具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.21 No.1

Jan. 2006

具有无功补偿功能的单级式

三相光伏并网系统

吴理博 赵争鸣 刘建政 王 健 袁立强

（清华大学电机工程与应用电子技术系 北京 100084）

摘要 随着光伏发电技术的推广应用，具有无功补偿功能的光伏并网系统对于减轻电网负担、改善供电质量具有重要意义。本文提出了一种具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统。该系统实时检测太阳能电池输出电压和电流、电网电压和负载电流，在实现太阳能电池最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)的同时，还能够实时补偿本地负载的无功电流。由于采用了改进的干扰观测法，MPPT算法的稳定性得到了改善；在逆变控制中应用了单周期控制（One-Cycle Control, OCC）PWM算法，从而提高了控制精度，减小了输出电流的纹波含量。文中给出了仿真和实验结果，验证了设计的合理性。

关键词：太阳能 光伏 并网 无功补偿 中图分类号：TM615

Implementation of a Single-Stage Three-Phase Grid-Connected

Photovoltaic System With Reactive Power Compensation

Wu Libo Zhao Zhengming Liu Jianzheng Wang Jian Yuan Liqiang

(Tsinghua University Beijing 100084 China)

Abstract Electricity from decentralized grid-connected photovoltaic (PV) systems is becoming important constitution of the electric power system. Grid-connected PV system with reactive power compensation can reduce electric network load and improve power system stability. This paper proposes a single-stage three-phase grid-connected PV system with reactive power compensation, which can track maximum power point of PV panels and compensate reactive power of local load simultaneously by detecting PV output voltage and current, grid voltage and load current. A modified maximum power point tracking (MPPT) strategy is also presented in this paper, which can improve the stability of the single-stage grid-connected PV system during rapidly changing process of light intensity. One-cycle control (OCC) method is employed to reduce harmonics in the output current of the inverter. Simulation and experimental results were carried out to verify the proposed method.

Keywords：Solar energy, photovoltaic, grid-connected, reactive power compensation

为太阳能利用的主要方式之一[1]。

光伏发电系统通过配合容量适合的逆变器连接到公共电网上，就可以实现并网发电。具有并网功能的光伏发电系统不需要储能环节，在白天日照充足情况下，除了提供本地负载，多余电力可以提供给公共电网；夜间或阴天情况，本地负载则直接从电网获取所需电力。

在光伏发电系统中，主要的问题是如何提高太阳能电池工作效率，以及提高整个系统工作的稳定

1 引言

随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为21世纪人类所面临的重大基本问题，清洁、可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。近二、三十年来，太阳能光伏发电技术得到了持续的发展，户用分布式光伏并网发电已经成

收稿日期2005-03-11 改稿日期2005-10-10

第21卷第1期

吴理博等 具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统 29

性[2]。系统中的电力电子变换是解决该问题的关键，其电力变换环节一方面要实现太阳能电池最大功率点跟踪，一方面要实现逆变电路的正弦波输出和相位控制。对于两级式或多级式的光伏并网系统，这两个功能一般都在两个变换环节中分别实现。例如，先在一个DC/DC环节中实现MPPT控制，再在一个DC/AC环节中实现正弦电流输出与相位控制[3]，这样有利于控制功能的分别实现，但多级变换会带来更多损耗。

由于单级式光伏并网逆变系统中只有一个能量变换环节，控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点，也要同时保证对电网输出电流的幅值和正弦度，其控制一般较为复杂。目前实际应用的光伏并网系统采用这种拓扑结构的仍不多见。但随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的飞速发展，系统拓扑结构引起的控制困难正在逐渐被克服，单级式光伏逆变系统已成为国内外光伏发电领域的一个研究热点[4,5]。

本文给出了一个具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统的设计与实现。系统实时检测太阳能电池输出电压和电流、电网电压和负载电流，在实现太阳能电池MPPT的同时，还可以实时补偿本地负载的无功电流。由于采用了改进的干扰观测法，MPPT算法的稳定性得到了改善；逆变控制中还应用了单周期控制PWM算法，从而提高了控制精度，减小了输出电流的纹波含量。控制系统采用DSP TMS320 F2407A作为核心控制芯片构成。

本文介绍了三相光伏并网系统的构成，阐述了单级式并网系统中采用的改进MPPT算法，并结合仿真解释了这种算法具有的良好稳定性，介绍了系统中实现的无功补偿功能和单周期控制算法，给出了仿真和实验结果，验证了设计的合理性。

作为外环控制，保证光伏并网系统工作在最大功率点，实现最大的功率输出。内环控制可采用普通的PWM滞环比较方式，也可以采用对控制实时性要求更高的单周期控制[4]等方法。外环为功率环，是系统控制的核心。同时系统通过检测三相负载电流，实时计算得出其无功分量，就可以在逆变输出时通过控制加以补偿。

图1 单级式三相光伏并网系统组成示意图 Fig.1 Schematic diagram of a single-state three-phase

grid-connected photovoltaic system

3 单级式光伏逆变系统中的改进MPPT

算法

3.1 定步长MPPT算法

太阳能电池输出特性为非线性，而且受光照强度和环境温度影响。如图2所示，太阳能电池在任何时刻都存在一个最大功率输出的工作点，而且随着光照强度和温度的变化而变化。为了能够让太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力，就需要实时控制太阳能电池的工作点以获得最大的功率输出。

2 三相光伏并网系统的组成

单级式光伏并网逆变系统由太阳能电池阵列、直流母线电容C、逆变桥以及滤波电感组成，示意图如图1所示。在一些系统中，由于光伏电池电压相比电网电压较低，逆变桥后还会增加升压变压器。

在图1所示的单级式并网系统中，一般采用双闭环控制。电网交流电压和电流采样环节，电压同步环节，PWM调制环节和驱动单元四个部分作为内环控制，控制直流到交流的逆变，保证系统较好的逆变品质；输入功率采样环节和功率点控制环节

图2 太阳能电池功率电流特性曲线 Fig.2 PV terminal P-V characteristics

太阳能电池最大功率点的跟踪实现，一般采用

30

电 工 技 术 学 报 2006年1月

功率差分值作为判据。通过对太阳能电池的输出电压和电流进行连续的采样，并将每次采样的一组电压电流数据相乘折合成功率值，然后减掉上一次采样得到的功率值，即为功率差分值。当功率达到最大值时满足式

∂PPV∂(UPVIPV)∂IPV∂UPV

==UPV+IPV=0 ∂UPV∂UPV∂UPV∂UPV

文提出了一种新颖的变步长的MPPT控制算法。这种算法的改进主要在于功率环的控制，改进后的算法实现了系统的高效、稳定运行。

在光照强度比较稳定或者只有较小扰动时，变步长的MPPT算法与定步长算法相似，都是通过增加或减少逆变电路的输出有功达到跟踪太阳能电池最大工作点的目的。不同的是，变步长算法中增加或减少PREF时采用了不同的步长值。增加情况下的步长小，减小情况下的步长大。这样，当PREF超出当前太阳能电池最大功率时，系统能较快减小PREF以保证母线电压不至于跌落太多，使太阳能电池仍工作在最大功率点附近，从而达到系统的稳定。

但是，在光照强度发生较大扰动或者阶跃变化时，用较大的步长减小PREF仍不能保证系统的稳定。在改进算法中，系统在前端实时检测太阳能电池输出电压UPV和电流IPV，计算得到其输出功率PPV。当检测到太阳能电池输出功率突然变小的情况，则认为光照强度发生阶跃变化，系统参照这时的PPV来设定逆变输出功率PREF，使母线电容上输入输出电流基本平衡，这样就避免了母线电压的不稳定现象。

应用改进算法对光伏并网逆变系统进行了仿真。图3是光强发生下降阶跃情况下的仿真波形。由图可知，采用新的算法后，由于控制系统实现了对光照强度阶跃变化的准确检测，并快速地修改减

即可近似认为达到最大功率点。如果

UPV

∂IPV∂UPV

+IPV>0 ∂UPV∂UPV

说明太阳能电池阵列输出功率增大的方向为电压增加方向；如果

UPV

∂IPV∂UPV

+IPV<0 ∂UPV∂UPV

说明太阳能电池阵列输出功率增加的方向为电压减少的方向[6]。

由于在一定的光照强度下，太阳能电池的输出功率只与环境温度和端电压有关，因此在单级式光伏并网逆变系统中，改变太阳能电池的工作点只能通过调整母线电容C上的电压进行，即改变逆变电路的输出有功来进行调节。定步长MPPT算法就是以固定步长修改逆变电路输出有功设定值（PREF） 从而跟踪太阳能电池最大功率点的。 3.2 母线电压崩溃现象

当光伏并网系统仅仅采用定步长跟踪策略进行MPPT控制时，往往会发生母线电压崩溃现象。逆变输出有功的调整步长选取得不合适时也会引起这一现象。

由上一小节内容可知，跟踪太阳能电池最大功率点的过程，就是不断调整逆变电路有功输出，从而使太阳能电池实际工作电压在最大功率点左右反复跟踪、调整的过程。当太阳能电池工作电压大于最大功率点电压时，通过增加逆变电路输出功率使其降低；当太阳能电池工作电压小于最大功率点电压时，通过减小逆变电路输出功率使其增加。但是，在后一种情况下，如果光照减弱，减小后的逆变输出功率仍大于太阳能电池的输出功率，就会导致母线电容电压即太阳能电池的工作电压进一步降低。参照图2，工作点由最大功率点向左移动时，太阳能电池输出功率进一步减小，又导致母线电压下降，直到无法输出给定的逆变电流，从而导致母线电压崩溃。

3.3 具有功率前馈控制的改进MPPT算法

针对光伏并网系统中的母线电压崩溃现象，本

图3 改进MPPT算法在光强下降阶跃情况的仿真波形 Fig.3 Simulation of tracking process during step change

of light intensity with the modified MPPT strategy

第21卷第1期

吴理博等 具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统 31

小了逆变输出功率参考值，从而避免了母线电压崩溃现象。在光照强度下降阶跃达到40%的情况下，仿真表明系统算法仍具有较好的稳定性。

元件会影响电流控制的响应速度，如果控制周期过短会影响MPPT的跟踪效果，甚至可能引起跟踪错误；过长则达不到MPPT的跟踪要求。根据仿真和实验的数据，MPPT控制环的周期设定为几十到几百ms级。

4.2 逆变输出电流的单周期控制

当光伏并网系统控制部分提供出了电流参考值后，就需要一种合适的PWM控制方式使得并网系统发出的电流能够跟踪参考电流。目前有多种PWM控制方式，例如三角波比较法、空间矢量调制方法等。不同的PWM控制策略，其对参考电流的跟踪能力也不同。

在本论文提出的光伏并网系统中采用的PWM方式是单周期控制。在数字控制技术的不断发展、数字电路硬件成本的不断降低的今天，数字化PWM控制方式具有更加广泛的应用前景。本文采用的基于OCC的PWM实现方案，其控制系统由高性能数字信号处理器(DSP)实现。与模拟控制相比, 数字化控制具有控制灵活、易改变控制算法和硬件调试方便等优点。这种方法的原理是在每一个开关周期的开始时刻，采样并网逆变器的输出电流i，并且预测出下一周期开始时刻逆变器输出电流的参考值 i*，由差值i*−i计算出开关器件的开关时间，使i这种方法计算量较大，在下一周期开始时刻等于i*。

但由于其具有开关频率固定、动态响应快的特点，因此十分适合于三相光伏并网系统的数字控制[4]。

4 逆变控制算法与实现

4.1 负载无功检测与补偿

三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年提出，此后经过不断的研究逐渐完善，突破了传统的以平均值为基础的功率定义，它包容了传统的无功功率理论，具有更广泛的适用范围。以该理论为基础，可以得出检测电流的有功、无功和谐波电流实时检测方法[7]。

如图4所示，运算中首先将负载电压、电流变换到α−β坐标系，求出瞬时有功、无功功率p、q。低通滤波器LPF检出其中直流分量p0、q0，代表了基波产生的有功和无功功率，经Cpq−1、C23得到负载基波电流iaf，ibf，icf，最大功率点跟踪控制MPPT实时提供光伏阵列有能力输出的三相最大有功电流参考iPVa、iPVb、iPVc，它们与负载电流经过计算单元CAL得到并网系统输出电流参考值iaref、ibref、icref，参考值中包含负载谐波电流分量和光伏输出有功电流。如果光伏并网系统还需补偿无功电流，则将q支路中的LPF断开，并且设定为零，这样运算出的iaf、ibf和icf为基波有功电流，补偿电流指令iaref、ibref和icref中除包含负载谐波电流分量和光伏输出有功电流外，还包含了负载的无功电流，最终使光伏并网系统达到既提供有功功率，还能补偿无功的目的[8]。

5 实验结果与分析

在实验室样机研制的基础上，进行了系统相关功能的测试与试验。试验系统由300Wp太阳能电池、并网逆变器、控制器以及并网变压器组成，试验采用了三相对称负载。实验波形如图5所示。

图5a为只输出有功时并网逆变器输出侧U相电压与电流波形；图5b、图5c分别为补偿超前和

滞后无功时并网逆变器输出侧相电压与电流，其中图5b中为一相波形，图5c给出了三相波形；图5d为应用OCC算法的逆变输出电流波形，为了便于观察波形细节，时间刻度选为1ms/格。从图中可以看到，在逆变器开关频率仅为4kHz时，输出电流波形仍保持了很好的正弦度和较少的纹波含量。

图4 三相光伏并网系统参考电流提取算法框图 Fig.4 Computation diagram of output current reference value in the three-phase grid-connected photovoltaic system

在这个控制框图中涉及到检测谐波的功能的部分，根据香农定理采样频率要高于待补偿的谐波频率的两倍，因此这部分的控制周期比较小，范围在几十到几百µs；太阳能电池MPPT部分的控制周期不需要很短，因为环境中气温和光照的变化是相对比较缓慢的，而且主电路存在的集中和分布的感性

6 结论

本文提出并实现了一种具有无功补偿功能的单级式三相光伏并网系统。结合瞬时无功理论和OCC

32

电 工 技 术 学 报 2006年1月

控制方法，并网控制器在快速、准确跟踪太阳能电池最大功率点的同时，实现了对本地负载无功电流的检测和补偿。系统采用了具有功率前馈控制的改进MPPT算法，在光照强度、环境温度等系统参数突变的情况下，能快速寻找新的工作点，表现出很好的动态特性。由于上述控制功能集成在了一个能量变换环节中，因此系统还具有结构紧凑、效率高

(a) 不补偿无功时并网逆变器输出侧相电压与电流波形

和成本较低的特点。

参考文献

1 Antonio L, Steven H. Handbook of photovoltaic

science and engineering. Chichester. Hoboken, NJ: Wiley, 2003 2 3

吴理博, 赵争鸣, 刘建政等. 用于太阳能照明系统的智能控制器. 清华大学学报, 2003,43(9):1195~1198 Lohner A, Meyer T, Nagel A. A new panel-integratable inverter concept for grid-connected photovoltaic systems. IEEE Proc. of ISIE’96. Poland: IEEE press, 1996, 2: 827～831 4

Chen Y, Smedley K. A cost-effective single-stage inverter with maximum power point tracking. IEEE Transaction on Power Electronics, 2004, 19(5): 1289～1294 5

Liang T J, Kou Y C, Chen J R. Single-stage photovoltaic energy conversion system, IEE Proceedings on Electric Power Applications. 2001, 4(148):339～344 6

Kawamura T, Harada K, Ishihara U, et al. Analysis of MPPT characteristics in photovoltaic power System. Soloar Energy Materials and Solar Cells, 1997, 47: 155～165 7

王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京: 机械工业出版社, 1998

8 Akagi H，Kanazawa Y，Nabae A．Instantaneous

reactive powercompensators comprising switching devices without energy storage components．IEEE Trans on IA，1984, 20(3)：625～633

作者简介

吴理博 男，1980年生，博士研究生，主要研究方向为电力电子和太阳能光伏技术。

赵争鸣 男，1959年生，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子、电机集成系统和太阳能应用技术。

(b) 补偿超前无功时并网逆变器输出侧相电压与电流

(c) 补偿滞后无功时并网逆变器输出侧三相电压与电流

(d) 应用OCC算法的逆变输出电流波形

图5 三相光伏并网系统实验波形

Fig.5 Experimental waveforms of the three-phase

grid-connected photovoltaic system