姬丽雯，卢子广，胡立坤，蓝希清，曾宪金

(广西大学电气工程学院，广西南宁530004)

准Z源逆变器在2009年由彭方正教授提出，因为其特殊的直通工作状态，可以实现任意升降压的同时稳定直流侧电压输入［1］。将其应用于光伏并网系统，解决了光伏输出的间歇性与不确定性对逆变系统的影响［2］。

但是，光伏发电系统的能量转换和传递仍然是建立在电力电子装置的基础上，势必将很多不稳定因素带入电力系统，造成电能质量高渗透率问题［3］，此外，用电负荷一般具有随机波动性，其产生的无功电流亦会给配电网带来污染。准Z源逆变器虽然可以在一定程度上改善并网的电能质量，但对于由上述原因引起的电能污染却毫无帮助。因而，在并网的同时增加无功补偿功能将会是未来光伏发电系统的一个重要研究方向。

文献［4］就两级式光伏并网发电拓扑结构，提出一种将并网与无功补偿相结合的一体化控制策略，实现了较好的无功补偿效果，但因为使用传统的逆变电路，没有直通工作状态，控制过程中加入的死区时间将影响逆变器输出的电能质量。文献［5］应用矢量控制设计了光伏并网及电能质量控制系统，但基于dq坐标系的矢量控制涉及到三角函数，计算量大，编程复杂。文献［6］设计了一种基于Z源逆变技术的新型静止同步补偿器（STATCOM），克服了传统STATCOM 装置易受直流侧电源电压影响的不足，但此文献只是提出新的拓扑结构并没有就此特殊结构提出相应的闭环控制策略。

针对上述问题，本文利用准Z 源逆变器可以克服光伏电池电压波动对系统的影响这一特点，将准Z 源逆变器引入光伏并网与无功补偿控制系统，提出abc 的分相控制策略，从电网侧直接定向，使有功、无功彻底解耦，没有相位检测（锁相环）的设计，避免参数不准确造成的相位检测失误，提高了控制系统的鲁棒性与可靠性。最后利用数字信号处理与控制工程（digital signal processing and control engineering，dSPACE）实验平台设计了基于准Z 源逆变器的光伏并网与无功补偿统一系统，验证了控制方法的可行性。

1 PG-STATCOM工作原理分析

对于基于准Z 源逆变器的光伏发电系统，其主电路包括光伏电池、准Z 源阻抗网络和三相桥式全控型逆变器，该结构与常规的有源静止同步补偿器（STATCOM）主电路具有相似性，因此，本文考虑将两者各自控制特点相结合，构成同时具有光伏并网发电与无功补偿功能的基于准Z源逆变器的PG-STATCOM 系统，这样的光伏并网发电系统可以有效地节省设备投资，简化系统结构，提高设备利用率。

图1 为基于准Z 源逆变器的PG-STATCOM系统工作等效图，is为电网电流，i1为负载电流，in为PG-STATCOM输出的电流，uPCC为光伏逆变装置接入点电压，即负载供电电压。在负载未接入配电网时，光伏电池发出的有功电流全部流入电网中，即电网电流is=in。当负载接入配电网中，就会产生相应的负载电流il，其由有功分量ild和无功分量ilq组成，即

图1 PG-STATCOM系统工作等效图Fig.1 Work equivalent circuit diagram of PG-STATCOM system

当负载的无功分量ilq很大时，电网输出功率因数降低并产生电压跌落，增加线路的能量损耗，影响电能质量［7］。为解决这个问题，需要PG-STATCOM 在产生有功电流ind的同时产生相应的无功电流inq。此时，有

由式（1）可知，当inq=ilq时，得到理想的控制效果，即

负载的无功电流完全由PG-STATCOM 提供，光伏电源产生的有功电流用于负载有功消耗以及并网传输，确保系统运行于单位功率因数。

2 控制系统结构

本文引入了自然坐标控制，其思想是将电力系统主要特征变换为有功和无功信息，实现有功电流和无功电流的独立控制，进而获得三相电流参考值，达到电流控制型逆变器的目的。

图2 自然坐标控制框图Fig.2 The block diagram of nature coordinate control

PG-STATCOM 系统的自然坐标控制策略如图2所示。其中直流侧电压外环在直流侧电压稳定的基础上实现有功功率并网控制，通过PI控制器得到内环有功电流环指令。选择电容C1的电压作为直流侧电压参考值的原因是：准Z 源逆变器的阻抗网络使直流侧电压uPN存在脉动，相比而言，电容C1的电压更容易测量，所以选择电容C1电压作为被控量，进而间接控制直流侧电压［8］。公共耦合点电压外环通过维持负载端电压稳定实现对系统的无功补偿，得到内环无功电流环指令。其中内环有功电流与无功电流通过自然坐标变换得到三相电流参考值，参考电流与逆变器实际三相电流之间的误差经比例积分（PI）控制器产生载波信号ua，ub，uc，经过SPWM调制，实现光伏并网系统的功率调节。

在光伏侧，经过运行最大功率点跟踪（MPPT）算法得到最大功率点电压，通过PI 控制器得到调制信号uT，用来进行SPWM 调制，产生直通占空比信号实现光伏电池输出电压跟踪。

2.1 自然坐标2/3变换

传统矢量控制中，参考有功电流和无功电流需要经过Park反变换和Clark反变换得到三相参考电流，其中锁相环检测的相位信息用于Park反变换中三角函数的计算。此变换过程涉及锁相环的设计，大量的三角函数计算，编程复杂，对控制器提出更高的要求。相比较而言，自然坐标2/3 变换过程不需要设计锁相环，避免三角函数运算，提高了系统的可靠性。下面详细阐述自然坐标2/3变换过程。

由于静止同步补偿器（STATCOM）响应速度很快，传统的基于周期信号幅值的概念已不能满足其对响应速度的要求，必须采用瞬时公共耦合点PCC电压值作为参考值，即

定义与PCC电压同相的有功单位分量为

式中：取ε=10-6，避免除零运算。

三相有功和无功分量坐标如图3 所示，其中va，vb，vc为三相有功单位分量，对称分布。由vb，vc两相可构造出与有功单位分量va相垂直的无功单位分量wa，同理可以得出其它两相无功单位分量。

图3 三相有功和无功分量坐标Fig.3 Three-phase active component and reactive component

三相无功单位分量为

获得的PCC 的有功、无功分量分别与有功、无功参考电流相乘，对应矢量相加，即可得到三相电流指令值，其变换过程如图4所示。

图4 自然坐标2/3变换Fig.4 Two-third transformation under nature coordinate

因此，可以得到内环三相参考电流为

2.2 电流跟踪实现

系统等效结构如图5所示，图5中，输出滤波电感为Lf，PG-STATCOM 系统等效内阻为R，因为配电网线路的等效电阻、电感较小，可以暂时忽略。三相对称的电网电压为

图5 系统等效结构Fig.5 Equivalent circuit diagram of the system

式中：Us为电网电压幅值；ω为电网电压角频率。

O 为虚拟中点，由基尔霍夫定律可知三相桥交流侧电压方程为

式中：uPNa，uPNb，uPNc为逆变器三相输出电压。

将式（2）进行拉氏变换，得到

式中：ia(0)，ib(0)，ic(0)为滤波电感中的初始电流。一般电路的初始状态为零状态，初始电流等于零，所以式（3）可以表示成

从式（4）可以看出，逆变器输出电流仅由逆变器输出电压与电网电压的幅值及相位差决定。这也说明调节逆变器输出电压的幅值和相位，即可实现电流跟踪。由2.1 节计算出参考电流以后，经过电流内环，SPWM调制，即可以实现对逆变器输出电压的幅值和相位的控制，完成电流跟踪。

3 仿真研究

本文以Matlab/Simulink 为仿真平台，对PG-STATCOM 系统的自然坐标控制进行仿真研究。仿真模拟在电压380 V、频率50 Hz的电网上搭建基于准Z 源逆变器的三相光伏并网系统，具体参数为：电容C1=1 000 μF，C2=1 000 μF，电感L1=50 mH，L2=50 mH，滤波电感Lf=3 mH，配电网电感Ls＝0.5 mH，配电网电阻Rs＝0.01 Ω，电流环控制器KP-i＝100，电流环控制器KI-i＝0.1，直流侧电压环控制器KP-dc＝10，直流侧电压环控制器KI-dc＝30，PCC 电压控制器KP-PV＝1，PCC 电压控制器KI-PV＝500，光伏侧电压环控制器KP-PV＝0.002 5，光伏侧电压环控制器KI-PV＝0.1。

仿真通过无功负载的投切实现公共耦合点电压波动。考虑到现实生活中感性负载较多，因此选择负载为三相对称的阻抗性负载，电感值为10 mH，电阻值为5 Ω。其中0.5 s 时突加负载，0.7 s突减负载。

图6a 为光伏功率调节系统输出参考无功值与负载消耗无功值的负值，可以看出两者大小相等，即系统无功电流完全由PG-STATCOM 提供，与理论分析一致。图6b 为公共耦合点电压幅值波形，投切瞬间虽然引起波动，但通过自然坐标控制，电压幅值迅速恢复稳定。

图6 突加和突减负载波形Fig.6 Waves when suddenly add and subtract load

图7 为突加负载时A相PCC点的电压和电流值，补偿后两者迅速同频同相，运行于单位功率因数。因为PG-STATCOM 系统中，光伏电池产生的功率中有一部分转化为无功功率被负载消耗，所以并网电流相应减小。

图7 突加负载时A相PCC电压和电流Fig.7 PCC′s voltage and current of phase A when suddenly add load

4 实验结果及分析

设计PG-STATCOM 系统实验样机来验证所提控制策略。控制器采用dSPACE 平台的DS1104 控 制 板 卡。dSPACE 是Matlab/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，实现了和Matlab/Simulink/RTW 的完全无缝连接；DS1104 配有TMS320F2407 型数字信号处理器（digital signal processing，DSP），可以直接输出三相PWM控制脉冲。

实验中三相互补的PWM 脉冲由实时接口（real-time interface，RTI）模块DS1104_DSP_PWM3产生，直通信号通过HD74HC32P“或”门与三相互补PWM脉冲耦合，生成最终的6路PWM驱动信号。实验时，器件开关会对输出造成抖动，因此，CPU 采用中断处理方式，使数据采集时间错开PWM 脉冲触发点。另外，为保证实验装置安全，通过隔离变压器将交流侧电压缩小10倍。系统的整体实验装置框图如图8所示。

图8 实验框图Fig.8 The experimental block diagram

系统需要在直流侧电压稳定时进行功率传输，图9a为直流侧电容电压uC1波形，在突加和突减负载的瞬间电压引起波动，但在0.5 s内恢复稳定。图9b显示补偿后A相PCC电压与PG-STATCOM输出电流波形，因为负载为感性器件，所以PG-STATCOM 输出电流相位超前PCC 电压，补偿器输出容性电流来补偿无功，提高系统电能质量。两者相位小于90°，这是因为PG-STATCOM除了提供负载所需的无功电流，还向电网提供并网有功电流。

图9 实验波形Fig.9 Waves of the experiment

在其他条件尽量保持一致的情况下，利用dSPACE实验平台的turnaround time功能，实时测试dq 坐标矢量控制与abc 自然坐标控制下电流2/3 变换所用时间，如表1 所示，并将其转换为DSP 中的C 代码，检测所用的时钟周期，abc 自然坐标控制节省了446 个时钟周期，明显提高了运算速度，增强了系统的反应能力，改善调节效果。

表1 两种控制策略运算时间Tab.1 The time of operation used two control methods

5 结论

1）本文在不改变准Z源光伏并网逆变器拓扑结构的基础上同时实现并网发电与无功补偿功能，充分利用了硬件平台，降低系统成本。

2）自然坐标控制策略应用于PG-STATCOM系统，相比dq 坐标矢量控制大大缩短计算时间，且无锁相环的设计提高了系统的可靠性。

3）PG-STATCOM 系统可以有效稳定公共点PCC电压，具有很好的市场和工程应用前景。

［1］ 孙向东，任碧莹，杨惠，等.准Z源单相逆变系统研究［J］.电力电子技术，2014，48（6）：59-61.

［2］ Li Yuan，Jiang Shuai，Jorge G，et al.Modeling and Control of quasi-Z-source Inverter for Distributed Generation Applications［J］.IEEE Transactions on Industry Electronics，2013，60（4）：1532-1541.

［3］ 赵亚俊，黄文新，王力，等.分布式电网用有源滤波型并网逆变器［J］.电气传动，2013，43（9）：26-31.

［4］ Gharakhany R，Mohamadian M，Varjani A Y.Reactive Power Compensation Using Z-source Based Photovoltaic System［C］//Power&Energy Society General Meeting，PES2009.IEEE，2009：1-7.

［5］ 王晓，罗安，邓才波，等.基于光伏并网的电能质量控制系统［J］.电网技术，2012，36（4）：68-73.

［6］ 黄鑫，陈劲操，闻寅啸，等.基于Z源逆变技术的新型STATCOM研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（20）：6-10.

［7］ 栗春，马晓军，姜齐荣.用STATCOM 改善系统电压调节特性的动模实验［J］.中国电机工程学报，1999，19（9）：46-49.

［8］ 宋平岗，廖锦涛.Quasi-Z源光伏并网电流单周期控制研究［J］.电气传动，2010，40（8）：34-37.