HERIC单相光伏并网逆变器无功调制及其直接功率控制
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 Integrat
or).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。
reactivepower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：

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