兼顾有源滤波的三相四开关光伏并网逆变器谭兴国1，2，冯高明王辉2，张黎2（1.河南理工大学电气工程学院，焦作454003；2.山东大学电气工程学院，济南250061）光伏并网技术，提出了一种三相四开关并网逆变方案。该方案依据实际光伏发电情况和电网谐波污染程度，设计了可工作在并网发电模式、有源滤波模式以及兼容模式下的三相四开关并网逆变器，并推导得到各模式下其指令电流的计算方法；并利用电流直接跟踪技术，有效地实现各模式间的自适应切换；针对方案中三相四开关拓扑的直流中点电位偏移问题，给出了直流母线电容电压差值前馈的补偿方法中，MPPT（maximumpowerpointtracking）为光伏逆变器的比较大功率跟踪模块；a、b、c三相输出中，c相功率元件采用串联电容Ci和C2替代。由可知，DC/AC逆变环节米用三相四开关拓扑代替常规的三相六开关拓扑，因此减少了1组功率元件，且只需对三相中的两相进行调制控制。

　　然而，功率元件的减少使得光伏并网变换器的控制性能发生变化，下文将阐述四开关并网逆变器的独特控制规律及对应措施。

　　1.1.2控制规律和特性定义开关函数况、取±1，分别表示b、c相上下桥臂的闭锁通断（见），得到四开关逆变器三相输出电流7Fa、7Fb和7f.之间的关系为：户为微分算子；4为并网电感；"sb和Kc为并网接入点b、c相的相电压；尺为线路电阻；dc为四开关逆变器直流母线电压。

　　由此可见，在三相四开关拓扑中，只需对两相开关函数5b、进行准确控制，即可实现对三相输出电流的控制。但四开关变换器也存在着很多问题，如直流电压利用率较低、直流中点电位偏移等。

　　为保证四开关变换器的输出性能，通常要求其直流侧电压。应为交流输出线电压峰值的2倍以上。这对功率元件承压提出了更高的要求，考虑到大功率并网逆变器中必须配置隔离变压器，因此配置变比为的升压隔离变压器，在直流侧的功率器件电压应力降为1/的同时保证四开关变换器三相输出耦合为0；此外，在控制方面还可以采用过调制技术进一步提高其直流电压利用率。

　　1.1.3中点电位偏移前馈补偿算法由于辅助桥臂上电容流过低频负载电流，因此四开关并网逆变存在直流中点电位偏移的问题，应予以特别关注。将该偏移量Am代入四开关逆变器输出电压方程可得由此可见，中点电位偏移导致输出电压不平衡，进而对并网电流造成影响。由式（2）可知，本文给出的直流中点电位前馈补偿算法的具体步骤为：取Am=0.5（mc厂叫2），其中mci和叫2分别为串联电容Cl和C2承受的电压；在b、c相电流值中加入Am/3作为前馈进行补偿，从而抑制直流中点电位偏移对输出不平衡的影响。

　　1.2控制策略四开关并网逆变器可工作于3种模式：并网发电、有源滤波、以及2者的兼容模式。为充分利用四开关逆变器容量实现光伏发电比较大化与电能质量治理的比较佳补偿，本文给出了一种基于光伏发电功率与电网谐波污染状况的工作模式切换控制准则，如所示。中，/ref为电流内环控制值；Ppv为光伏实际输出功率；八ef为工作模式切换设定的功率阈值；gh为实际谐波畸变系数；gref为谐波阈值。

　　由于逆变系统中光伏出力的波动较大，实时测量光伏电池输出功率'v并与设定的光伏功率阈值八ef进行比较。当光照充足时，Ppvref，四开关逆变器全部容量工作于并网发电模式，比较大限度利用光伏出力。若Ppv　　1.2.1谐波污染指标辨识本文设计了谐波污染辨识模块。一般情况下，对于大多数三相非线性负载，其负载电流含有基波和奇次谐波，其中以5次、7次和11次等低次谐波居多。本文通过快速Fourier变换（fastFourier transformation，FFT）算法提取基波、5、7、11次谐波的电流幅值f/5、/7、/11，并定义谐波畸变系数一旦检测到谐波畸变系数大于设定值gref，则四开关逆变器可从兼容模式切到有源滤波模式，投入全部逆变器容量进行电能质量补偿。

　　1.2.2指令电流生成方法对于这3种模式，必须设计合适的控制策略，既要保证每种模式的正常工作，又要使各模式间能进行简单切换，且过渡过程较为平滑。

　　光伏并网逆变模式实则是对并网电流的控制过程。本文以逆变器输出的两相电流ZFa、ZFb作为控制量，对其进行精确的电流跟踪控制，使其准确跟踪电网电压相位，即可实现光伏并网功能。

　　有源滤波的典型补偿方法分为谐波检测法和直接跟踪算法。在电网电压无畸变的情况下，2种补偿算法控制效果是等效的，可由谐波检测补偿算法推出直接电源电流跟踪补偿算法，推导过程如（a）所示。中，ZL为需补偿的负载电流；ZLh为负载电流谐波成分；ZFref为APF补偿电流指令；ZF为APF输出反馈电流；Zsref为接入点等效电源电流值；4bref、4cref为b、c相电流值；4为接入点等效电源电流反馈；Msa为接入点a相相电压；PLL为锁相环；0为a相跟踪相位；々为补偿系数,为b、c相桥臂的开关信号；/p1和/p2为不同模式下经外环得到的电流幅值。

　　为便于实现模式切换，本文在有源滤波控制中使用电源电流直接跟踪补偿算法，以电源两相电流Zsc、Zsb作为控制量，使其与电网电压波形一致，具体如（b）所示。

　　有源滤波APF模只需补偿电网中的谐波和无功成分，外环提供两相电流4bref和4cref的幅值/p1，用于补偿因开关损耗等引起的直流电压波动，故电流内环b、c相的实际指令电流分别为压实时变化，与电压成余弦关系，实现了对电网信号的准确锁相跟踪。

　　1.3.2通过硬件实现电流滞环跟踪的电路电流跟踪技术的准确性和反应速度直接影响到四开关变换器控制性能。本文采用电流滞环跟踪方式，设计了通过硬件实现电流滞环跟踪的电路。

　　电流的闭环调节及滞环跟踪无需数字信号处理器参与，主控系统只需给出电流指令，从而简化了系统软硬件设计，如所示。

　　控制电路由3部分组成：（1）控制器经电压外环和锁相处理得到电源两相电流信号/sbref和/scref，再经TLV5617A串行DA转换器变换成电压形式的电流指令IrEFB和REFC.（2）电流滞环比较模块。电流/ref与实际电流/FB经比较器产生电流偏差，与设定的电流滞环宽度进行比较，用于产生控制所需开关信号。中，/fbb、/fbc分别为b、c两相反馈电流，上下电流滞环宽度可通过电阻调节。（3）脉冲形成与死区闭锁模块。滞环输出的程逻辑阵列处理，形成具有死区的2路脉冲信号，用于驱动三相四开关变换器的2路桥臂。死区时间取决于电容充放电常数。

　　2，此时直流中点电位偏移基本为0，波形恢复正常，印证了中点电位前馈方法的有效性。

　　2.2不同模式下的控制效果四开关并网逆变器可以工作于单独并网、并网与APF兼容以及单独APF 3种模式，下文将分别对其进行介绍。

　　2.2.1单独APF模式（a）为投切到有源滤波模式时，启动过程中a相上的控制效果，其中为a相非线性负载电流；（b）为三相四开关逆变器输出的三相补偿相电流。

　　由可知，经四开关APF补偿后，电流中的谐波总畸变率（totalharmonicdistortion，THD）由30.7%下降到2.0%，电源电流中的负载谐波成分得到了有效抑制；若适当减小电流滞环宽度，还可进一步减小谐波成分。由Msa和Zsa波形可知，功率因数被补偿为1；电源电流幅值等于负载基波电流幅值（1A），只提供负载基波有功电流；即对于电源而言，非线性负载在四开关APF的补偿作用下，相当于被补偿为线性电阻的形式。

　　2.2.2并网发电与有源滤波兼容模式兼容模，指令中隐含有功并网电流和谐波补偿电流，如所示。电源电流幅值为0.5A，小于基波有功电流设定值（1A）。由（a）可知，此时三相四开关并网逆变器除补偿谐波外，还向负载提供了0.5A的有功电流（这也是电源电流幅值变小的原因），实现了并网发电与有源滤波的兼容控制。

　　改变电流指令幅值士即可改变有功输出与有源滤波控制的占比。

　　2.2.3四开关并网发电模式在光伏并网模式下，四开关变换器以单位功率因数并入电网，控制效果如所示。中，为四开关变换器并网侧a相相电压；四开关光伏变换器输出有功功率'=40W，电压与电流波形一致，功率因数为1，四开关光伏变换器并网发电，向电网提供有功功率。

　　并网模式由上述实验结果可知，通过对四开关光伏变换器施加合适的控制策略、改造隔离变压器变比，即可在四开关低成本拓扑下，实现光伏并网发电与有源滤波多种功能；若在光伏输出侧配置储能，还可以进一步实现能量的双向传输控制，扩大四开关并网逆变器的应用范围。

　　3结论本文结合光伏并网发电与有源滤波等技术，在不改变硬件拓扑的情况下，提高了光伏发电装置利用及供电质量。

　　本文所采用的三相四开关拓扑减少了1组功率元件，其控制实现相对简单；为便于模式间的平滑切换，应采用电流跟踪型控制方法。

　　基于周期积分的单相软件锁相方法，以周期累加的方法取代2次谐波低通滤波，以便对电网信号进行准确跟踪。

　　直流母线电容电压差值前馈补偿方法可有效抑制三相四开关变换器直流中点电位偏移引起的输出不平衡现象。