SVPWM在具有APF的光伏并網逆變器中的應用

楊 樺，程蕾萌，吳 俊

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430068）

SVPWM在具有APF的光伏并網逆變器中的應用

楊 樺，程蕾萌，吳 俊

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430068）

在分析電壓空間矢量的基礎上，建立了具有APF功能的光伏并網逆變器的系統模型，采用ip－iq算法進行電流檢測，運用SVPWM技術控制，在進行光伏有功并網的同時補償無功與諧波電流，改善電網質量，用仿真驗證了該方案的有效性。

光伏逆變器；APF；SVPWM

利用太陽能光伏并網發電，電網中的負載產生非線性諧波，對電能質量是一種污染，如何在利用綠色無污染的太陽能進行發電的同時保證電能的質量成為一項研究課題。

針對以上情況，本文提出了具有源電力濾波器功能的光伏并網逆變器，并采用基于瞬時無功功率的SVPWM控制方式，在進行光伏有功并網的同時動態快速地補償了無功與諧波電流，不僅節約了投入資本，而且也提高逆變器的利用率，在利用太陽能的同時，改善了電網質量。

1 系統結構及工作原理

具有有源電力濾波功能的光伏逆變器的系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

其中，DC／DC部分主要完成光伏電池陣列最大功率跟蹤，將低壓波動的直流電轉換成并網逆變器需要的穩定高壓直流電，形成并網指令電流，并將數據傳送給控制部分；電流檢測部分完成諧波電流的檢測，生成補償指令電流，并將數據傳送給控制器；控制部分為核心部分，合成補償指令電流和并網指令電流，并將其注入電網；變流器部分完成有源濾波功能，在保證光伏能量注入電網的同時，補償并網接點的負載諧波電流，改善電能質量。

2 諧波電流檢測及指令電流合成

本文采用ip－iq來檢測電流，此檢測方法是在瞬時無功功率理論的基礎上提出的，以其快速性領先于其他的電流檢測方法，其原理見圖2。數字鎖相環（PLL）跟蹤A相電網電壓Ua的相位，以保證電流檢測精度。

圖2 諧波電流檢測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三相橋臂的開關狀態（Sa、Sb、Sc）的8種組合狀態來確定。圖3為α－β靜止坐標系中的電壓空間矢量圖。

圖3 電壓空間矢量扇區圖

要實現SVPWM控制，需要知道參考電壓V在α－β靜止坐標系中的區間位置，之后再合成其所在扇區的相鄰兩矢量和恰當的零矢量來代替V。矢量的選擇遵循伏秒平衡原則，即，矢量V在Ts時間內所產生的積分效果值和Vx、Vy、V0分別在時間Tx、Ty、T0內產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在空間中逆時針旋轉，當旋轉到某個扇區中時，系統計算出在該扇區所需要的適當的電壓矢量，然后以其相對應的空間狀態值去控制開關管的通斷。

3.1 判斷扇區

若想判斷出三相參考電壓ua、ub、uc所在的扇區，必須進行坐標變換，將三相靜止坐標系變換為兩相靜止坐標系，再根據ua、ub、uc在α－β坐標系的分量uα、uβ來判斷。坐標變換公式如下：

表1 N與扇區對應表

3.2 計算開關矢量作用時間

以扇區Ⅰ為例，在兩相靜止參考坐標系α－β中，如圖3所示，可由式（1）知：

表2 扇區與作用時間對應表

3.3 計算切換點及導通時間

為了減少開關損耗，在每次開關狀態轉換時，只改變其中一相的開關狀態，并且對零矢量在時間上進行了平均分配，以使產生的PWM對稱，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，每個開關周期都是從零矢量開始和結束，每個開關周期有6次開關切換。

以扇區I為例，當V4（100）切換至V0（000）時，只需改變A相上下一對切換開關，若由V4（100）切換至V7（111）則需改變B、C相上下兩對切換開關，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）。這樣通過在不同區間內安排不同的開關切換順序，就可以獲得對稱的輸出波形，具體序列安排見表3。

表3 扇區與開關矢量切換順序對應表

在每一個載波周期Ts，會合成一個新的矢量，隨著θ的逐漸增大，V將依序進入第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區。在電壓向量旋轉一周期后，就會產生R個合成矢量。

以扇區I為例，由圖4可知每個電壓矢量的作用時間，確定了參考電壓所在扇區和其對應的電壓矢量的作用時間后，即可計算出每個橋臂的導通時間，其關系如式（3）所示。

令A、B、C三相上橋臂開關的切換點距零點的時間分別為Ta、Tb、Tc，橋臂開關器件導通的時間分別為Taon、Tbon、Tcon，則

圖4 扇區I開關導通圖

各扇區切換時刻的對應關系見表4。

表4 扇區與切換時刻對應表

4 仿真與分析

在負載突變的情況下對系統進行仿真。電流檢測采用ip－iq算法，參考電流為諧波分量，將檢測到的參考電流作為控制變流器的輸入信號，采用SVPWM控制輸出。

以A相為例，圖5為電網電流波形圖，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算法檢測電流，提出諧波，諧波波形圖見圖6，提取諧波后通過SVPWM算法來控制APF治理補償諧波，圖7為補償后的電網電流波形，可以看出波形有了很大的改善。

圖5 電網電流波形圖

圖6 諧波電流波形圖

圖7 補償后的電網電流波形圖

對補償前和補償后的諧波進行FFT分析，得到圖8所示結果。從圖8中可以看出，THD從17.74%降到了4.12%，但其響應時間相對而言較慢，仍需進一步改善算法。

圖8 電網電流FFT分析

5 結論

建立了具有APF功能的光伏并網逆變器的系統模型，采用ip－iq算法檢測電流，通過SVPWM技術控制諧波的補償，降低了開關頻率，有效地限制了誤差電流，仿真驗證了該方案的有效性，響應時間較慢的問題需加完善。

［1］ 張崇巍，張 興.PWM整流器及其控制［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］ 張鐵良.有源電力濾波器與光伏發電的統一控制研究［D］.合肥：合肥工業大學圖書館，2007.

［3］ 劉鑫正.具有光伏發電功能的并聯型有源電力濾波器的研究［D］.濟南：山東大學圖書館，2009.

［4］ 黃 俊，王兆安.電力電子變流技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［5］ 汪進進.光伏并網控制方法和系統的研究［D］.合肥：合肥工業大學圖書館，2002.

［責任編校：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，湖北工業大學副教授，研究方向為自動檢測技術及儀表