三相光伏并网逆变器直流注入抑制策略

摘要：与单相系统不同，三相光伏系统中任意一相直流注入将会引发其他相电流中出现直流分量。为了解决该问题．探讨了基于虚拟电容的同步旋转坐标系控制方案，并进行了理论分析。在此基础上，提出一种基于虚拟电容解耦的同步旋转坐标系控制方案，实现了直流注入的有效抑制。为进～步简化控制结构，提出一种坐标系控制方案，不仅便于工程实现，还可有效抑制直流注入。最后通过仿真和实验验证了所提方案的有效性。
关键词：逆变器；光伏并网；直流注入；虚拟电容

1 引言
近年来，世界范围的光伏发电得到了迅速的发展和应用。1999～2011年间，光伏发电系统容量快速增长，其中以并网型光伏系统为主。为了提高并网型光伏系统效率，可采用无变压器非隔离系统结构，然而该方案容易引发光伏系统直流注入问题。就目前来看，直流注入抑制方法可分为直接法和间接法两大类。文献提出一种基于虚拟电容概念的单相光伏并网逆变器直流注入控制方法，只需修改软件控制程序，无需安装额外电容，降低了系统成本，提高了系统可靠性。值得注意，上述研究均针对单相光伏系统，而对于三相光伏系统的直流注入抑制问题目前未见文献报道。
在此通过分析发现，三相中任意一相电流中的直流注入将会导致其他相电流中出现直流分量，为了消除三相并网电流中的直流分量，探讨了3种控制方案，并进行了仿真和实验研究。

2 系统控制方案
图1示出典型的三相光伏并网逆变器原理，其中直流母线电压Ud由光伏电池经过DC／DC升压提供，ua，ub，uc为三相桥臂端电压，ea，eb，ec为三相电网电压。电感L用于滤除开关谐波，通过适当控制使并网逆变器输出与电网电压同频同相的正弦波，实现单位功率因数并网运行。

与单相光伏系统不同，三相光伏系统中任意一相电流中的直流注入将会导致其他相电流中出现直流分量。为了阐述其原理，将图1进行简化可得图2所示直流注入原理图。

由图可见，若a相并网电流中含有直流分量，根据电路原理可知b，c相电流中将出现直流分量。当三相电感值相同时，b，c相中的直流分量是a相直流分量的1／2。为了消除三相并网电流中的直流分量，首先探讨虚拟电容控制策略的可行性。与单相光伏系统不同，三相光伏系统通常采用同步旋转坐标系PI控制。引入单相系统虚拟电容控制策略后的控制框图(方案1)如图3所示，然而，该方案无法有效抑制直流注入。其原因是，同步旋转坐标系下电容将出现耦合项ωC，若要实现三相系统虚拟电容概念，必须考虑ωC。

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为此，提出一种基于虚拟电容解耦的同步旋转坐标系控制策略(方案2)，如图4a所示。由于考虑了ωC，因此直流抑制效果得到明显改善。然而，该方案较为复杂，不利于工程实现。为了进一步简化控制方案，提出一种基于虚拟电容的α，β坐标系控制策略(方案3)，如图4b所示。该控制方案无需同步旋转坐标变化，且无需考虑耦合项，实现较为简单。

3 仿真研究
为了验证理论分析和控制方案的正确性，在Matlab／Simulink环境下进行时域仿真研究。系统参数设置：电网电压380 V／50 Hz，直流母线电压700 V，系统开关频率16 kHz，滤波电感6 mH，并网电流幅值10 A，虚拟电容值500μF，在a相参考电流中加入1 A直流，仿真结果如图5所示。

由图5a可见，与理论分析一致，a相中直流注入引发b，c相并网电流中出现直流分量。由图5b可见，将单相光伏系统虚拟电容概念直接引入后，直流注入现象依然存在。由图5c可见，采用提出的基于虚拟电容的解耦控制方案后，初始时刻并网电流中存在一定的直流分量，经闭环调节40 ms后直流注入得到有效抑制。由图5d可见，采用提出的α，β坐标系控制方案后，稳态时并网电流中不含直流分量，从而实现了有效的直流注入抑制。
对3种控制方案进行性能对比，方案2，3的直流抑制能力能力好，方案1的直流抑制能力差；方案1，2控制结构复杂，方案3控制结构简单。结果表明，方案3不仅控制结构简单易于实现，同时具有较好的直流注入抑制能力。

4 实验结果
对方案3的有效性进行实验验证，系统主电路如图1所示，其中直流侧电压250 V由直流稳压电源提供，交流侧通过3 kVA变压器接至三相
电网，变压器变比为380：120，滤波电感3 mH，开关频率10 kHz，并网电流幅值5 A，虚拟电容值500μF，在a相参考电流中加入1 A直流分量，系统控制策略采用TMS320F2812型DSP实现，DSP工作频率150 MHz。

图6示出实验结果，与理论分析一致，a相中1 A直流注入将导致b，c相并网电流中分别出现0．5 A的直流分量，如图6a所示。采用所提出的控制方案3后的实验结果如图6b所示，可见，稳态时并网电流中基本不含直流分量，从而实现了直流注入的有效抑制。

5 结论
针对直流注入抑制问题，通过理论分析、仿真和实验得出结论：①与单相光伏系统不同，三相光伏系统中任意一相直流注入将会引发其他相电流中出现直流分量；②将单相系统虚拟电容控制策略直接引入三相同步旋转坐标系控制系统并不能有效抑制直流注入；③基于虚拟电容解耦的同步转坐标系控制方案可以有效抑制直流注入，但控制结构较为复杂；④基于虚拟电容的α，β坐标系控制方案不仅可以实现直流注入的有效抑制，还具有原理简单、易于实现等特点，具有一定工程应用价值。