单相光伏并网逆变器100 Hz振荡的分析与抑制

摘要：在单相两级式光伏并网逆变器中，输入和输出瞬时功率的不平衡导致母线电压振荡，进而导致光伏电池工作点振荡，影响系统性能。对母线电压振荡产生原因及其对电池板工作状态的影响进行分析，提出一种简单有效的抑制光伏逆变器振荡的分段补偿算法。该算法通过在最大功率点跟踪(MPPT)控制器输出占空比的基础上前馈补偿一个附加占空比来实现。在3 kW光伏逆变系统上进行实验，结果验证了该算法的有效性。
关键词：逆变器；光伏并网；振荡；前馈控制

1 引言
光伏并网逆变器各拓扑中，单相两级式结构控制算法简单、无需电力变压器，在1．5～3 kW功率等级中应用广泛。稳定运行时，光伏系统输入功率基本恒定，而输出瞬时功率呈两倍工频正弦变化，故在功率传递过程中，输入和输出瞬时功率不平衡。母线电容在缓冲此不平衡时，母线电压存在两倍工频振荡，其振荡通过Boost电路传播，最终造成光伏电池板输入电压和电流也以两倍工频振荡，从而导致：①电池板工作点在最大功率点附近振荡，浪费了部分能量；②基于扰动方法的MPPT控制器可能产生误判。针对母线电压振荡影响系统效率这个问题，提出很多解决方法，但均存在不足。
这里在分析母线电压振荡产生原因及其对电池板工作状态影响的基础上，提出一种简单，无需增加任何硬件成本的分段抑制方法，并进行了实验验证。

2 主电路拓扑
图1为典型3 kW单相两级式并网逆变器拓扑。

前级Boost环节实现升压和MPPT，后级全桥逆变电路产生与电网电压同频同相的正弦交流电，将能量注入到电网上。

3 母线电压振荡及其对输入电压的影响
考虑光伏并网逆变系统并网电流与电网电压同频同相，功率因数为1，则注入电网的瞬时功率为：
pg(t)=ug(t)ig(t)=IgUg[1-cos(2ωt)] (1)
式中：Ig为并网电流有效值；Ug为电网电压有效值。
由式(1)可见，单相全桥逆变电路将能量注入到电网时，系统输出功率呈两倍工频变化。
当系统稳定运行时，输入平均功率与输出平均功率相等。输入电压振荡对系统输入功率影响较小，可认为输入功率基本为定值，则有：
Pin=Pg=IgUg (2)
功率在传递过程中的不平衡通过电容来缓冲：当输入功率大于输出功率时，电容充电，端电压升高；当输入功率小于输出功率时，电容放电，端电压降低。分析电容上需要缓冲的能量，可得：
△p(t)=Pin-pg(t)，△p(t)=udc(t)Cbdudc(t)／dt (3)
综合式(1)～(3)可得，母线电压分为平均值和波动量两部分，即：

由式(4)中第2式可见，对于单相双级式并网逆变器，其母线电压必然存在两倍工频振荡。