通过积分补偿环节抑制单相光伏并网系统产生的DC分量

随着非隔离光伏并网逆变器的广泛应用，DC注入越来越受到重视。IEEEStd929-2000规定DC注入必须小于系统额定电流的0.5%。DC注入的原因可分为两种：测量装置输入不平衡引起的平移DC注入和测量装置非线性引起的非线性DC注入，并分别提出了对策。为了解决平移DC注入问题，提出了一种DC分量积分补偿环节来抑制逆变器控制算法中的偏移DC分量。DC抑制算法不需要增加外围硬件电路，只占用少量控制芯片资源。针对非线性DC注入问题进行了定量分析，为测量元件非线性指标的选择提供了参考值。最后，将上述DC抑制算法应用于无差拍并网控制，并在Matlab/Simulink中进行仿真分析，结果验证了理论分析和算法的正确性。

严峻的能源形势和生态环境压力要求各国大力开发和利用可持续的清洁能源。太阳能具有环保、清洁、储量丰富、分布广泛等优点，已成为世界可再生能源的重要组成部分。世界各国纷纷投资R&D，大力拓展光伏发电市场，推动光伏并网发电技术的进一步完善，使其成为目前最有前景的新能源技术之一。基于中国光伏产业发展的需要，中国光伏产业发展“十二五”规划进行了新的调整，由此前公布的光伏发电装机容量21GW调整为35GW。国家还将在互联网接入和补贴方面出台光伏产业扶持政策。光伏发电将成为未来替代能源之一，建设大规模并网光伏系统是必然选择。

非隔离光伏并网逆变器由于省略了工频变压器，具有重量轻、效率高、体积小、成本低的优点，已成为光伏并网逆变器发展的主流方向。由于没有低频或高频隔离变压器，非隔离光伏并网逆变器的关键技术之一是抑制并网DC电流。并网逆变器的控制电路存在零点漂移、器件本身非线性、开关管本身与驱动电路不一致等问题。这会导致逆变器输出电流中的DC分量。电力系统不允许输出DC分量大的逆变器接入电网，因为向电网注入DC分量会抵消变电站中变压器的工作点，导致变压器饱和；增加电网电缆的腐蚀；导致较高的一次电流峰值，可能烧坏输入保险，造成停电；甚至可能增加谐波成分。根据IEEE标准929-2000，光伏系统并网电流的DC分量必须小于系统额定电流的0.5%。因此，研究光伏并网的DC注入问题具有重要的现实意义。

本文详细分析了单相光伏并网系统中DC分量注入的原因，提出了一种通过积分补偿有效抑制并网DC注入的算法，并将其应用于无差拍电流控制逆变器，抑制并网偏移DC分量。针对非线性DC注入问题，定量分析了测量元件的非线性对并网电流DC分量注入的影响，为选择测量元件的非线性参数提供了参考。

1非线性DC分量的成因及抑制方法

1.1非线性DC分量的成因

光伏并网算法的完成需要对并网电流、电网电压等正弦量进行实时采样。然而，霍尔电流-电压变压器和

图1是部件的非线性DC注入的原理分析。图1(a)中的曲线2是测量电路中使用的放大器的理想特性曲线。由于其非线性特性，实际的特性曲线是图1(a)中的曲线1，不同幅度的输入信号的放大倍数也不同。如果要采样的波形如图1(b)所示，则考虑器件非线性后，图1(c)中的曲线2和曲线1分别表示为理想输出波形和实际输出波形。测量分量的非线性导致输出信号Zi变成一个大上小下的失真波形，从而导致DC分量的注入。

1.2测量装置非线性引起的DC分量的定量分析

非线性原因导致逆变器输出中存在DC电流。如果不采取适当措施，DC电流将注入电网，造成电网DC注入问题。对于非线性DC注入问题，往往需要根据非线性特征方程对非线性进行补偿，但这个特征一般不是厂家提供的，只给出非线性指标。输入/输出特性曲线与理想曲线的最大偏差为Yi(max)， I (max)/| y |用于测量元件的非线性。

本文采用无差拍控制算法对元件的非线性进行了仿真，研究了测量电路的非线性对输出DC元件的影响。搭建了额定电流为16A的基于无差拍控制的逆变器。主要研究测量电路的非线性对DC分量注入的影响，用二次曲线拟合分量的非线性。由于测量电流和电压的元件通常由一家公司在设计测量电路时制造，因此假设测量电流和电压的电路具有相同的非线性特性。测量结果如表1所示。

图1测量分量的非线性DC分量的产生

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从表中可以看出，随着元器件非线性度的增大，输出直流分量的大小也随之增加。IEEEStd929-2000规定直流注入必须小于系统额定电流的0.5%，当测量元器件的非线性度小于0.3%时可以基本满足IEEEStd929-2000的规定。

2偏移型直流分量产生的原因及抑制方法

2.1偏移型直流分量产生的原因

并网逆变器控制电路中一般都需要测量电网电压、并网电流等参数，所用测量元器件往往存在输入失调的问题，导致了所测量的正弦波形整体向上或者向下偏移。结果是：由于测量产生的直流分量将被带入到逆变器的控制算法中，将引起控制器的误差，最终使逆变器的并网电流中含有直流分量。

图2为针对偏移型直流注入的原理分析，图2（a）中曲线2为某测量电路所用放大器的理想特性曲线，由于其存在输入失调，实际的特性曲线为图2（a）中曲线1，较之于理想特性曲线向上偏移100mV。若需要采样的波形如图2（b），（c）中曲线1与曲线2分别表示为理想输出波形与考虑输入失调后的实际输出波形，测量元器件的输入失调造成采样得到的正弦波整体上移。

图2测量元器件偏移型直流分量的产生

光伏并网算法的采样电路中放大器存在输入失调，如图2（b）中所示。本文结合无差拍控制算法，对偏移型直流注入进行仿真分析，定量的研究了元器件输出失调产生的直流分量。搭建并网额定电流为16A基于无差拍控制的逆变器，主要研究测量并网电流与电网电压的元器件失调大小对直流分量注入的影响。实际设计测量电路时，测量电流与电压的元器件往往采用一个公司的产品，这里假设测量电流与电压的电路具有同样的输出失调。得到的测量结果如表2所示。

从表2中可以看出，随着元器件输入失调的增大，输出直流分量的大小也随之增加。当测量元器件的输出失调小于10mV/5V时，直流分量的注入小于0.5%。为了解决由于元器件偏移型直流分量的注入，提出一个积分补偿环节来抑制直流注入，这里以无差拍控制为例介绍该方法。

2.2偏移型直流分量抑制的方法

2.2.1无差拍控制原理

光伏发电容易受到外界环境如光照、温度等影响，要求逆变并网电流控制技术具有良好的动态响应性能。无差拍控制是一种数字化的控制方法，其优势就在于良好的动态性能，控制过程无过冲，具有非常快的暂态响应。

图3为无差拍电流控制原理图，DC为光伏电池输出经过BOOST升压电路得到的直流电压，其值约为380V。VT1～VT4组成全桥逆变器完成将光伏电池输出的能量传送到电网的任务。L和C组成一个滤波器，主要用于滤除由于开关管高频通断而产生的谐波电流的注入，R为线路的等效电阻。由于电网电压在一定范围内稳定，控制逆变器输出的电流与电网电压同相位，即其功率因素为1，即能完成最大效率的输送。

图3无差拍电流控制原理图

2.2.2偏移型直流分量抑制算法

无差拍控制的思路是根据当前采样周期电路的状态来预测下一周期开关器件的占空比，从而产生PWM波控制开关管的通断，为了解决由于测量元器件的零点漂移所带来的偏移型直流注入问题，如式（1）所示在电流控制环节加入一个电流补偿KI×Iε，每个正弦波周期对注入的直流分量进行抑制，直到Iε=0达到稳定状态，实验证明该方法简单有效，具有很好的暂态响应和稳态响应：

式中：

为电网电压在第k+1次采样周期的平均值；TS为功率器件的开关周期；N为每个周期的采样次数；iL（k）为第k次周期电感电流的采样值；iref（k+1）为电感电流在第k+1周期的参考值；udc为升压级输出的直流电压。

图4一个周期内的电流波形

假设图4为一个周期内滤波电感电流的理想波形，周期为T，每周期采样次数为N，该直流抑制算法只需要对称提取靠近峰值附近大约20个点（N=200时），如图4中灰线条所框起来的部分：

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，由图4可知：iL（i）=-iL（N-i-20），iL（i+1）=-iL（N-i-19）…iL（i+20）=-iL（N-i）带入式（3）即得iε=0。当iL（t）中含有直流分量idc时，iε≠0，其值的大小代表iL（t）中含直流分量的多少，iε（t）的值越大说明所含直流分量的值也越大。在无差拍电流控制环中，将iε（t）乘上一个比例系数KI作为一个负反馈补偿。KI的大小与电路结构有着密切的关系，需要根据实际情况恰当的选择KI，以实现快速且稳定的直流抑制。

2.2.3仿真分析

为了验证理论分析和直流抑制控制方法的有效性，在Matlab/Simulink环境下进行时域仿真，图5为时域仿真搭建的电路模型。

图5基于无差拍直流抑制控制方法仿真时域模型

直流母线电压为380V，系统开关频率设置为10kHz，滤波电感40mH，滤波电容850μF，并网电流幅值为设置为20A。为了让仿真效果更明显，这里假设电流与电压测量电路存在5%的输出失调，并网电流波形仿真效果如图6所示。

图6并网电流波形

图6中初始时刻并网电流存在一定量的直流电流，经过闭环补偿环节不断调节，在0.15s时刻后，直流分量得到充分抑制。为了更直观地分析并网电流直流分量的变化情况，这里用Simulink/Fourier模块对并网电流波形进行傅里叶分析，提取其直流分量，如图7所示。分析可知0.15s后直流分量仅有0.02A，为额定电流的0.12%。直流分量逐步被抑制，调节速度快且稳态响应好。

图7抑制后并网电流FFT分析提取直流分量

图8为并网电压与电流的仿真波形，可以看出基于无差拍控制算法下所补偿的直流抑制环节达到了很好的效果，且不影响无差拍控制本身良好的动态性能和稳定性。

图8并网电压与电流波形

3结语

本文提出一种简单有效的偏移型直流抑制算法，其具有简单、快速、有效、实用等特点。根据实际工程应用提出的电流环补偿方法只需要占用少量的芯片资源而无需增加额外的硬件设施，可以广泛的用于数字化的控制算法中。同时对非线性的直流注入做了具体分析，并定量地给出了元器件的非线性对直流注入的影响，为测量元器件的选择提供了非线性指标的参考。仿真结果表明，基于无差拍控制基础上的电流补偿环节可以有效地抑制直流电流的注入。

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