单相光伏并网逆变器100 Hz振荡的分析与抑制

摘要：在单相两级式光伏并网逆变器中，输入和输出瞬时功率的不平衡导致母线电压振荡，进而导致光伏电池工作点振荡，影响系统性能。对母线电压振荡产生原因及其对电池板工作状态的影响进行分析，提出一种简单有效的抑制光伏逆变器振荡的分段补偿算法。该算法通过在最大功率点跟踪(MPPT)控制器输出占空比的基础上前馈补偿一个附加占空比来实现。在3 kW光伏逆变系统上进行实验，结果验证了该算法的有效性。
关键词：逆变器；光伏并网；振荡；前馈控制

1 引言
光伏并网逆变器各拓扑中，单相两级式结构控制算法简单、无需电力变压器，在1．5～3 kW功率等级中应用广泛。稳定运行时，光伏系统输入功率基本恒定，而输出瞬时功率呈两倍工频正弦变化，故在功率传递过程中，输入和输出瞬时功率不平衡。母线电容在缓冲此不平衡时，母线电压存在两倍工频振荡，其振荡通过Boost电路传播，最终造成光伏电池板输入电压和电流也以两倍工频振荡，从而导致：①电池板工作点在最大功率点附近振荡，浪费了部分能量；②基于扰动方法的MPPT控制器可能产生误判。针对母线电压振荡影响系统效率这个问题，提出很多解决方法，但均存在不足。
这里在分析母线电压振荡产生原因及其对电池板工作状态影响的基础上，提出一种简单，无需增加任何硬件成本的分段抑制方法，并进行了实验验证。

2 主电路拓扑
图1为典型3 kW单相两级式并网逆变器拓扑。

前级Boost环节实现升压和MPPT，后级全桥逆变电路产生与电网电压同频同相的正弦交流电，将能量注入到电网上。

3 母线电压振荡及其对输入电压的影响
考虑光伏并网逆变系统并网电流与电网电压同频同相，功率因数为1，则注入电网的瞬时功率为：
pg(t)=ug(t)ig(t)=IgUg[1-cos(2ωt)] (1)
式中：Ig为并网电流有效值；Ug为电网电压有效值。
由式(1)可见，单相全桥逆变电路将能量注入到电网时，系统输出功率呈两倍工频变化。
当系统稳定运行时，输入平均功率与输出平均功率相等。输入电压振荡对系统输入功率影响较小，可认为输入功率基本为定值，则有：
Pin=Pg=IgUg (2)
功率在传递过程中的不平衡通过电容来缓冲：当输入功率大于输出功率时，电容充电，端电压升高；当输入功率小于输出功率时，电容放电，端电压降低。分析电容上需要缓冲的能量，可得：
△p(t)=Pin-pg(t)，△p(t)=udc(t)Cbdudc(t)／dt (3)
综合式(1)～(3)可得，母线电压分为平均值和波动量两部分，即：

由式(4)中第2式可见，对于单相双级式并网逆变器，其母线电压必然存在两倍工频振荡。[p]
两级式光伏逆变系统中，DC／AC级是DC／DC级的负载，母线电压的振荡即为Boost电路负载的振荡。当电感电流连续时，母线电压udc(t)与电池电压upv(t)的关系可表示为：
udc(t)=upv(t)／(1-D) (5)
当电感电流断续时，udc(t)与upv(t)的关系为：
udc(t)=(D+△)upv(t)／△ (6)
式中：D为Boost电路占空比；△为电流断续时电感电流的下降时间。
可见，udc(t)振荡时，输入电压也存在振荡，从而电池板运行工作点也是振荡的，会影响光伏系统性能。图2为光伏逆变系统中100 Hz振荡示意图。

[p]
4 抑制策略
要抑制母线电压振荡对系统DC／DC级的影响，可采用如图3所示前馈补偿算法，在开关管占空比D上增加一个分量来实现，即：
D=D0+△D (7)
式中：D0为MPPT控制器输出占空比；△D为补偿占空比。

若能使以下两种情况：①假定母线电压不存在振荡时；②实际系统中母线电压振荡时，加入补偿后电池板运行工作点一致，则说明补偿算法达到了预期目标，消除了母线电压振荡对电池板运行工作点的影响。以电感电流为中间变量，分电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)来寻找合适的方法使情况①，②电池板电压、电感电流相同，则保证了电池板运行工作点一致。
(1)CCM在一个Boost控制周期T内分析电感。情况①时D无补偿，电感电流的增量为：


5 实验
在3 kW光伏逆变器上进行实验。由于实验条件受限，输入功率小，在此次实验验证中经1：3隔离变压器升压后并入电网。采用逆变电压环控制，控制芯片为dsPIC33F506，母线电容、输入电容、Boost电感、滤波电感、DC／DC和DC／AC控制频率一致，MPPT采用扰动观测法。[p]
图4a，b为CCM下补偿前后母线电压振荡、电池电压振荡和电感电流iL波形。补偿前幅值约为9 V，振荡频率100 Hz，iL连续，并以100 Hz波动。补偿后，幅值减小到1 V左右，和iL振荡得到明显抑制，光伏电池板工作点稳定。图4c，d为补偿前后系统输入功率pin和upv，ipv波形。补偿前pin存在约30W损失，平均输入功率约为840 W，补偿后pin基本无波动，平均功率约为870 W，提高了3．4％。

图5a，b为DCM下补偿前后，和iL。补偿前幅值约为4V，iL断续，存在100Hz振荡。补偿后幅值减小到1 V，和iL振荡得到抑制，光伏电池工作点较稳定。图5c，d为补偿前后pin，upv，ipv。补偿前pin存在约15 W的损失，平均功率约为460 W，补偿后pin基本无波动，平均功率约为473W，输入功率提高了2．2％。

6 结论
分析了单相两级式光伏并网逆变器在功率传递过程中瞬时功率不平衡对母线电压的影响，以及母线电压振荡造成的光伏电池电压和电流振荡，提出抑制光伏电池工作点振荡的分段补偿算法。实验结果表明该算法简单有效，提高了系统效率。