H6桥单相光伏并网逆变器控制策略研究

《电气自动化》2020年第42卷第3期
电控制
The New Energy Power Control Technology
H6桥单相光伏并网逆变器控制策略研究
郭威，王君艳
(上海交通大学电气工程系，上海200240)
摘要：如何解决光伏并网漏电流问题是光伏产业发展的关键之一。

基于H6桥单相光伏逆变器对其漏电流和控制方法进行了深入研,立了准PR控制、制及其复合控制的模型。

通过MATLAB仿真，验合控制既改善了滑模控制在的抖振现象，又很好地补偿了电流过零点畸象,同时谐波特性较传统的滑模控制也有很大改善。

通过对于的漏电析，H6 可以其电流的特性。

关键词：单光伏；H6拓扑;准PR控制;滑模制;漏电
DOI：10.3969///issn.1000-3886.2020.03.010
［中图分类号］TM46［文献标志码］A［文章编号］1000-3886(2020)03-0031-03
Research on a Control Stmtegy of the H6BriOge
Single-phase Photovoltaic GriO-connected Inverteo
Guo Wei!Wang Junyan
(Department of Elehrical Engineering,Shanghai OiaoWoug UniversityShanghai200240，China$
Abstract：How to solve the problem of photoveltaie grid connection leakage current is one of the key points in the development of photovoltaic industry.Based on the H6bridge single-phase photovoltaic invertee,leakage current and control methods were studied in depth,and models were established foe quasi-BR control,sliding mode control as well as theie composite control strategy.MATLAB simulation eeeoooed thatthecomposoteconteoesteategynotoneyompeoeed theeobeatoon on theseodongmodeconteoe，butaesocompensated ooe cu e e ntdostoetoon occu e ongoeeetheeeeopoont Fuetheemoee,haemonocchaeacteeostocsweeegeeateyompeoeed ascompaeed to teadotoonaeseodongmodeconteoe Anaeysosootheeeakagecu e e ntcondotoon ootheoneeeteepeoeed thattheH6oneeeteecoued maontaon ots peopeetyooeoweeakagecu e e nt
Keyword-:single-phase photovoltaic inverter;H6topoloey;quasi-BR control%sliding mode control%leakage current
0引言
目前，能源问题已经成为全人类社会所面临的严峻问题。

可
再生能源的开源枯竭问题很好的手段，可以自产自
用，了传输过的。

近，光伏发电作为代表
性的一种在都掀起了热潮。

国用的非隔离型单极性调制的传统H桥，种很电⑴。

，提出了单相H6桥拓扑的⑵。

H6桥光伏，尝试验证了不同控制方法，并最终采取基于准PR-滑模复合控制控制，通过MATLAB/Simulink仿真试验，验证了该控制方法的可行性和优越性。

1主电路拓扑结构
H6桥拓扑电路是为解决非隔离型逆变器共模漏电流问题提出的一种新型拓扑。

H6在电网电压过零后将交侧与直流侧隔断，从制共模漏电流。

H6桥拓扑电路（见图1）由6个开关管和2个二极管组成:S1）S2、S3、S4、S5）S6均为IG-BT；D1和D2为续流二极管;厶、＞2为滤波电感；U o为直流电压; =为直侧电流;U g为电网电压;0g为并网电流。

2中:U g为电网电压;（为因数角;u re c为调制波电压。

定稿日期：2019-12-27
D12\Z&D2厶2
图1H6拓扑结构
在H6桥单相逆变器输出有功时,开关管S1~S4工作于高频开断状态，而开关管S5、S6工作于电网。

在H6桥单相逆
器输出无功时，开关管S1~S4关断,S5或S6工作于高频状态⑶o 2H6逆控制
针对逆变器的运行方式和特点，其控制方式常见的有pi控制、制、比例谐制和无制等。

，以制方法在H6都有一定的应用。

本文提出了基于准PR控制和滑模变结构控制的混合控制方法。

2.1准PR控制器控制原理
设电网电压U g的表达式为：
Electrical Automation
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u g = U g sin "
(
1)
式中：U 为电网电压峰值。

由于系统需要输出无功,则并网电流相位与电压不同，不妨 设电网电流i g 为：
i g =g sin( " _()
(2)
式中：I 为电网电 。

设主电路AB 两端电压为u a .，则根据H6桥逆变器主电路电 流电压关系可得：
d i g
u ab _ u g = L "d"
(3)
对式(3)作拉普拉斯变换得：
u ab - u g Ls
可以将逆变电路视作一个延迟环节，延迟时间在一个开关周
期之内，可以取为开关 的一半0.5T ,采用一 性环节
此延迟环节，即：
G pwm
( 3 = D
WM
(5)0. (/s
& + 1
而PR 调节器的传递函数为：
K s
G PR
(
3 - K P + 2^2
(6)
PR 调节器的幅频特性为：
由式'7)可知，在基波频率处,PR 调节器的幅频特性值为无 穷大，可 正弦波信号的无 跟踪,但实际应用中很少采用PR 控制器。

因为在 工 ，一旦电网电压频率移，
统对于谐波的抑制作用减弱， 很好地抑制谐波电压。

在实际应用中多采用准PR 控制器，传递函数为：
G pr ( 3 =p +3+2"3 +
(
8)
调制电压波U /z 是由参考电流与反馈电流的差经准PR 环节
的，即：
%加3 -°g ((9)
2.2基于滑模变结构的控制原理
滑模变结构控制的关键在于滑模方程的确定,既要便于离线
分析， 契合
工况。

一 ，系统的 间
1
-f( X )中存在切换面s( x ) =s( X 1 ,X 2，…,X n ) =0，它将状态空间
分为S >0和S <0两部分。

在这个切换面上的运动点有常点、起 点和止点三种。

制 动模 的点均为止点，那
么就要求Lypunov 型到达条件：
{1"
(
10)
满足上述条件的系统便可以稳定于s=0区域。

然 于H6 在开关的不连续性，系统会出现“抖
振”的现象。

若 消除则会同时消 统本身的抗参数摄动以
及抗外
动的能力。

因此，只能通过控制抖
优化系统
的性能。

常用的方法有准滑动模态方法、趋近律方法、
观测
方法、动 模方法以及滤波方法等%4&"本文主
用趋近率
方法以及准动 模方法来改善滑模仿真 在的抖
象。

选取s = d z-g =0为系统切换面，其中为参考电流，则有
根据滑模控制的原理，想要满足滑模变结构的可到达性条 件，只 统在
间的任意位置都可以在有限时间内运动
换面上即可，对于 点的运动轨迹没有任 。

因此可
以通过控制系统趋近运动的轨迹来改善趋近运动的品质。

本文尝试通过对指数趋近率的滑模控制 改进，从而能够
更好地优化并网电流波形。

数 近律 3选取一
：
s =-)s gn s - ks (
12)
[_ g - s % 6]
本文使用饱和函数⑸以及s 型函数戶^ 替滑模趋近
1 +c 率中的符号函数。

滑模控制率分别为：
s = -)sat ( 3 一 ks
( 13 )
1—c -
7
—- (14)
1 + C 7
易证，饱和函数及S 型函数的正负性与S 相同。

且有：
3 = -)sa t ( 3 s - ks 2 < - ks 2 < 0
( 15 )
s =-)1—_-_ s - ks 2 < - ks 2 <0
(16)
1 + C 7
因此,上述两种趋近率均可以保证滑模运动的稳定性。

基于 (15)以及 (16) 制 的 模 真， 其
于抖振问题有改善作用， 的电流波形仍然不是很理
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想。

此时考虑对系统滑模函数进行调整，设计滑模函数为s(r= c[g ef(r-0g(r&(C>1(。

由于，系统的最终的状态稳定于0(r-t g(r=0,因此此时系统收敛的速度取决于参数c的。

要改统的抖振现象,参数c应在大于1的范围内取值。

此时,选取系统趋近率为式(13)，则有：
由逆变器主电路关系式(3(得
联立式(17)与式(18)得AB两端电压u”.为：
d o I
u a.=L—I-+u g-~c~[-)sat(s)-ks&(19)即可输入调制器，进而对功率开关进行控制。

2.3基于准PR-滑模复合控制原理
由于滑模控制器不具波效果，其谐波含量较高。

因此在滑模控制尝试加入滤波效果优异的准PR控制器，并观察这种复合控制可以在改善电流过零点畸变的同时拥有较低的谐波畸变率。

3H6逆控制仿真
为验证基于准PR-滑模复合控制能够实现对H6逆变器的无制，并有效改善过零点，同时验证H6漏电的特性，本文建立了基于MATLAB的仿真模型。

3.1准PR控制、滑膜控制与复合控制效果对比
经过MATLAB的试验仿真，各个控制方法的并网电流及其谐波3~丨5所示。

0.3300.3320.3340.3360.3380.3400.3420.3440.3460.3480.350
t/s
THD=2.91%
谐波级波
图3准PR控制效果
准PR控制策略THD为2.91%,但是其过零点处的效果不好，存在较为的畸变现象。

模面优化后的制策略THD为3.43%，但是波形过点处畸有所提升。

准PR-滑模复合控制THD为2.92%,同时过零点处畸较好,兼具了两种单独控制的优点。

0.1800.1820.1840.1860.1880.1900.1920.1940.1960.1980.200
t/s
0.40
0.35
0.30
忘0.25
右0.20
自0.15
0.10
0.05
THD=3.43%
01234567891011
谐波级波
图4滑膜控制效果
0.0300.0320.3240.3260.3280.0400.0420.0440.0460.0480.050
t/s
谐波级波
图5复合控制效果
3.2共模漏电流情况仿真
为了验证H6桥的能够抑制共模漏电流的特性，对其共模漏电流的了仿真，在合控制的，共模电流6所示。

V
A
U
、烬
曲
B
00.050.100.150.200.250.30
t/s
图6复合控制仿真波形漏电流情
(下转第58页)
EeecoiocaeAuoomaooo-
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Power System&Automation
0.05
-0.05
00.5 1.0 1.5 2.0
时间/(xl0_5s)
(a)
频率/Hz
(b)
图12过滤后实测信号波形图（a）和频谱图（b）
图13过滤后实测信号Spectwaram
4结束语
本文提出一种基于Spectrooram谱图抑制窄带干扰方法。

通过计算信号的时频特性来标定，同时提取出基于功率密度谱的滤波阈值对整个信号波。

仿真和实测数据的处理结果表明，该算法可识别信号内多个信号，并对其加以抑制，显提升信号的信噪比。

参考文献：
:1]谢良聘，朱德恒•FFT频域分析算法抑制窄带干扰的研究[J].高电压技术，2000,26（4（:6-8.
（上接第33页）
合控制下的H6桥逆变器进行漏电流情况分析。

此时，取对地寄生电容为4.7nF，H6桥的漏电流可以保持小于200mA,大部分时间甚至小于50mA。

根据德国DIN VDE0126-1-1标准明确规定，当漏电流峰值大于300mA时,光伏并网系统必须在0.3s内与电网断开。

这样的漏电流情况可以很好地满足并网运
的。

4结束语
为满足H6桥单相逆变器的控制要求,提出了基于准PR控制和滑模变结构控制的负荷控制策略。

该控制策略结合了准PR 制器无制和滑模变结构控制过零点效果较好的优点。

试验验证了复合控制的控制效果，表制方法既改善了滑模控制中存在的抖振现象，又很好地补偿了电流过零点畸变现象，同时谐波特性较传统的滑模控制也有很大改善。

通过对于逆的漏电析，H6可以其低电流的特性。

因此,基于准PR-滑模复合控制策略:2&徐剑，黄成军.局部放电窄带干扰抑制中改进快速傅里叶变换频域阈值算法的研究[J].电网技术，2004，28(13(:80-83.
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【作者简介】张家源（1995—）,男，辽宁人，硕士生，研究方向为局部放电信号检测和局部放电脉冲仿真。

【通信作者】胡岳（1978—）,男，湖南人，博士，高级工程师，研究方向为局部放电检测、变电站局部放电定位、局部放电检测系统性能评估和微能源系统。

合H6单的。

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【作者简介】郭威（1994—）男，山西晋中人，硕士生，研究方向为电力电子与电力传动*王君艳（1968—），女，辽宁大连人，副教授，研究方向为电力电子与电力传动*
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