單相光伏併網逆變器100 Hz振蕩的分析與抑制

摘要：在單相兩級式光伏併網逆變器中，輸入和輸出瞬時功率的不平衡導致母線電壓振蕩，進而導致光伏電池工作點振蕩，影響系統性能。對母線電壓振蕩產生原因及其對電池板工作狀態的影響進行分析，提出一種簡單有效的抑制光伏逆變器振蕩的分段補償算法。該算法通過在最大功率點跟蹤(MPPT)控制器輸出佔空比的基礎上前饋補償一個附加佔空比來實現。在3 kW光伏逆變系統上進行實驗，結果驗證了該算法的有效性。
關鍵詞：逆變器；光伏併網；振蕩；前饋控制

1 引言
光伏併網逆變器各拓撲中，單相兩級式結構控制算法簡單、無需電力變壓器，在1．5～3 kW功率等級中應用廣泛。穩定運行時，光伏系統輸入功率基本恆定，而輸出瞬時功率呈兩倍工頻正弦變化，故在功率傳遞過程中，輸入和輸出瞬時功率不平衡。母線電容在緩衝此不平衡時，母線電壓存在兩倍工頻振蕩，其振蕩通過Boost電路傳播，最終造成光伏電池板輸入電壓和電流也以兩倍工頻振蕩，從而導致：①電池板工作點在最大功率點附近振蕩，浪費了部分能量；②基於擾動方法的MPPT控制器可能產生誤判。針對母線電壓振蕩影響系統效率這個問題，提出很多解決方法，但均存在不足。
這裡在分析母線電壓振蕩產生原因及其對電池板工作狀態影響的基礎上，提出一種簡單，無需增加任何硬體成本的分段抑制方法，並進行了實驗驗證。

2 主電路拓撲
圖1為典型3 kW單相兩級式併網逆變器拓撲。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175734.htm

前級Boost環節實現升壓和MPPT，後級全橋逆變電路產生與電網電壓同頻同相的正弦交流電，將能量注入到電網上。

3 母線電壓振蕩及其對輸入電壓的影響
考慮光伏併網逆變系統併網電流與電網電壓同頻同相，功率因數為1，則注入電網的瞬時功率為：
pg(t)=ug(t)ig(t)=IgUg[1-cos(2ωt)] (1)
式中：Ig為併網電流有效值；Ug為電網電壓有效值。
由式(1)可見，單相全橋逆變電路將能量注入到電網時，系統輸出功率呈兩倍工頻變化。
當系統穩定運行時，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)
功率在傳遞過程中的不平衡通過電容來緩衝：當輸入功率大於輸出功率時，電容充電，端電壓升高；當輸入功率小於輸出功率時，電容放電，端電壓降低。分析電容上需要緩衝的能量，可得：
△p(t)=Pin-pg(t)，△p(t)=udc(t)Cbdudc(t)／dt (3)
綜合式(1)～(3)可得，母線電壓分為平均值和波動量兩部分，即：

由式(4)中第2式可見，對於單相雙級式併網逆變器，其母線電壓必然存在兩倍工頻振蕩。