单相光伏并网逆变器无功补偿技术研究

摘要：介绍了双Boost型高性能单相光伏并网逆变器，分析了其工作原理和关键技术，提出带前馈双闭环的控制方法，实现并网发电的同时，对电网的无功作了相应的补偿。基于PSIM仿真软件建立系统的仿真模型，证实了所提出无功补偿技术的可行性。

关键词：单相光伏逆变器；并网；无功补偿；PSIM

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2013）001-0139-02

0引言

太阳能并网发电技术已成为世界各国研究的焦点。本文提出一种新型无隔离变压器双Boost转换器的单向光伏发电系统。每组光伏阵列各自通过一Boost变换器和同一逆变器相连，实现并网和无功补偿。为了实现功率因数可调及动态连续补偿感性和容性无功，提出了双闭环的PI加前馈的单相光伏逆变控制方法，采用PSIM软件建立系统仿真模型，实验波形验证了无功补偿技术的可行性，以及整个逆变系统的可靠性和高效性。

1单向光伏逆变器的工作原理和无功补偿技术1.1工作原理

图1为单向光伏并网逆变器的拓扑结构。包括：前级两组光伏阵列通过耦合电感和电容滤波后经两组完全相同的Boost变换器组成最大功率跟踪器；后级为单向全桥逆变器。Boost电路由MOSFET、SIC二极管和D1、D3旁路二极管组成。逆变桥后级还增加了一组额外的分支开关Q7和Q8，用来改善逆变器的整体转换效率。

在逆变桥开关Q3、Q6导通的正半周，开关管Q8导通，Q7关断。在正半周向负半周过渡时，由于互补对称的开关管驱动脉冲有死区，可能出现4个管子都不导通的情况，此时电感L3、L4通过开关管Q8与二极管续流，如图2（a）所示，使逆变器能短时间内给电网供电，若此时出现容性无功电流即Q7导通，与之串联的二极管也导通，电流的方向如图2（b）所示，电网给电感充电，抬高逆变侧的输出电压，通过H桥上4个二极管给电容充电，导致母线电压升高，通过适当控制直流母线电压，使母线电压维持在规定的范围内。

图1单相并网光伏逆变器的拓扑结构

同样的方法可以分析出逆变桥开关Q4、Q5导通的负半周时，各开关管的动作情况。

图2开关管Q7、Q8在正半周时的状态

1.2无功补偿技术

图3为单相光伏并网逆变器输出电流，电压的矢量关系图，3（a）为电网中无功电流为0时的矢量图；若电网中出现容性无功电流，如3（b）所示，此时开关管Q3、Q4、Q8、Q6、Q7关断，Q5按一定的开关频率高频导通，使逆变器输出电压的幅值和相位发生改变（即3（b）中的θ1+θ2等于3（a）中的θ1）；同理，若电网中存在感性无功电流，如3（c）所示，此时使开关管Q4、Q5、Q6、Q7、Q8关断，Q3按一定的开关频率高频导通时，从而使逆变器输出电压的幅值和相位发生改变（即3（c）中的θ1等于3（a）中的θ1，θ2=0），这样该光伏逆变器能实现动态补偿感性和容性无功。

图3单相光伏逆变器并网矢量图

当光伏电池输出能量时，逆变器将直流电变成交流电输送到电网，同时有选择地对电网补偿一定的无功电流；当光伏电池输出功率低于某值停止输出时，逆变器继续对电网进行无功补偿。在任一时刻，无电流流过桥半导体，与传统H桥逆变器相比，可提高逆变器的转换效率，实现了一套光伏并网发电系统的多功能使用，既改善了电网的电能质量，又提高了整个系统的利用效率。

2控制方法

单相光伏并网逆变系统的控制环包括：光伏电池阵列电压环（boost变换器控制环）和逆变控制环，本文不对boost变换器控制环作详细的研究。图4为单相光伏逆变器双闭环系统的控制框图。

boost变换器输出一母线电压给定，此母线电压给定值与直流母线上最大功率点对应的母线电压反馈值作差值后经电压PI控制器，再经限幅处理后与正弦表相乘得到与电网同步的电流信号，此电流信号称为电流参考值；逆变器电流反馈采样值和电流参考值比较后，经电流PI控制器输出指令量纲为电压，此电压指令量纲与电网电压前馈相加后，得到所需并网电压指令，与直流母线电压做除法后得到调制度，其连续波形为调制波，与三角载波比较后产生PWM波形，用以控制逆变器开关管的动作，不仅实现了无功补偿的功能，而且还实现了并网电流的控制，整个系统更加稳定可靠，抗干扰性更好。

3仿真实验研究

利用PSIM软件对该逆变器系统进行并网和无功补偿技术的仿真研究，PSIM是趋向于电力电子领域以及变频器控制领域的仿真应用软件，基于PSIM6.0软件建立的控制系统仿真模型。

当t=0.02s，出现感性无功，并网电流的波形如图5（a）所示，当t=0.02s，出现容性无功，并网电流的波形如图5（b）所示，从波形中可以看出并网电流能完全跟踪指令电流，电流波形平滑、稳定、谐波含量低；该拓扑结构的光伏逆变器可以实现动态连续补偿感性和容性无功，降低了电网的无功损耗，在实现并网的同时，还提高了功率因数，达到了治理电网的电能电量，提高了整个光伏发电系统的转换效率。

图4单相光伏并网逆变器控制系统框图

图5并网逆变器电流波形

4结语

本文介绍了一种高效率且能实现无功补偿技术的单向光伏并网逆变器，该光伏逆变器在实现可靠稳定的并网发电同时，还可以补偿电网上的无功。运用PSIM软件建立的仿真模型验证了此光伏逆变器的高效性和所采用控制方法的可靠性，并证实了无功补偿技术的可行性。参考文献：

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