SVPWM在具有APF的光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用

楊 樺，程蕾萌，吳 俊

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430068）

SVPWM在具有APF的光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用

楊 樺，程蕾萌，吳 俊

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430068）

在分析電壓空間矢量的基礎(chǔ)上，建立了具有APF功能的光伏并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)模型，采用ip－iq算法進(jìn)行電流檢測(cè)，運(yùn)用SVPWM技術(shù)控制，在進(jìn)行光伏有功并網(wǎng)的同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功與諧波電流，改善電網(wǎng)質(zhì)量，用仿真驗(yàn)證了該方案的有效性。

光伏逆變器；APF；SVPWM

利用太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電，電網(wǎng)中的負(fù)載產(chǎn)生非線性諧波，對(duì)電能質(zhì)量是一種污染，如何在利用綠色無(wú)污染的太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)保證電能的質(zhì)量成為一項(xiàng)研究課題。

針對(duì)以上情況，本文提出了具有源電力濾波器功能的光伏并網(wǎng)逆變器，并采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率的SVPWM控制方式，在進(jìn)行光伏有功并網(wǎng)的同時(shí)動(dòng)態(tài)快速地補(bǔ)償了無(wú)功與諧波電流，不僅節(jié)約了投入資本，而且也提高逆變器的利用率，在利用太陽(yáng)能的同時(shí)，改善了電網(wǎng)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

具有有源電力濾波功能的光伏逆變器的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

其中，DC／DC部分主要完成光伏電池陣列最大功率跟蹤，將低壓波動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)換成并網(wǎng)逆變器需要的穩(wěn)定高壓直流電，形成并網(wǎng)指令電流，并將數(shù)據(jù)傳送給控制部分；電流檢測(cè)部分完成諧波電流的檢測(cè)，生成補(bǔ)償指令電流，并將數(shù)據(jù)傳送給控制器；控制部分為核心部分，合成補(bǔ)償指令電流和并網(wǎng)指令電流，并將其注入電網(wǎng)；變流器部分完成有源濾波功能，在保證光伏能量注入電網(wǎng)的同時(shí)，補(bǔ)償并網(wǎng)接點(diǎn)的負(fù)載諧波電流，改善電能質(zhì)量。

2 諧波電流檢測(cè)及指令電流合成

本文采用ip－iq來(lái)檢測(cè)電流，此檢測(cè)方法是在瞬時(shí)無(wú)功功率理論的基礎(chǔ)上提出的，以其快速性領(lǐng)先于其他的電流檢測(cè)方法，其原理見圖2。數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）跟蹤A相電網(wǎng)電壓Ua的相位，以保證電流檢測(cè)精度。

圖2 諧波電流檢測(cè)及指令電流合成原理框圖

3 SVPWM控制算法

三相變流器的輸出電壓Ua、Ub、Uc由A、B、C三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)（Sa、Sb、Sc）的8種組合狀態(tài)來(lái)確定。圖3為α－β靜止坐標(biāo)系中的電壓空間矢量圖。

圖3 電壓空間矢量扇區(qū)圖

要實(shí)現(xiàn)SVPWM控制，需要知道參考電壓V在α－β靜止坐標(biāo)系中的區(qū)間位置，之后再合成其所在扇區(qū)的相鄰兩矢量和恰當(dāng)?shù)牧闶噶縼?lái)代替V。矢量的選擇遵循伏秒平衡原則，即，矢量V在Ts時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和Vx、Vy、V0分別在時(shí)間Tx、Ty、T0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同，通常用下式表示：

控制的基本原理為：參考電壓V以角頻率ω在空間中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到某個(gè)扇區(qū)中時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算出在該扇區(qū)所需要的適當(dāng)?shù)碾妷菏噶浚缓笠云湎鄬?duì)應(yīng)的空間狀態(tài)值去控制開關(guān)管的通斷。

3.1 判斷扇區(qū)

若想判斷出三相參考電壓ua、ub、uc所在的扇區(qū)，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系變換為兩相靜止坐標(biāo)系，再根據(jù)ua、ub、uc在α－β坐標(biāo)系的分量uα、uβ來(lái)判斷。坐標(biāo)變換公式如下：

表1 N與扇區(qū)對(duì)應(yīng)表

3.2 計(jì)算開關(guān)矢量作用時(shí)間

以扇區(qū)Ⅰ為例，在兩相靜止參考坐標(biāo)系α－β中，如圖3所示，可由式（1）知：

表2 扇區(qū)與作用時(shí)間對(duì)應(yīng)表

3.3 計(jì)算切換點(diǎn)及導(dǎo)通時(shí)間

為了減少開關(guān)損耗，在每次開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只改變其中一相的開關(guān)狀態(tài)，并且對(duì)零矢量在時(shí)間上進(jìn)行了平均分配，以使產(chǎn)生的PWM對(duì)稱，從而有效地降低PWM的諧波分量。本文采用7段式PWM生成方式，每個(gè)開關(guān)周期都是從零矢量開始和結(jié)束，每個(gè)開關(guān)周期有6次開關(guān)切換。

以扇區(qū)I為例，當(dāng)V4（100）切換至V0（000）時(shí)，只需改變A相上下一對(duì)切換開關(guān)，若由V4（100）切換至V7（111）則需改變B、C相上下兩對(duì)切換開關(guān)，增加了一倍的切換損失。因此，要改變電壓向量V4（100）、V2（010）、V1（001）的大小，需配合零電壓向量V0（000），而要改變V6（110）、V3（011）、V5（101），需配合零電壓向量V7（111）。這樣通過(guò)在不同區(qū)間內(nèi)安排不同的開關(guān)切換順序，就可以獲得對(duì)稱的輸出波形，具體序列安排見表3。

表3 扇區(qū)與開關(guān)矢量切換順序?qū)?yīng)表

在每一個(gè)載波周期Ts，會(huì)合成一個(gè)新的矢量，隨著θ的逐漸增大，V將依序進(jìn)入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)。在電壓向量旋轉(zhuǎn)一周期后，就會(huì)產(chǎn)生R個(gè)合成矢量。

以扇區(qū)I為例，由圖4可知每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，確定了參考電壓所在扇區(qū)和其對(duì)應(yīng)的電壓矢量的作用時(shí)間后，即可計(jì)算出每個(gè)橋臂的導(dǎo)通時(shí)間，其關(guān)系如式（3）所示。

令A(yù)、B、C三相上橋臂開關(guān)的切換點(diǎn)距零點(diǎn)的時(shí)間分別為Ta、Tb、Tc，橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間分別為Taon、Tbon、Tcon，則

圖4 扇區(qū)I開關(guān)導(dǎo)通圖

各扇區(qū)切換時(shí)刻的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 扇區(qū)與切換時(shí)刻對(duì)應(yīng)表

4 仿真與分析

在負(fù)載突變的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。電流檢測(cè)采用ip－iq算法，參考電流為諧波分量，將檢測(cè)到的參考電流作為控制變流器的輸入信號(hào)，采用SVPWM控制輸出。

以A相為例，圖5為電網(wǎng)電流波形圖，從圖5中可以看出，波形為典型的馬鞍波，此波中含有較多的諧波，利用ip－iq算法檢測(cè)電流，提出諧波，諧波波形圖見圖6，提取諧波后通過(guò)SVPWM算法來(lái)控制APF治理補(bǔ)償諧波，圖7為補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流波形，可以看出波形有了很大的改善。

圖5 電網(wǎng)電流波形圖

圖6 諧波電流波形圖

圖7 補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流波形圖

對(duì)補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的諧波進(jìn)行FFT分析，得到圖8所示結(jié)果。從圖8中可以看出，THD從17.74%降到了4.12%，但其響應(yīng)時(shí)間相對(duì)而言較慢，仍需進(jìn)一步改善算法。

圖8 電網(wǎng)電流FFT分析

5 結(jié)論

建立了具有APF功能的光伏并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)模型，采用ip－iq算法檢測(cè)電流，通過(guò)SVPWM技術(shù)控制諧波的補(bǔ)償，降低了開關(guān)頻率，有效地限制了誤差電流，仿真驗(yàn)證了該方案的有效性，響應(yīng)時(shí)間較慢的問(wèn)題需加完善。

［1］ 張崇巍，張 興.PWM整流器及其控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 張鐵良.有源電力濾波器與光伏發(fā)電的統(tǒng)一控制研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)圖書館，2007.

［3］ 劉鑫正.具有光伏發(fā)電功能的并聯(lián)型有源電力濾波器的研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)圖書館，2009.

［4］ 黃 俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［5］ 汪進(jìn)進(jìn).光伏并網(wǎng)控制方法和系統(tǒng)的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)圖書館，2002.

［責(zé)任編校：張巖芳］

SVPWM Method in PV Grid-Connected Inverter with APF

YANG Hua1，CHENG Lei-meng2，WU Jun3
（School of Electrical ＆Electronic Engin.，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

In the paper，the system model of photovoltaic grid connected inverter with APF function was established，proposing SVPWM control method based on the analysis of voltage space vector and detecting current by using ip－iqalgorithm.The study shows that the system not only makes full use of PV power，but also compensates harmonics and reactive currents of the loads very well.The effectiveness of such theory was also proved by the simulation.

photovoltaic grid connected system；active power filters；SVPWM

TM615

A

1003－4684（2014）02-0056-04

2013－10－21

楊 樺（1960－），女，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表