單相光伏并網(wǎng)逆變器100 Hz振蕩的分析與抑制

摘要：在單相兩級式光伏并網(wǎng)逆變器中，輸入和輸出瞬時(shí)功率的不平衡導致母線(xiàn)電壓振蕩，進(jìn)而導致光伏電池工作點(diǎn)振蕩，影響系統性能。對母線(xiàn)電壓振蕩產(chǎn)生原因及其對電池板工作狀態(tài)的影響進(jìn)行分析，提出一種簡(jiǎn)單有效的抑制光伏逆變器振蕩的分段補償算法。該算法通過(guò)在最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制器輸出占空比的基礎上前饋補償一個(gè)附加占空比來(lái)實(shí)現。在3 kW光伏逆變系統上進(jìn)行實(shí)驗，結果驗證了該算法的有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；光伏并網(wǎng)；振蕩；前饋控制

1 引言
光伏并網(wǎng)逆變器各拓撲中，單相兩級式結構控制算法簡(jiǎn)單、無(wú)需電力變壓器，在1．5～3 kW功率等級中應用廣泛。穩定運行時(shí)，光伏系統輸入功率基本恒定，而輸出瞬時(shí)功率呈兩倍工頻正弦變化，故在功率傳遞過(guò)程中，輸入和輸出瞬時(shí)功率不平衡。母線(xiàn)電容在緩沖此不平衡時(shí)，母線(xiàn)電壓存在兩倍工頻振蕩，其振蕩通過(guò)Boost電路傳播，最終造成光伏電池板輸入電壓和電流也以?xún)杀豆ゎl振蕩，從而導致：①電池板工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩，浪費了部分能量；②基于擾動(dòng)方法的MPPT控制器可能產(chǎn)生誤判。針對母線(xiàn)電壓振蕩影響系統效率這個(gè)問(wèn)題，提出很多解決方法，但均存在不足。
這里在分析母線(xiàn)電壓振蕩產(chǎn)生原因及其對電池板工作狀態(tài)影響的基礎上，提出一種簡(jiǎn)單，無(wú)需增加任何硬件成本的分段抑制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

2 主電路拓撲
圖1為典型3 kW單相兩級式并網(wǎng)逆變器拓撲。

前級Boost環(huán)節實(shí)現升壓和MPPT，后級全橋逆變電路產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦交流電，將能量注入到電網(wǎng)上。

3 母線(xiàn)電壓振蕩及其對輸入電壓的影響
考慮光伏并網(wǎng)逆變系統并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數為1，則注入電網(wǎng)的瞬時(shí)功率為：
pg(t)=ug(t)ig(t)=IgUg[1-cos(2ωt)] (1)
式中：Ig為并網(wǎng)電流有效值；Ug為電網(wǎng)電壓有效值。
由式(1)可見(jiàn)，單相全橋逆變電路將能量注入到電網(wǎng)時(shí)，系統輸出功率呈兩倍工頻變化。
當系統穩定運行時(shí)，輸入平均功率與輸出平均功率相等。輸入電壓振蕩對系統輸入功率影響較小，可認為輸入功率基本為定值，則有：
Pin=Pg=IgUg (2)
功率在傳遞過(guò)程中的不平衡通過(guò)電容來(lái)緩沖：當輸入功率大于輸出功率時(shí)，電容充電，端電壓升高；當輸入功率小于輸出功率時(shí)，電容放電，端電壓降低。分析電容上需要緩沖的能量，可得：
△p(t)=Pin-pg(t)，△p(t)=udc(t)Cbdudc(t)／dt (3)
綜合式(1)～(3)可得，母線(xiàn)電壓分為平均值和波動(dòng)量?jì)刹糠?，即?br />
由式(4)中第2式可見(jiàn)，對于單相雙級式并網(wǎng)逆變器，其母線(xiàn)電壓必然存在兩倍工頻振蕩。