刘斌;黄清宝;贺德强;宋绍剑;徐辰华;林小峰

【摘 要】随着可再生能源在单相电网中渗透率的提高,电网对单相光伏并网逆变器提出了无功输出与功率因数灵活控制的要求.对HERIC(Highly Efficient and Reliable Inverter Concept)拓扑的无变压器隔离型单相光伏逆变器进行研究,提出了相应的无功调制策略.借助广义二阶积分构造两相静止坐标系,基于瞬时无功功率理论,建立了单相光伏逆变器的瞬时功率模型,实现了单相光伏逆变器的直接功率控制.搭建了5 kW的实验平台,通过实验对所提的调制策略与控制策略进行了有效性与实用性验证.%With the increasing of penetration level of renewable energy in single-phase grid,grid-connected singlephase PV(PhotoVoltaic) inverters need to meet the demands of reactive power compensation and flexible power factor control.Firstly,the transformer-less isolated single-phase PV inverters with HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) topology are studied,and the corresponding reactive power modulation strategy for HERIC inverters is proposed.Then,two-phase static coordinate system is constructed for single-phase PV inverter based on SOGI(Second-Order Generalized Integrator).The instantaneous power model of single-phase PV inverters is established based on the instantaneous reactive theory,and a novel direct power control strategy for HERIC inverters is realized.Finally,experimental results with a 5 kW prototype validate the effectiveness and feasibility of the proposed reactive power modulation and direct power control strategy.

【期刊名称】《电力自动化设备》

【年(卷),期】2018(038)004

【总页数】6页(P133-138)

【关键词】HERIC;逆变器;单相光伏逆变器;无功调制;直接功率控制;瞬时无功功率理论

【作 者】刘斌;黄清宝;贺德强;宋绍剑;徐辰华;林小峰

【作者单位】广西大学电气工程国家级实验教学示范中心,广西南宁530004;广西大学电气工程国家级实验教学示范中心,广西南宁530004;广西大学机械工程学院,广西南宁530004;广西大学电气工程国家级实验教学示范中心,广西南宁530004;广西大学电气工程国家级实验教学示范中心,广西南宁530004;广西大学电气工程国家级实验教学示范中心,广西南宁530004

【正文语种】中 文

【中图分类】TM46

0 引言

分布式单相光伏并网发电系统近年来得到了深入研究和大力推广，这使得分布式可再生能源在单相电网中的渗透率不断提升[1]。当大量分布式电源接入单相电网时，会造成单相电网的频率与电压扰动[2-3]。另一方面，为了获得较高的电能质量，IEEE1547与IEC61727等相关标准对单相电网接入点的最大谐波畸变率与功率因数进行了规定[3]，这就要求并网光伏逆变器具备有源滤波与无功补偿的相关功能，甚至能接受上级电网调度实现无功功率的灵活注入，以满足智能单相电网的建设需求[4-5]。

无变压器隔离型光伏逆变器具有低成本、高效率及重量与体积方面的优势，故而在单相光伏系统中得到普遍应用[6-7]。无变压器型拓扑的基本思想是在续流阶段构造新的续流回路，使得光伏电池输出与电网脱离，以获得极低的共模电压变化率，从而消除或减小由于光伏阵列分布电容产生的漏电流。在交流侧或直流侧构造辅助续流回路的无变压器型单相逆变器拓扑称为交流阻断型拓扑或直流阻断型拓扑。目前，应用最多的单相无变压器隔离型光伏逆变器为SMA公司的H5桥拓扑与Sunways公司的HERIC(Highly Efficient and Reliable Inverter Con-cept)拓扑，它们分别是直流阻断型拓扑与交流阻断型拓扑的代表。

在传统的调制与控制方式中，作为小功率光伏发电装置的单相光伏并网逆变器都运行在单位功率因数工况。文献[8]已对直流阻断型H5拓扑进行了无功补偿调制技术的研究，而如何将HERIC逆变器进行适当的软件升级，使其在不改变硬件配置的条件下具备无功输出功能，是本文研究的重点。此外，当光伏逆变器配合电网进行功率调节时，单一的最大功率点追踪(MPPT)控制也不能满足新的需求，需研究单相光伏系统的直接功率控制技术。

本文首先将HERIC逆变器的辅助续流回路进行高频调制，在交流电网与光伏阵列阻断的同时，可继续保持续流回路共模电压变化率恒定，并实现无功功率的输出调制。对于直接功率控制技术，依据瞬时无功功率理论对三相系统瞬时功率的定义，可方便地应用于三相脉宽调制(PWM)变流器系统中[9]。由于单相电压与电流都是一维矢量，本文借助广义二阶积分构造两相静止坐标系下单相系统瞬时功率模型，从而实现单相系统有功与无功功率的解耦与直接控制，便于智能电网对单相光伏逆变器输出功率的灵活调度。最后通过搭建实验样机，对本文所提的调制策略与直接功率控制策略进行了验证。

1 HERIC无变压器单相光伏逆变器拓扑

Sunways公司的HERIC拓扑原型是在由S1—S4组成的单相逆变全桥的交流输出端增加2个辅助开关S5与S6，由S5与S6串联组成交流辅助续流回路，通过适当的调制可实现续流阶段电网与光伏阵列脱离。国内研究人员在此基础上将辅助电路设计为由S5与S6并联组成，二极管D1与D2用来防止电流逆流，形成如图1所示的新型HERIC拓扑，其调制方式与HERIC拓扑原型一致。图中，uPV为直流侧输入电压；ug为单相电网电压；ig为输出并网电流； L1、L2为输出滤波电感。光伏阵列与大地之间存在的分布电容Cp不可忽略，在光伏逆变器的共模电压作用下，产生漏电流ileak，对人体接触存在潜在安全隐患[10-11]。此外，该漏电流不但会增加入网电流的谐波含量和系统损耗[12]，还对系统的电磁兼容性能不利，带来传导和辐射干扰。

图1 单相HERIC光伏逆变器电路拓扑Fig.1 HERIC topology of single-phase PV inverter

2 无功输出调制策略

2.1 传统调制模式

图2为单相HERIC光伏逆变器单位功率因数工作时的调制方式时序图，此时电网电压ug与并网电流ig同频同相。参考电压uref与三角波比较产生功率管S1—S6的驱动脉冲ugs1—ugs6。其中，S1— S4高频工作，而S5与S6的工作频率为电网电压频率的2倍。以图1所示拓扑为例，当电网电压处于正半波时，在调制阶段，其电流的调制通路为PV(+)→S1→L1→单相电网→L2→S4→PV(-)，此时作用在分布电容Cp上的共模电压ucm 为桥臂对地电压uan与ubn之和的平均值：

(1)

当S1—S4关断，HERIC逆变器工作在续流阶段，续流通路为L1→单相电网→L2→S6→D2，单相电网与光伏阵列断开，此时由于开关管结电容的均压作用，桥臂输出点a与b对n点的电压为uan= ubn=0.5uPV，共模电压为：

(2)

由式(1)、(2)可看出，其共模电压ucm维持不变，而HERIC逆变器的漏电流正比于分布电容与共模电压变化率：

(3)

因此，在这种调制方式下，HERIC逆变器能保持在一个很小的值。当逆变器工作于电网电压负半波时有相同的结论。

图2 HERIC光伏逆变器单位功率因数调制方式Fig.2 Modulation strategy of HERIC inverter at unity power factor

2.2 新型调制策略

无变压器隔离型单相逆变器拓扑需要保证在续流阶段将光伏阵列与单相电网脱离，以消除或减小漏电流。当HERIC拓扑光伏逆变器需要向电网注入无功电流时，为了保持低漏电流的特性，就需要让续流回路的辅助功率管S5与S6工作在高频状态。

假设HERIC拓扑光伏逆变器输出滞后无功电流，电网电压ug超前并网电流ig角度φ，如图3所示。根据ug与ig的方向，可将调制参考波uref分为4个扇区。当ug与ig方向相同时，输出功率为正，为正功率调制扇区(图3中Ⅱ、Ⅳ扇区)；当ug与ig方向相反时，输出功率为负，为负功率调制扇区(图3中Ⅰ、Ⅲ扇区)。

图3 HERIC光伏逆变器滞后无功调制方式Fig.3 Modulation strategy of HERIC inverter at lagging power factor

在正功率调制扇区，调制策略与传统调制无异，S1—S4工作在高频，S5与S6交替导通工作于低频。而在负功率调制区，由于电网电压ug先于并网电流ig变换方向，S1—S4全阻止，只能让S5与S6工作于高频，将储存在电感中的电流以正弦规律调制到0，进行换向，实现无功输出的调制。在该过程中，通过调制功率管S5、S6可控制续流回路的通断，使电感中的残余电流通过电感时产生电动势，由于功率管S1—S4 反并联二极管的作用，这一电动势被箝位于uPV。因此，在Ⅰ、Ⅲ扇区，HERIC桥臂输出uab仍可看作通过调制直流侧电压uPV产生，这一电压的表达式为：

(4)

其中，ug=Um sin(ωt)，ig=Im sin(ωt-φ)，Um为电网电压幅值，Im为电流幅值，ω为电网电压角频率。计算得到Ⅰ、Ⅲ扇区占空比d5、d6为：

(5)

若采取与正功率调制区统一的三角波作为载波时，其参考波uref为不连续，因此无功调制策略为分段调制。

在Ⅲ扇区中，HERIC逆变器的工作模态如图4所示。图4(a)中，S6导通，电感电流通过路径L1→单相电网 →L2→S6→D2 流通。当S6关断时，电感电流经L1 →单相电网→L2→S3 反并联二极管 →PV→S2反并联二极管 →L1，如图4(b)所示。

图4 Ⅲ扇区HERIC逆变器工作模态Fig.4 Operation modes of HERIC inverter in section Ⅲ

在无功输出调制的续流阶段(如图4(b)所示)，桥臂输出点a与b对n点的电压为uan=0、ubn= uPV，此时共模电压为：

(6)

当HERIC工作于无功输出调制的调制阶段(如图4(a)所示)，由于开关管的均压作用，ubn下降，uan上升，直到uan=ubn=uPV/2，共模电压为：

(7)

由式(6)、(7)可得，在本文所提无功输出调制下，HERIC电路的共模电压ucm仍能维持不变，保证了无变压器隔离单相光伏逆变器的低漏电流特性。

3 单相光伏逆变器直接功率控制

3.1 单相逆变器功率模型

利用HERIC光伏逆变器的无功调制策略，可方便地实现光伏逆变器无功功率输出，并满足日益提升的单相电网分布式可再生能源的渗透率条件下智能单相电网对无功功率灵活调节的需求。为了实现系统对光伏逆变器有功功率与无功功率的直接控制，本文采取基于瞬时无功功率模型的单相逆变器直接功率控制策略。

理想单相电网电压条件下，根据瞬时无功功率理论，可得到单相光伏逆变器α β坐标系下的瞬时有功功率p和无功功率q为：

(8)

其中：

uα=Umsin(ωt)， uβ=-Umcos(ωt)

(9)

iα=Imsin(ωt-φ)， iβ=-Imcos(ωt-φ)

(10)

本文通过采用广义二阶积分构造电网电压与电流矢量的正交分量的方法来建立αβ坐标系，即：

uα(s)=ug(s)D(s)， uβ(s)=ug(s)Q(s)

(11)

iα(s)=ig(s)D(s)， iβ(s)=ig(s)Q(s)

(12)

其中，D(s)、Q(s)为二阶广义积分，表达式如下：

(13)

(14)

其中，ω为调谐频率，在此选择为电网工频频率；k为性能参数，改变k值，可改变带通滤波选择性及响应特性[13]。

3.2 直接功率控制策略

当光伏逆变器接收到上级有功功率调节指令Pcm与无功功率调节指令Qcm后，与本地的MPPT控制输出Pmpp比较，并遵循以下规则，输出功率调节指令p*与q*：

a. 当Pcm≥Pmpp时，功率调节器输出p*=Pmpp;

b. 当Pcmc. q*=Qcm。

在理想单相电网条件下，将式(8)进行反变换，可得到由功率推算指令电流的变换式：

(15)

定义M为功率转换为电流的转换矩阵：

(16)

电网电流的指令值：

(17)

在单相系统中，被舍弃。图5为单相光伏逆变器直接功率控制的控制框图。其中，电流环采用准比例谐振QPR(Quasi Proportional Resonant)控制器：

(18)

其中，kPR为QPR控制器的比例系数；kiR为谐振系数；kcωc为准谐振的衰减项；ω为谐振频率，本文取电网电压角频率。QPR控制器的参数选取可参考文献[14]。

图5 直接功率控制框图Fig.5 Diagram of direct power control for HERIC

4 实验研究

为验证本文所提HERIC无功调制与直接功率控制策略的正确性，搭建了5 kW实验样机。控制系统采取TI公司的TMS320F28335浮点运算的数字处理器芯片，主频为150 MHz，完全满足本文实验控制所需。控制系统还外扩了DA芯片AD5344BRU，以便将有功与无功功率值进行输出测量。实验平台主电路参数如下：额定容量Se=5 kV·A；输出频率f=50 Hz；额定电网电压ug=220 V；开关频率fs=20 kHz；交流滤波电感L1=L2=0.8 mH；直流支撑电容Cdc=3 mF。

图6为HERIC输出无功调制时的实验波形。图6(a)中，HERIC逆变器功率因数为滞后0.95时，电网电流ig滞后电网电压ug，桥臂输出电压uab波形呈现分段单极性调制特点。图6(b)中，HERIC逆变器工作在功率因数为0.95(超前)，逆变器向电网注入超前的无功功率，桥臂输出uab同样为分段调制波形。

图6 HERIC逆变器输出滞后与超前无功功率波形Fig.6 Waveforms of HERIC inverter at lagging and leading power factor

图7 无功调制时桥臂输出电压uan、ubn与uan+ubn波形Fig.7 Waveforms of HERIC bridge voltage uan，ubn and uan+ubn with reactive power modulation

图7为HERIC单相逆变器工作在滞后功率因数时，逆变器桥臂a、b点对n点的电压uan与ubn以及两者之和uan+ubn波形。从实验结果可以看出，在本文所提的分段无功输出调制策略下，2倍于共模电压ucm的uan+ubn电压波形变化率很小，基本恒定，说明本文的调制策略达到了抑制共模变化率的目的。

图8 HERIC逆变器单位功率因数与无功输出时的漏电流Fig.8 Leak current of HERIC inverter at PF=1 and reactive power injection mode

图8为HERIC单相逆变器采用传统的调制策略工作在单位功率因数与采用分段无功调制策略工作在无功输出模式下漏电流对比波形。在测量漏电流时，用一470 nF电容模拟分布电容Cp。从图8的实验波形可以看出，采用分段无功调制策略与传统的调制策略都能获得较低的漏电流，其平均值为20 mA，满足无变压器型非隔离光伏逆变器拓扑的相关标准。

图9为采用直接功率控制策略时，HERIC逆变器输出有功功率与无功功率的阶跃响应实验波形，其中有功功率p与无功功率q的波形为经DSP计算所得功率数字量由DA芯片AD5344BRU转换成模拟量后测得。如图9(a)所示，逆变器输出有功功率从3 000 W阶跃下降至1 500 W。图9(b)为直接功率控制策略下保持逆变器输出有功功率不变，而无功功率从超前的500 var调节至0的实验波形。从直接功率控制的实验波形可知，采用直接功率控制的HERIC逆变器能在一个周期内响应指令功率的变化，实现了对有功与无功功率的解耦控制，且稳定后无静差。

图9 HERIC逆变器直接功率控制波形Fig.9 Waveforms of HERIC inverter based on direct power control strategy

5 结论

当分布式可再生能源的渗透率在单相电网中不断提升，要求并网逆变器能满足智能电网的调度需求，并实现对电网的无功支持与补偿。传统的HERIC无变压器隔离型光伏并网逆变器只能运行在单位功率因数的有功输出模式。本文采用分段调制的方法，在保留HERIC逆变器低漏电流特性的同时实现了任意功率因数的灵活无功功率输出；并基于瞬时无功功率理论，提出单相逆变器的直接功率控制，实现了有功功率与无功功率的解耦控制及灵活输出，对单相智能电网的功率灵活调度有着现实意义。在本文基础上，下一步可对单相无变压器隔离型光伏并网逆变器的低电压穿越控制进行研究。

【相关文献】

[ 1] 王成山，. 2011年国际供电会议系列报道：分布式能源发展与用户侧电能的高效利用[J]. 电力系统自动化，2012，36(2)：1-5.

WANG Chengshan，LI Peng. A review of CIRED 2011 on development of distributed energy resources and energy efficiency improvement on customer side[J]. Automation of Electric Power Systems，2012，36(2)：1-5.

[ 2] LI Y W，KAO C N. An accurate power control strategy for power electronics-interfaced distributed generation units operating in a low voltage multi-bus microgrid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(12)：2977-2988.

[ 3] CHANG C H，LIN Y H，CHEN Y M，et al. Simplified reactive power control for single-phase grid-connected photovoltaic inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(5)：2286-2296.

[ 4] AN L，CHEN Y，SHUAI Z，et al. An improved reactive current detection and power control method for single-phase photovoltaic grid connected DG system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2013，28(4)：823-831.

[ 5] YANG Y，WANG H，BLAABJERG F. Reactive power injection stra-tegies for single-phase photovoltaic systems considering grid requirements[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2014，50(6)：4065-4076.

[ 6] CAVALCANTIM C，OLIVEIRA K C D，FARIAS A M D，et al. Mo-dulation techniques to eliminate leakage currents in transformerless three-phase photovoltaic systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(4)：1360-1368.

[ 7] KJAER S B，PEDERSEN J K，BLAABJERG F. A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(5)：1292-1306.

[ 8] WU T F，SUN K H，KUO C L，et al. Combined unipolar and bipolar PWM for current distortion improvement during power compensation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29(4)：1702-1709.

[ 9] 杨达亮，卢子广，杭乃善，等. 三相电压型PWM 整流器准定频直接功率控制[J]. 中国电机工程学报，2011，31(27)：66-73.

YANG Daliang，LU Ziguang，HANG Naishan,et al. Novel quasi direct power control for three-phase voltage-source PWM rectifiers with a fixed switching frequency[J]. Proceedings of the CSEE，2011，31(27)：66-73.

[ 10] LI Quan，WOLFS P. A review of the single phase photovoltaic mo-dule integrated converter topologies with three different DC link configurations[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(3)：1320-1333.

[ 11] LEE S H，KIM K T，KWON J M，et al. Single-phase transformerless bi-directional inverter with high efficiency and low leakage current[J]. IET Power Electron，2013，7(2)：451-458.

[ 12] GONZALEZ R，LOPEZ J，SANCHIS P，et al. Transformerless inverter for single-phase photovoltaic systems[J]. IEEE Transac-tions on Power Electronics，2007，22(2)：693-697.

[ 13] 刘斌，贺建军，粟梅，等. δ算子离散化的二阶广义积分实现单相光伏逆变器并网控制[J]. 太阳能学报，2015，36(8)：1876-1883.

LIU Bin，HE Jianjun，SU Mei，et al. Control for single-phase photovoltaic grid connected inverter based on second order generalized integrator using delta operator[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2015，36(8)：1876-1883.

[ 14] 杨勇，赵春江. 分布式发电系统中并网逆变器比例谐振控制[J]. 电力自动化设备，2011，31(11)：51-55.

YANG Yong，ZHAO Chunjiang. Proportional resonant control for grid connected inverters in distributed generation systems[J]. Electric Power Automation Equipment，2011，31(11)：51-55.下载本文