并网逆变器输出电压直流分量的研究字

并网逆变器输出电压直流分量的研究

张娟,王赞,肖岚

（南京航空航天大学，江苏南京210016）

摘要：与独立工作的逆变器相比，并网逆变器不仅要保证低的输出电压谐波畸变率和高效率，而且要求输出电压与电网电压大小、相位一致，更重要的是必须保证有低的进网电流谐波畸变率，以免对电网造成污染。双Buck逆变器类似于半桥逆变器，输入侧分压电容的电压偏差受很多因素的影响。分析了输出电压中的直流分量与分压电容电压偏差的关系以及对进网电流谐波畸变率的影响，并进行了实验验证。

关键词：逆变器；电容分压/不均压；环流；直流分量；进网电流

中图分类号:TM714文献标识码:A文章编号:1000-100X（2007）11-0053-03

Research on DC Bias Components in Output Voltage of Grid-connected Inverter

ZHANG Juan，W ANG Zan，XIAO Lan

（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：Compared with independent inverters，grid-connected inverter should ensure low Total Harmonic Distortion（THD）of the output voltage and high efficiency，and keep accordance with the utility.The most important is that the gridconnected inverter should also ensure low grid current THD to avoid the grid pollution.Double Buck inverter is similar to the half-bridge inverter.The voltage displacement of the two capacitors at the input terminal was affected by several causes.This paper analyzes the relationship between the DC components of the output voltage and the voltage variation of the capacitors at the input terminal，as well as the grid current THD influenced by the dc components of the output voltage.In the end，it is verified by experiments.

Keywords：inverter；capacitor voltage-sharing/voltage unbalanced；circumfluence；DC components；grid current

1引言

近几年来，随着能源问题的升温，分布式发电系统和UPS的研究日益普遍[1]，并网技术作为能馈系统和光伏系统的接入口，越来越受关注。然而，由于电压基准正弦波中的直流分量、控制电路中运算放大器的零点漂移、功率电子器件参数的离散性等原因，输出电压中会产生直流分量。这给电源系统本身和用电设备都带来了不良的影响。采用双Buck主电路拓扑结构的并网逆变器，其输出电压中的直流分量除了上述影响外，还会对进网电流THD 产生影响，从而对电网造成污染。双Buck逆变器与半桥逆变器类似，由于输入侧两个均压电容存在着电容电压偏差问题，极易导致系统性能的恶化，甚至使系统失控。影响电容电压偏差的因素很多，如电感电流大小及其初始相位角，电容值的大小等[2]。其中电感电流的大小由输出功率决定，电感电流初始相位角则取决于开机瞬时输出电压参考波的瞬时值，但这是一个随机量，无法控制，而电容由于受到体积的限制，其容值也不可能取得很大。

对输出电压中直流分量与分压电容电压偏差的关系以及对进网电流THD的影响进行了深入的理论分析，并进行了仿真和实验验证。

2双Buck并网逆变器的控制原理

所研究的并网逆变器可独立工作或并网运行[3]。独立工作时采用电压控制模式；并网工作时采用电流控制模式控制进网电流。在独立工作模式与并网工作模式之间实现了无缝切换，可以避免切换过程中负载电压的畸变，也能使电压和电流的冲击降到最小。如图1所示，逆变器主电路采用了双Buck拓扑结构。

图1双Buck并网逆变器主电路

UD———直流输入电压uo———逆变器输出电压S1———并网开关ugrid———电网电压iC1，iC2———分压电容C1，C2的电流iL1，iL2———滤波电感L1，L2电流C1，C2中点接地。传统的独立与并网双模式运行的逆变器在并网工作时一般采用进网电流外环加电感电流内环的控制方式，该方法中iC1，iC2对进网电流igrid的功率因数!有很大的影响，这里采用电压外环对iC1，iC2进行了补偿，改善了进网电流质量，提高了功率因数。图2示出系统工作在独立模式和并网模式下的控制框图。逆变器独立工作时采用电压外环PI调节。并网运行时，采用进网电流外环加电压环和电感电流内环的三环控制。此时的电压基准为ugrid。

图中Kp，KI———比例和积分系数K3———进网电流反馈系数K1，K2———电感电流、逆变器输出电压反馈系数Kip———进网电流环比例系数igrid*———进网电流给定

2逆变器输出电压直流分量

在并网逆变器中，如果电网电压与逆变器的输出电压幅值存在很小的电压差，在并网开关合上的瞬间，就会在逆变器和电网之间形成很大的环流，造成负载电压畸变，同时，对进网电流THD也会有很大的影响。由于电网电压ugrid的直流分量udc很小，所以udc应限制在很小的范围内。基准正弦波含有直流分量，控制电路中运算放大器的零点漂移，开关管自身特性及其驱动信号不一致等是影响udc的主要因素，其中基准中直流分量的影响最大。

2.1直流分量对电网的影响

与传统的并网控制策略相比，改进型并网控制策略在并网后通过电压环补偿了电容电流，消除了输出滤波电容电流对电网的影响，从而可以实现独立与并网两模式之间的无缝切换。小功率逆变器并网时，可将电网容量看成无穷大，因此电网可等效为一电压源。图3示出电网与采用电流输出型逆变器构成的并网逆变器结构图。逆变器等效为一理想电流源i1和等效内阻Zo并联。

图中igrid，Zgrid———电网电流与电网线路阻抗iR，ZR———负载上的电流与负载阻抗io———逆变器输出电流S1———并网开关并网逆变器的uo应与ugrid相一致，否则有：

Igrid=(Ugrid-Uo)/Zgrid（1）

并网过程中，在控制模式切换之后并网开关合上之前，此时uo以ugrid作为基准，跟踪ugrid。但由于运放的零点漂移，驱动信号不一致等因素会导致uo中含有udc。假设此时uo中含有udc，则有：uo（ωt）=Ugridsinωt+udc（2）式中Ugrid———电网电压幅值ω———电压的角频率

此时电压环PI调节器的输出作为电流环的给定，也就等于电容电流。由图2b有：Ugridref（s）KP+K

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