并网逆变器输出电压直流分量的研究字

并网逆变器输出电压直流分量的研究张娟 ,王赞 ,肖岚（南京航空航天大学，江苏南京 210016）摘要 与独立工作的逆变器相比， 并网逆变器不仅要保证低的输出电压谐波畸变率和高效率， 而且要求输出电压与电网电压大小、 相位一致， 更重要的是必须保证有低的进网电流谐波畸变率，以免对电网造成污染。双 Buck 逆变器类似于半桥逆变器，输入侧分压电容的电压偏差受很多因素的影响。 分析了输出电压中的直流分量与分压电容电压偏差的关系以及对进网电流谐波畸变率的影响，并进行了实验验证。关键词 逆变器；电容分压 /不均压；环流；直流分量；进网电流中图分类号 TM714 文献标识码 A 文章编号 1000-100X （ 2007） 11-0053-03 Research on DC Bias Components in Output Voltage of Grid-connected Inverter ZHANG Juan ， WANG Zan ， XIAO Lan （ Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， Nanjing 210016 ， China）Abstract Compared with independent inverters ， grid-connected inverter should ensure low Total Harmonic Distortion （ THD ） of the output voltage and high efficiency ， and keep accordance with the utility.The most important is that the gridconnected inverter should also ensure low grid current THD to avoid the grid pollution.Double Buck inverter is similar to the half-bridge inverter.The voltage displacement of the two capacitors at the input terminal was affected by several causes.This paper analyzes the relationship between the DC components of the output voltage and the voltage variation of the capacitors at the input terminal ， as well as the grid current THD influenced by the dc components of the output voltage.In the end， it is verified by experiments. Keywords inverter ； capacitor voltage-sharing/voltage unbalanced； circumfluence ； DC components； grid current 1 引言近几年来，随着能源问题的升温，分布式发电系统和 UPS 的研究日益普遍 [1]，并网技术作为能馈系统和光伏系统的接入口， 越来越受关注。 然而， 由于电压基准正弦波中的直流分量、 控制电路中运算放大器的零点漂移、 功率电子器件参数的离散性等原因， 输出电压中会产生直流分量。这给电源系统本身和用电设备都带来了不良的影响。采用双 Buck 主电路拓扑结构的并网逆变器，其输出电压中的直流分量除了上述影响外，还会对进网电流 THD产生影响，从而对电网造成污染。双 Buck 逆变器与半桥逆变器类似，由于输入侧两个均压电容存在着电容电压偏差问题， 极易导致系统性能的恶化， 甚至使系统失控。 影响电容电压偏差的因素很多，如电感电流大小及其初始相位角，电容值的大小等 [2]。其中电感电流的大小由输出功率决定， 电感电流初始相位角则取决于开机瞬时输出电压参考波的瞬时值， 但这是一个随机量，无法控制，而电容由于受到体积的限制，其容值也不可能取得很大。对输出电压中直流分量与分压电容电压偏差的关系以及对进网电流 THD 的影响进行了深入的理论分析，并进行了仿真和实验验证。2 双 Buck 并网逆变器的控制原理所研究的并网逆变器可独立工作或并网运行 [3]。独立工作时采用电压控制模式；并网工作时采用电流控制模式控制进网电流。 在独立工作模式与并网工作模式之间实现了无缝切换， 可以避免切换过程中负载电压的畸变， 也能使电压和电流的冲击降到最小。 如图 1 所示，逆变器主电路采用了双 Buck 拓扑结构。图 1 双 Buck 并网逆变器主电路UD 直流输入电压 uo逆变器输出电压 S1并网开关 ugrid 电网电压 iC1 ， iC2分压电容 C1， C2 的电流 iL1 ， iL2 滤波电感 L1， L2 电流C1， C2 中点接地。传统的独立与并网双模式运行的逆变器在并网工作时一般采用进网电流外环加电感电流内环的控制方式，该方法中 iC1， iC2 对进网电流 igrid 的功率因数 有很大的影响，这里采用电压外环对 iC1 ， iC2 进行了补偿，改善了进网电流质量，提高了功率因数。 图 2 示出系统工作在独立模式和并网模式下的控制框图。 逆变器独立工作时采用电压外环 PI 调节。并网运行时，采用进网电流外环加电压环和电感电流内环的三环控制。此时的电压基准为 ugrid。图中 Kp， KI 比例和积分系数 K3 进网电流反馈系数 K1， K2 电感电流、逆变器输出电压反馈系数 Kip 进网电流环比例系数 igrid* 进网电流给定2 逆变器输出电压直流分量在并网逆变器中， 如果电网电压与逆变器的输出电压幅值存在很小的电压差， 在并网开关合上的瞬间， 就会在逆变器和电网之间形成很大的环流，造成负载电压畸变，同时， 对进网电流 THD 也会有很大的影响。由于电网电压 ugrid 的直流分量 udc 很小，所以 udc 应限制在很小的范围内。 基准正弦波含有直流分量， 控制电路中运算放大器的零点漂移， 开关管自身特性及其驱动信号不一致等是影响 udc 的主要因素，其中基准中直流分量的影响最大。2.1 直流分量对电网的影响与传统的并网控制策略相比，改进型并网控制策略在并网后通过电压环补偿了电容电流， 消除了输出滤波电容电流对电网的影响， 从而可以实现独立与并网两模式之间的无缝切换。小功率逆变器并网时，可将电网容量看成无穷大，因此电网可等效为一电压源。图 3示出电网与采用电流输出型逆变器构成的并网逆变器结构图。 逆变器等效为一理想电流源 i1和等效内阻 Zo 并联。图中 igrid ， Zgrid 电网电流与电网线路阻抗 iR， ZR负载上的电流与负载阻抗io逆变器输出电流 S1并网开关并网逆变器的 uo 应与 ugrid 相一致，否则有IgridUgrid-Uo/Zgrid （ 1）并网过程中，在控制模式切换之后并网开关合上之前，此时 uo 以 ugrid 作为基准，跟踪 ugrid 。但由于运放的零点漂移，驱动信号不一致等因素会导致 uo 中含有 udc。假设此时uo 中含有 udc，则有 uo（ ω t） Ugridsin ω tudc（ 2）式中 Ugrid 电网电压幅值 ω 电压的角频率此时电压环 PI 调节器的输出作为电流环的给定，也就等于电容电流。由图 2b 有Ugridref （ s） KPK I s “Uo （ s） K2 KPKI s “K1sCf （ 3）当并网开关合上之后， uo 被箝位在 ugrid。此时有 uo′（ ω t） Ugridsin ω t（ 4）等式（ 3）左边没变，而右边改变，所以此时等式不成立，图 2 中的电流外环参与工作。在 igrid*0 时有下式成立Ugridref （ s） KPK I s “Igrid （ s） Kip Uo′（ s） K2 KPK I s “K1sCf （ 5）将式（ 3）和（ 4）代入（ 5）式可得Igrid （ s） u dc KipK 2 KPK I s “K1sCf （ 6）udc≠ 0 时 igrid 也不为零，即此时 igrid 不再完全跟随 igrid* ，而是也受 udc 影响， igrid 的 THD 增大， udc 越大，对 igrid 的影响越大。2.2 直流分量对分压电容的影响双 Buck 逆变器存在有偏置电流和无偏置电流 [4 ， 5]两种工作模式。前者的功率管在整个工频周期内高频工作；后者所有功率管在半周期内高频工作，开关损耗小，且输出滤波电感小。这里采用的是无偏置电流工作模式。图 1 中双 Buck 逆变器独立工作时，有 4 种工作模态①模态 1 时， VQ1 导通，电容 C1 放电， C2 充电；②模态 2 时， VQ1 关断， VD1 续流， C1 放电， C2 充电；③模态 3 时， VQ2 导通，电容 C2 放电， C1 充电；④模态 4 时， VQ2 关断， VD2 续流， C1 充电， C2 放电。当 iL10 ， iL20 时， VQ1， VD1 ， L1， Cf， R 构成的Buck 电路工作，在模态 1 和模态 2 间切换，当 iL10 ，iL20 时 VQ2 ， VD2 ， L2， Cf， R 构成的 Buck 工作，在模态3 和模态 4 间切换。假设电感电流瞬时值iL1IL1sin （ ω tθ ） （ 7）式中 IL 电感电流幅值 ω 输出电压角频率θ 电感电流初始时刻相位角这里不再讨论 θ 对 C1， C2 的影响 [2] ，假设 θ 0，即iL1IL1sin ω t（ 8）负载越大，电容电压偏差越大 [2] 。满载时，输出不含直流分量，输出电压瞬时值可表示为图 2 系统控制框图图 3 并网逆变器结构图54uoUmsin （ ω tφ ） （ 9）且有 UmIL1 R2 （ 1/sC） f2（ 10）φ -arctan（ ω CfR ） （ 11）当输出电压中直流分量大小为 udc 时，输出电压可表示为 uoUmsin （ ω tφ ） udc（ 12）则此时的电感电流可表示为iL1IL1sin ω tIdc （ 13）Idcud （ cω Cf1/R ） （ 14）假设初始时刻 uC（ 10） uC（ 20） UD/2 ，则 iL10 ， C1 放电， iL10 时， C1 放电结束，此时 uC1 达到最小值，为 uC（ 1ω t） 1 C1 t 0 “-iL （ 1ω ） duC（ 10） （ 15）当 uo 中不含 udc 时，将式（ 8）代入式（ 15）可得uC（ 1ω t） IL1/ ω C1cos（ ω t-1） uC（ 10） （ 16）则 uC1 的脉动为 Δ uC112IL1/ ω C1（ 17）当 uo 中含有 udc 时，设 α arcsin（ Idc/IL1 ） ，即IdcIL1sin α （ -π /20 即 udc 为正时， Δ uC12 Δ uC1，此时的 Δ uC12Δ uC11， α 越大， udc 也越大，电容电压偏差越大。由此可见， uo 中的 udc 对直流侧 C1， C2 的偏差有很大的影响。3 仿真分析和实验结果对采用双 Buck 主电路结构双环控制的逆变器进行仿真。仿真参数为输入直流电压 UD360V ，输出电压 uo115V ，输出频率 fo50Hz ，额定功率 SN 500VA ，均压电容 C1C2470μ F，滤波电感 L1L2 379μ H，滤波电容 Cf9.4 μ F，阻性满载。仿真得出，当udc4.32V 时，均压电容电压偏差 Δ uC34V ；当 udc 12.96V 时， Δ uC43V 。由仿真结果可知， Δ uC 随 udc 增加而增加。图 4 示出并网前 udc 不同，而并网后 i grid * 0 时的空载实验波形。实验参数与仿真时相同。图 4a， b 为uo 和 igrid 波形。由图可见，在 uo 中含有 udc，而 i grid * 0 时， igrid 并不为零，而是一个与 uo 呈 90相位差的三角波，从而使得 igrid 的 THD 很大。图 4a中 igrid 的THD18 ，图 4b 中 igrid 的 THD39 。图 4c， d 示出满载下 uo 与电容脉动 Δ uC1， Δ uC2 的实验波形。由上到下为 Δ uC1， Δ uC2， uo 和 io 波形。功率分析仪读得图 4c 中 udc247mV ，而 Δ uC1Δ uC24.8V 。图 4d 中 udc6V 。而 Δ uC1Δ uC212V 。实验结果说明， udc 对 Δ uC1， Δ uC2 有很大影响。4 结论对于并网逆变器，在并网开关合上的瞬间，如果输出电压中有很大的直流分量，则会在逆变器与电网之间出现很大的冲击电流，影响了进网电流THD 。此外，输出电压中的直流分量还会影响双Buck 电路中输入分压电容电压的偏差。作为并网逆变器，为了获得好的输出波形，保证电路的安全，要求输出电压中不含直流分量。参考文献[1]B K Bose.Energy Environment and Advances in Power Electronics[J].IEEE Trans.on Power Electron ， 2000， 15 （ 3） 688～ 701. 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