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英文文献翻译
《光伏逆变器数字功率因数控制和无功功率调节》

摘要

对光伏（PV）的连接到电网系统的整体效率取决于直流电（DC）的太阳能模块对交流电（交流）逆变器转换的效率。逆变器连接的要求包括：最大功率点，高效率，控制权注入网格，高功率因数，低的并网电流的谐波失真。功率因数的控制和连接的光伏系统并网无功功率调节的方法就是采用现场可编程门阵列（FPGA）。根据电网的要求，注入的有功和无功影响都是可控的。在此提出了一种新的单相逆变器数字控制策略。这种控制策略基于逆变器输出之间的电压与电网电压相移及数字正弦脉宽调制（DSPWM）模式，在逆变器输出电流较宽范围内来控制功率因数，因此无功功率的控制一定可以实现。这种被提出的控制策略的优点是围绕简单的数字电路来实施的。在这项工作中，这一策略的仿真研究已Matlab/Simulink和PSIM软件实现了。在为了验证其性能，这种控在一个FPGA内实现。实验测试展示了这种控制的可行性能够来控制功率因数及并网电力。

关键词：并网光伏发电系统 单相逆变器 功率因数控制
数字控制 FPGA
1 介绍
随着对全球环境保护的日益关注，生产无污染的天然能源需求例如太阳作为一种能源替代未来能源已引起极大的兴趣因为太阳能是一种清洁无污染和取之不竭的。为了有效地利用太阳能，大量的关于并网的研究已经在光伏发电系统中进行。在连接到光伏系统网格时，可以转换输出直流电（DC）到备用电流（AC）太阳能电池组件的逆变器正受到越来越多兴趣以发电于实用。在DC - AC变换器正弦电流注入到电网，控制功率因数[1-4]。一些关键已被查明，其中可以进行重大改进的设计和实施连接到网格中的逆变器，如：低总谐波真，消除了直流分量注入连接的网格，同时控制有功和无功功率和数字控制的执行情况。生成的脉冲宽度调制（PWM）模式[7]，是在输入交流电源存在的能降低谐波低数量级元件。
数字化的实现提供了改善他们的模拟效果。他们不受噪音影响，而且不太易受电压和温度变化。因此，对数字实施过程的兴趣已经执行。运用FPGA的修改将提供的灵活性和简洁性在不改变硬件设计和快速电路原型的基础上[10-12]。连接到另一系统网络非常重要的方面是选择适当的功率因数根据并网要求：有功功率和无功功率。最有效的系统那些，根据电网的要求[8-10]，允许并网的有功和无功功率发生变化的。合适的控制此策略是不仅能够控制并网电流还有功率因数（PF）。不同的功率因数，在一定范围内，有功功率可被动态改变和控制。控制的基本思想是使用以前的模式计算和DSPWM制表应用到一个恒定的直流母线电压。逆变器的相位转移作为控制参数，输出逆变器输出电压电流幅值和功率因数可控制的，所以并网功率包括有功功率和无功功率。这种控制已在实施数字化的一个FPGA得到应用并在仿真和实验中得到验证。
2 逆变器拓扑
在图1a中显示出了单相逆变器电源级连接到电网，以解释电流控制的逆变器输出的关键。此外，有功和无功功率可以得到控制。
在连接到电网中的逆变器的主要规格是该电流必须在一定范围内从一个有功率校正的光伏电源面板获得[10]。该分析是基于逆变器和网格的电感耦合。

图1单相并网逆变器拓扑及相位图

解释图中电路特1b中是代表的逆变器输出电压基本组成部分的相图，Vinv指逆变器输出电流，输出电流通过耦合电感L，该基本组成部分的电感电压VL，其在电网电压根本组件Vgrid [6]。电网电压与逆变器输出电流之间的相位差由角表示，电网电压与逆变器输出电压的相位差由角表示。从相图1b中，逆变器并网的有功功率（P）和无功功率（Q）可分别通过标准式（1）（2）（3）求得。
（1）
（2）
从式（1）（2），有功功率（P）和无功功率（Q）的幅值可以得到，作为对输出电流的基本组成部分，取决于以下参数
1Vinv的幅值
2逆变器输出电压与电网电压的相移角
因此，功率流（发电和吸收）双方的有功和无功功率可以得到控制，选择一个适当的逆变器输出电压幅值和逆变器输出电压和电网之间的相移（）。从相图，图 1b中，人们可以在式（3）得到另一重要的关系关于逆变器并网的输出电流及其相移。
（3）
其中
该逆变器输出电流Iout的大小，及相位（式（3）），取决于逆变器输出电压Vinv的大小和它的相位。
为了能够注入电网，直流电源是一个必要条件，且幅值必须足够高，因为电压，Vinv，必须有一个最高值，大于或等于电网最高电压。该Vinv可以表示为函数振幅调制指数Ma，在PWM模式下使用。
式（5）给出了逆变器输出电压与直流电源之间的关系。
（5）
从标准式（4）及（5），可以得到逆变器输出电流，输出电流及相位的表达，函数的振幅调制指数Ma和相移（式（6））：
（6）
该逆变器输出电流的大小，输出电流及相位（式（6）），取决于逆变器输出电压的大小，Vinv，和它的相角，及不同的振幅调制指数Ma。
在任何情况下，假定目前的并网电流提出了一种低谐波含量（THDz0）。功率因数PF是由从方程式（6）推导的决定的。
对于一个逆变器设计参数组合，（耦合电感L时，连续直流母线Vdc，和振幅调制马指数Ma）中，输出电流仅依赖于Vgrid和Vinv的相位差，因此并网电流Iout可以表示为：（式（7））
（7）
为了确定这些参数（L，Vdc，Ma），它是必要的进行了系统的每一个变量的影响分析并网的最大有功和无功功率。首先，图2 a b分别显示了每个变量对并网的有功功率和无功功率的影响和对功率因数PF，而这是目前能表达振幅为Vinv不同的值的参数。并网电压Vgrid=240V，耦合电感L=20mh。
从图a可以得出结论，根据逆变器的输出电压能得到并网的有功功率和无功功率。从图。 2b中，可以得出结论，要得到电流非常小幅度，有必要维持逆变器输出电压，Vinv，非常接近电网电压，Vgrid ..
在图2b分析得出的结果中可以得出以下结论：
对于较低的输出电流，如果功率因数是要维持等于单位1,逆变器电压大小必须进行更密切的电网电压， 这是很有必要的。
对于恒定直流母线电压，高功率因数可并有较宽的范围内保持输出电流电流幅度与逆变器的电压大小Vinv（少数占空比值）。
其次，逆变器输出电流的函数表示为逆变器输出电压和电网电压的相移， 。
图2c中显示了一个放大围绕团结功率因数的看法。在这种情况下，就可以恢复，只有2毫安价值很高的功率因数（PF> 0.99）可以得到和维持一个广泛电流输出电流范围。对于一个幅值Vinv（脉宽调制的例子模式）的注入电流进入到电网可以控制从1.9A至15.1，变化仅仅是逆变器输出相电压（Vinv）。添加多一个模式，输出电流范围延长2倍至33 倍。

在图2d，可以看到功率因数，输出电流两项Vinv值。由于功率因素是，在这种情况下，接近1，电流与并网的有功功率成比例。这个数字表明，广泛的权力可以覆盖只有两个不同的调制指数，功率因数接近单位1。例如，当直流母线电压为直流375 V：逆变器输出电压341.108v，调制比 0.910和为Vinv 369.958vma= 0.986。功率因数接近单位1可以注意到。
这一结果证实，逆变器输出电流取决于Vinv和Vgrid相位差，因此建议控制是基于逆变器输出电流控制功能该阶段的逆变器输出电压相对的转移电网电压。
为了保证策略的有效性控制对逆变器输出电压相移为基础，一方面，总谐波失真谐波失真内容目前进入到电网注入必须报低超过5％[2]，另一方面功率因素是在一定范围内，这是很有必要的。
相位转移的使用，很少DSPWM模式的使用提供一简单的数字控制，通过优化数字系统的规模和快速反应系统。
3 系统控制和操作
图 3显示了并网光伏系统配置，其中包括太阳能电池阵列，直流/直流转换器和singlephase逆变直流/交流。控制结构的并网光伏系统是由两个结构的控制：
1 MPPT控制的写法，其主要属性提取最大功率的光伏发电
2该逆变器控制，主要目标有：
控制活动注入了网格;
控制和调节无功功率;
控制直流母线电压;
确保高品质注入动力;
电网同步
3.1 最大功率跟踪控制
直流/直流转换器是用来提高光伏阵列电压在适当水平的基础上，市电电压大小，而在DC - DC转换器控制器的设计运作，最大功率点跟踪器（最大功率追踪）的增加经济可行性的光伏系统。一个种类繁多的MPP跟踪算法存在[5,6]：查表，扰动和观察（P＆O公司），增量电导等
对于最大功率跟踪控制器，扰动和-观察方法由于其采用结构简单的事实，它需要较少的测量参数。这一战略的实施是在迅速变化的光伏电源系统gridconnected太阳辐射下运作，只用一个变量：光伏输出电流，IPV。
恒压的方法是通过保持电压在光伏终端始终保持密切的MPP的点。在图4，一对光伏电流和电压特性的例子太阳照射的单元，提出了不同的幅值。
MPP的观察点，就可以看到，电压值变化不大，即使太阳的强度辐照遭受巨大变化。在这个结果的控制功率通量的光伏并网只有一个变量的控制测量，目前的光伏电池。随着拟议制度控制器，目前的最佳工具可以通过命令实现所需的功能。
3.2 逆变器控制
控制结构的单相逆变器的建议是如图所示 3。

单相并网逆变器的控制结构

该图代表对应于两个控制回路：允许内部控制注入到电网的电流输入和外部没有控制的直流母线电压，Vdc[7]。该提出的控制是一种相移功率控制方法（PCPS），是不受控的输出电流变化的振幅调制指数，但转移阶段逆变器输出电压Vinv在指定的当前值。

光伏阵列电流电压特性
图3中可见，光伏系统的直流母线电压保持不变，这样的有效平衡在太阳能和输入系统输出功率之间可实现。直流母线电压伏直流（实际），可反馈和比较随着伏直流（参考所需的值），而添加的PI调节器监管之间所需的直流电压和实际的错误总线电压，因此参考电流信号可以得到。该电流调节器是用来调节之间的误差实际所需的电流和输出电流。
由该控制策略提供的优势之一是它的简单而言，作为控制计算要求除了电路，它允许重新配置在一个情况下快速控制和简单的方式，不仅是一个输入的有功功率。有了这个控制的功率因数不直接控制（见图。2A），一般来说，它提供一定数额的无功功率。正如上一节中所述，一个合适的选择的Vinv值和耦合电感值可以产生的功率因数接近1和降低的变化。
4 实施新控制
根据框图如图3所示，PCPS控制的单相逆变器已得到实施。
一个外部的直流电压控制回路是必要的直流母线电压保持恒定，以保证正确的最大功率跟踪功能的。对当前内部控制回路旨在控制注入到电网的电力。该位置向上表指针是由错误的信号之间的确定看参考电流和注入电流。
数字PCPS是根据存储在可查表的DSPWM模式。数字脉宽调制器（DPWM的）转换在查找存储的代码表中脉动信号，并产生了驱动信号开关。占空比取决于存储的代码。
4.1 控制算法

控制算法的流程图
图5显示的是输出的逆变器控制算法目前对逆变器输出电压相移为基础。该相移旨在提供灵活性，以生产要么滞后，领导或参与阶段，以便调整的功率因素。
最初阶段计数器加载到移相角值为零（δ= 0），控制必须保持足够的移相角的完成，该逆变器输出电流输出电流等于参考IREF的。该相角符号取决于功率因数的字符（电感或电容）。根据在参考电流，产生一个电压控制回路成正比的严重性和错误的迹象。角度相对应的方向错误标志有所不同，以此一补偿。
4.2 查找表
在表中存储数据了相应的PWM研究振幅调制模式的不同，不同的指标相位角（d）项。在ROM，存储信息的相位角。输出数据总线从DSPWM决定和决议地址总线是决定在频率调制指数mF。在这个输出数据总线从确定案件最大相角（d）和相位角分辨率。

图6DSPWM和相移的模块图
图 6显示的方式，产生的开关信号。该地址在ROM在实际DSPWM脉冲指针指向信息。作为一个参考电流，功能的SPWM脉冲直流母线电压和功率因数的特性能够产生提前或延迟与d角度相位相关的电网电压。
4.3 过零检测器
在电网电压的同步和逆变器输出目前进入到电网注入假设与过零检测（ZCD）。同步是通过产生在每一个由电网电压过零同步信号如图7。

信号的同步更新点的指针相移所对应的输出电流托运。图7，当时图分别代表之一的内部控制信号显示。图7A所示，在电网电压Vgrid和输出电流输出电流。在每一个积极的电网电压过零点一个同步脉冲产生（见图7）生成的脉冲启动相移计数器。最初是从查找加载登记表的阶段，代码对应的实际移相的d值与根据的PWM模式。
5仿真结果
光伏发电（PVG）系统，最大功率点（最大功率点跟踪）的行为已通过Matlab仿真建模/Simulink和单相逆变直流/交流的PSIM的。该使用的模拟参数：电压240伏Vgrid，频率50赫兹，20 mH的6.3 L，直流375 V伏和频率调制指数中频30。
连接到太阳能供电系统的仿真结果格列在以下方面：
图8A显示了MPP的功率曲线，可以观察到该扰动观察法和考虑直流/直流转换器的输出不变，其输出电流变量，响应
充分的根据需要MPP电力变化。
图 8B，所有结果的信号连接到光伏系统网格可以看出。该逆变器输出电压，Vinv，逆变器输出电流，电流输出，转移相关的电网电压和直流总线电压，伏直流维持不变。从这些结果，可以可以得出结论，最大功率跟踪控制系统运行良好，因为对于连接到网格中的光伏系统所要求的结果是可获得的。

图8连接到网格中的光伏发电系统的仿真结果。a MPP电力的光伏电池。 b 直流母线电压，直流，电网电压基准Vgrid，逆变器输出电压，Vinv，和逆变器输出电流输出电流。 c 逆变器输出电流输出电流的。 d 逆变器输出电流输出电流的。
6实验结果
一个单相逆变器（图9）已建成原型验证了前面描述的数字控制性能和测试。已开发的DSPWM在FPGA平台（斯巴达-赛灵思3）快速原型和灵活性的FPGA设计提供，它可以就电网电压信号参考重新配置0和180之间的相角。
图10A，显示的是电网电压参考，Vgrid参的逆变器输出电压，Vin和逆变器输出电流输出电流。滤波电感L的耦合20 6.3 MH和频率调制指数mf=30。

图9单相逆变器模型
图10实验结果a 电网电压基准Vgrid参，逆变器输出电压Vinv，逆变器输出电流和输出电流。 b 逆变器输出电流，输出电流与相电网电压模拟器。
在这个图中，Vgrid和Vinv相移（）之间可以待观察。此外，与Vgrid和输出电流，这表明相移功率因数的控制的可能性，因此，无功功率，可以受到控制。
在Fig.10b，显示的是与输出相电流电压电网电压仿真器，在这种情况下，功率因数等于1，因此只有有功功率被注入到电网。

6结论
在本文中，一个数字的新的控制策略的实施对并网系统对相移的基础上网格光伏与DSPWM模式已被描述和验证，并得到实验的结果。数字控制并已实施FPGA平台，得到一个容易和简单的重构系统。仿真结果验证了理论预言，这一个范围广泛的功率可以覆盖系统很少DSPWM模式存储。实验结果表明，可行性所提出的控制，并确认它可用于控制功率因数和低功率调节无功功率光伏系统。提出的逆变器是一件很简单，并不需要大量的硬件和计算资源。所有逆变器控制的优势使适合电网连接光伏应用