入网电压控制型逆变器直流分量的动态分析与消除
上海电力学院电气工程学院的研究人员高家元、赵晋斌、何超杰、张帅涛、屈克庆，在2017年第16期《电工技术学报》上撰文，针对入网电压控制型逆变器的并网电流直流注入问题进行研究。基于轴压调节控制型的单相LCL型并网逆变器，建立并网数学模型，并结合逆变器的控制结构对并网电流注入直流分量的原因进行详细的数学分析与公式推导，结果表明直流分量的大小与电网电压幅值和频率的变化量近似呈线性关系。
同时为了抑制和消除直流分量对逆变器并网系统所带来的不利影响，提出电流偏移补偿（CDC）控制策略，该策略在电网电压幅值波动和电网频率波动时能够有效地补偿并网电流中的直流分量，保证入网电压控制型逆变器优良的控制性能。最后，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性与所提控制策略的有效性。
随着光伏并网高效能技术的快速发展，非隔离型并网逆变系统与变压器隔离型并网逆变系统相比，其在技术和经济效益上具有一定的优势，因此无变压器的非隔离型并网逆变系统受到了专家学者的广泛关注。
由于其省去了笨重的工频变压器或复杂的高频变压器，使得系统结构变简单、质量变轻、成本降低并具有相对较高的效率，因此其具有很好的发展前景[1,2]。然而，无变压器隔离型光伏并网逆变器和电网之间存在直接的电气连接，由此也带来了新的问题，其中直流注入问题是非隔离型并网逆变器的关键技术挑战之一[3]。
逆变器输出中含有直流分量的主要原因可归结为以下三点[4-6]：①逆变桥中开关元件动作不一致而引起直流注入；②测量元件偏移误差导致直流分量的产生；③参考电流中可能存在的直流分量会引起电流控制器误差，最终导致逆变器输出电流中有直流分量存在[7]。其中第③种原因通常发生在模拟控制的逆变器中，由于元器件特性存在差异，模拟器产生的正弦指令电流本身含有很小的直流分量。
而本文通过理论分析表明，基于轴压调节的电压控制型逆变器（Voltage-controlled Inverterwith Axes, VIA）系统由于自身控制结构等原因在动态调节过程中，同样能导致逆变器输出电流中含有直流分量，带来直流偏置问题。
逆变器向电网注入直流分量不仅会影响逆变器本身的正常工作，而且还会对电网设备和电网中各级变电站产生不良影响，如引发配电网变压器或互感器饱和、变电所接地网腐蚀、过热、跳闸以及变电站变压器直流偏磁、铁心磁饱和、损耗增大、输出波形失真等问题[4,5]。
目前许多国家制定了光伏并网系统直流注入的相关标准[8]，其中我国规定允许的最大直流电流为逆变器交流额定值的1%。IEEE和IEC也严格限制了并网系统输入电网的直流分量大小，其中IEEE Std.929—2000规定注入系统的直流分量必须小于额定输出电流的0.5%，IEC规定为1.0%。因此，研究非隔离型并网逆变器直流注入的抑制和消除问题是十分必要的。
目前，非隔离型并网逆变器的直流分量抑制策略主要有：①电容隔直法[9,10]，选值直接影响抑制直流的效果和系统的动态响应；②直流抑制型逆变器拓扑[11,12]，一般改进拓扑复杂度高，控制难度大；③检测补偿法[4,13-15]，该方法多关注于直流电流的检测方式。其中并联变压器检测法、两级RC一阶电路检测法、临界磁饱和检测法都需要一个额外的传感装置，增加成本。而积分作用法[15]通过积分作用只保留直流分量，可数字实现，具有检测精度高、抗干扰能力强等特点，但电网频率波动会一定程度上影响检测结果。
通过上述分析，本文在VIA系统的控制结构基础上[16,17]，对其在并网运行时并网电流中含有直流分量问题进行了详细的数学分析与公式推导。理论分析表明，在强电网条件下，VIA系统在进入稳态前的动态调节过程中由于电压控制环中积分环节的存在，会使得电压控制环送入到电流控制环的目标电流含有直流分量，最终导致逆变器输出电流发生一定的直流偏移。同时还进一步理论性地分析得出：该直流分量的大小与电网电压和频率的变化量近似成线性关系，且二者具有相反的线性相关特性。
为了消除该直流分量对并网系统造成的不利影响，本文提出了一种电流偏移补偿（Current DeviationCompensation, CDC）控制方法。已有的检测补偿法关注于直流检测，而本文提出的方法则关注于并网电流交流量的幅值和相位检测，通过保证电流正弦进行动态补偿间接地消除直流分量，实现并网电流的标准正弦化，达到并网要求。最后，通过仿真和实验验证了本文理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。
图1 VIA并网运行的总体控制结构
结论
本文在VIA的控制结构基础上，建立了其并网数学模型，并结合逆变器的控制结构对并网电流i2中注入直流分量的原因进行了详细的数学分析与公式推导，分析结果表明直流分量的大小与电网电压幅值和频率的变化量近似成线性关系。同时得出系统直流分量的大小与电网电压幅值的变化量成正线性相关性，与电网频率变化量成负线性相关性的结论。
为了抑制直流分量的存在给逆变器并网系统所带来的不利影响，本文提出了CDC控制策略，该控制策略在电网电压幅值波动和电网频率波动时能够精确地补偿并网电流中的直流分量直至消除，具有很强的适应性，保证了入网电压控制型逆变器VIA优良的控制性能。