針對(duì)非線性直流注入問題,定量的分析了測(cè)量元器件的非線性對(duì)并網(wǎng)電流直流分量注入的影響,為選擇測(cè)量元器件非線性參數(shù)的考慮提供了參考。
1 非線性直流分量產(chǎn)生的原因及抑制方法
1.1 非線性直流分量產(chǎn)生的原因
光伏并網(wǎng)算法的完成需要實(shí)時(shí)采樣并網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓等正弦量,然而采樣所用到的霍爾電流電壓互感器、后級(jí)的模擬放大電路都存在一定的非線性特性,輸出與輸入信號(hào)之間的關(guān)系不是一條具有固定斜率的直線。對(duì)于輸入的正弦波形,輸入信號(hào)幅度不同時(shí),放大倍數(shù)會(huì)不同,這將導(dǎo)致所測(cè)量的正弦波形發(fā)生畸變,產(chǎn)生直流分量。
1.2 測(cè)量器件非線性度帶來直流分量的定量分析
非線性原因?qū)е铝四孀兤鬏敵鲋写嬖谥绷麟娏?,若不采取適當(dāng)措施,該直流電流將注入電網(wǎng),引起電網(wǎng)的直流注入問題。針對(duì)非線性的直流注入問題,往往需要根據(jù)非線性特性方程來補(bǔ)償非線性,但這個(gè)特性廠家一般不提供,而只給出非線性度指標(biāo)。采用輸入/輸出的特性曲線與理想曲線的最大偏差為ΔYi(max),用Δi(max)/|Y|來度量元器件的非線性度。
本文結(jié)合無差拍控制算法,對(duì)元器件的非線性度進(jìn)行擬合仿真,并研究了測(cè)量電路非線性度對(duì)輸出直流分量的影響。搭建并網(wǎng)額定電流為16 A基于無差拍控制的逆變器,主要研究測(cè)量電路非線性度的大小對(duì)直流分量注入的影響,采用二次曲線擬合元器件的非線性度的大小,由于實(shí)際設(shè)計(jì)測(cè)量電路時(shí),測(cè)量電流與電壓的元器件往往采用一個(gè)公司的產(chǎn)品,這里假設(shè)測(cè)量電流與電壓的電路具有同樣的非線性特性。測(cè)量結(jié)果見表1。
從表中可以看出,隨著元器件非線性度的增大,輸出直流分量的大小也隨之增加。IEEE Std 929-2000規(guī)定直流注入必須小于系統(tǒng)額定電流的0.5%,當(dāng)測(cè)量元器件的非線性度小于0.3%時(shí)可以基本滿足IEEE Std 929-2000的規(guī)定。
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2 偏移型直流分量產(chǎn)生的原因及抑制方法
2.1 偏移型直流分量產(chǎn)生的原因
并網(wǎng)逆變器控制電路中一般都需要測(cè)量電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流等參數(shù),所用測(cè)量元器件往往存在輸入失調(diào)的問題,導(dǎo)致了所測(cè)量的正弦波形整體向上或者向下偏移。結(jié)果是:由于測(cè)量產(chǎn)生的直流分量將被帶入到逆變器的控制算法中,將引起控制器的誤差,最終使逆變器的并網(wǎng)電流中含有直流分量。
圖2為針對(duì)偏移型直流注入的原理分析,圖2(a)中曲線2為某測(cè)量電路所用放大器的理想特性曲線,由于其存在輸入失調(diào),實(shí)際的特性曲線為圖2(a)中曲線1,較之于理想特性曲線向上偏移100 mV。若需要采樣的波形如圖2(b),(c)中曲線1與曲線2分別表示為理想輸出波形與考慮輸入失調(diào)后的實(shí)際輸出波形,測(cè)量元器件的輸入失調(diào)造成采樣得到的正弦波整體上移。
2.2 偏移型直流分量抑制的方法
2.2.1 無差拍控制原理
光伏發(fā)電容易受到外界環(huán)境如光照、溫度等影響,要求逆變并網(wǎng)電流控制技術(shù)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。無差拍控制是一種數(shù)字化的控制方法,其優(yōu)勢(shì)就在于良好的動(dòng)態(tài)性能,控制過程無過沖,具有非??斓臅簯B(tài)響應(yīng)。
圖3為無差拍電流控制原理圖,DC為光伏電池輸出經(jīng)過BOOST 升壓電路得到的直流電壓,其值約為380 V。VT1~VT4組成全橋逆變器完成將光伏電池輸出的能量傳送到電網(wǎng)的任務(wù)。L 和C 組成一個(gè)濾波器,主要用于濾除由于開關(guān)管高頻通斷而產(chǎn)生的諧波電流的注入,R 為線路的等效電阻。由于電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定,控制逆變器輸出的電流與電網(wǎng)電壓同相位,即其功率因素為1,即能完成最大效率的輸送。
2.2.2 偏移型直流分量抑制算法
無差拍控制的思路是根據(jù)當(dāng)前采樣周期電路的狀態(tài)來預(yù)測(cè)下一周期開關(guān)器件的占空比,從而產(chǎn)生PWM波控制開關(guān)管的通斷,為了解決由于測(cè)量元器件的零點(diǎn)漂移所帶來的偏移型直流注入問題,如式(1)所示在電流控制環(huán)節(jié)加入一個(gè)電流補(bǔ)償KI×Iε,每個(gè)正弦波周期對(duì)注入的直流分量進(jìn)行抑制,直到Iε =0 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),實(shí)驗(yàn)證明該方法簡(jiǎn)單有效,具有很好的暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng): 式中:為電網(wǎng)電壓在第k +1 次采樣周期的平均值;TS 為功率器件的開關(guān)周期;N 為每個(gè)周期的采樣次數(shù);iL (k) 為第k 次周期電感電流的采樣值;iref(k +1) 為電感電流在第k +1周期的參考值;udc 為升壓級(jí)輸出的直流電壓。
iε =iL(i) +iL(i +1) +…+iL(i +20) +iL(N -i -20) +…+iL(N -i) (3
)
如果iL(i)中不含直流分量,由圖4 可知:iL(i) =-iL(N -i -20) ,iL(i +1) =-iL(N -i -19)…iL(i +20) =-iL(N -i) 帶入式(3)即得iε =0 。當(dāng)iL(t) 中含有直流分量idc 時(shí),iε≠ 0 ,其值的大小代表iL(t)中含直流分量的多少,iε(t)的值越大說明所含直流分量的值也越大。在無差拍電流控制環(huán)中,將iε(t)乘上一個(gè)比例系數(shù)KI作為一個(gè)負(fù)反饋補(bǔ)償。KI的大小與電路結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系,需要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)?shù)倪x擇KI,以實(shí)現(xiàn)快速且穩(wěn)定的直流抑制。
2.2.3 仿真分析
為了驗(yàn)證理論分析和直流抑制控制方法的有效性,在Matlab/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行時(shí)域仿真,圖5為時(shí)域仿真搭建的電路模型。
圖8為并網(wǎng)電壓與電流的仿真波形,可以看出基于無差拍控制算法下所補(bǔ)償?shù)闹绷饕种骗h(huán)節(jié)達(dá)到了很好的效果,且不影響無差拍控制本身良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性