三相并網(wǎng)/獨(dú)立雙模式逆變器控制策略研究

蔣 冀 段善旭 陳仲偉

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074）

1 引言

隨著可再生能源尤其是風(fēng)能、太陽(yáng)能的快速發(fā)展，微網(wǎng)系統(tǒng)將在電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。為了使微網(wǎng)系統(tǒng)能夠工作于并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種狀態(tài)且具有較好的切換過(guò)程，雙模式逆變器的研究正受到眾多學(xué)者的關(guān)注[1]。文獻(xiàn)[2-6]針對(duì)單相系統(tǒng)提出了相應(yīng)的控制策略，取得了較好的切換效果。三相雙模式逆變器的切換由于三相電流沒(méi)有共同的過(guò)零點(diǎn)，因此切換復(fù)雜且易產(chǎn)生沖擊。文獻(xiàn)[7-9]提出了針對(duì)采用 LCL型濾波器的雙模式逆變器的控制策略，其中C的取值需要兼顧并網(wǎng)運(yùn)行與獨(dú)立運(yùn)行且沒(méi)有很好的補(bǔ)償方法，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[10-11]研究了采用 LC型濾波器的雙模式逆變器的控制策略，文獻(xiàn)[10]采用并網(wǎng)模式下電感電流單環(huán)控制，獨(dú)立模式下電容電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)控制，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)采用了接觸器，切換過(guò)程考慮了電網(wǎng)停電故障時(shí)的切換問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]采用并網(wǎng)模式下并網(wǎng)電流單環(huán)控制，獨(dú)立模式下電容電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)采用雙向晶閘管，切換過(guò)程采用強(qiáng)制換流切換方法加快并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)速度，但沒(méi)有提及單相短路等三相不平衡電網(wǎng)故障條件下如何有效應(yīng)用。

本文研究了一種適用于采用 LC型濾波器的三相雙模式逆變器的控制策略，包括并網(wǎng)模式控制器、獨(dú)立模式控制器和切換控制方法。并網(wǎng)模式下采用引入電容電流補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鏖]環(huán)控制，獨(dú)立模式下采用電容電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)控制，有效解決了逆變器在并網(wǎng)時(shí)由于濾波電容存在導(dǎo)致并網(wǎng)電流THD較大和功率因數(shù)不為1的問(wèn)題；切換控制采用一種新的基于abc坐標(biāo)系控制的切換控制方法，提高切換性能的同時(shí)使逆變器的切換能夠在電網(wǎng)單相斷路短路等嚴(yán)重故障情況下正常進(jìn)行。結(jié)果表明該控制策略實(shí)現(xiàn)了一種具有很高穩(wěn)態(tài)控制性能和平滑切換能力的三相雙模式逆變器。

2 并網(wǎng)/獨(dú)立運(yùn)行模式控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主電路拓?fù)淙鐖D1所示，直流側(cè)為蓄電池與電容并聯(lián)，能夠貯存和釋放能量；功率開(kāi)關(guān)器件VT1～VT6構(gòu)成三相PWM半橋逆變器；LC為濾波器，r為逆變器等效阻抗；S1～S3為由雙向晶閘管構(gòu)成的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)；R為本地負(fù)荷。

圖1 三相雙并網(wǎng)/獨(dú)立雙模式逆變器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Main circuit of TDMI

雙模式逆變器有并網(wǎng)模式、獨(dú)立模式和切換過(guò)程3個(gè)工作狀態(tài)。電網(wǎng)正常時(shí)逆變器工作于并網(wǎng)模式，此時(shí)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合，逆變器作為電流源型的并網(wǎng)逆變器運(yùn)行，輸出滿足并網(wǎng)要求的并網(wǎng)電流；電網(wǎng)故障或系統(tǒng)調(diào)度時(shí)逆變器工作于獨(dú)立模式，此時(shí)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，逆變器作為電壓源型的逆變電源運(yùn)行，輸出滿足本地負(fù)荷要求的電壓；當(dāng)逆變器需要進(jìn)行兩種運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)入切換過(guò)程，根據(jù)轉(zhuǎn)換目標(biāo)又分為脫網(wǎng)過(guò)程和并網(wǎng)過(guò)程，分別表示逆變器由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)入獨(dú)立模式運(yùn)行和由獨(dú)立模式轉(zhuǎn)入并網(wǎng)模式運(yùn)行。

采用 LC型濾波器的雙模式逆變器可工作在并網(wǎng)和獨(dú)立兩種狀態(tài)，但并網(wǎng)條件下的濾波電容會(huì)造成并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓不同相，從而對(duì)電網(wǎng)造成污染，但可以通過(guò)電容電流補(bǔ)償解決這一問(wèn)題[12]。

2.1 電容電流對(duì)并網(wǎng)電流的影響

在并網(wǎng)狀態(tài)下逆變器的單相等效電路如圖 2a所示。圖中ur為逆變器輸出電壓，uc為電容兩端電壓，ug為電網(wǎng)電壓；L、R為逆變器濾波電感及等效阻抗，C、RL為濾波電容和本地負(fù)載；Lg和Rg為電網(wǎng)等效感抗和阻抗，這兩個(gè)數(shù)值由具體的電網(wǎng)和線路決定，通常是未知的，如果連接的是理想電網(wǎng)，則Lg和Rg均為零；電網(wǎng)采樣電壓為電容兩端電壓uc。對(duì)于采用 LC濾波器的并網(wǎng)逆變器，一般采用大電感、小電容的參數(shù)設(shè)計(jì)原則，以獲得較好的電流控制特性，控制過(guò)程忽略電容電流對(duì)并網(wǎng)電流的影響，直接控制電感電流。由于雙模式逆變器還要工作在獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，為保證電壓波形質(zhì)量，其C的取值不能太小，再加上本地負(fù)載電流的影響，采用控制電感電流近似并網(wǎng)電流的方法已經(jīng)不能滿足并網(wǎng)要求。假設(shè)控制器能夠控制電感電流iL與電網(wǎng)采樣電壓同相位，其電壓和電流的相量圖如圖2b所示。

圖2 并網(wǎng)狀態(tài)下的單相等效電路和相量圖Fig.2 Single phase equivalent circuits and vector diagram of grid-tied mode

若電網(wǎng)為理想電網(wǎng)且不考慮電容電流的影響，則uc與ug同相，ic與ig同相，即控制電感電流即可實(shí)現(xiàn)控制并網(wǎng)電流的目的；若電網(wǎng)為非理想電網(wǎng)，則存在相量uzg使得ug滯后于uc，通常Lg和Rg是一個(gè)很小的數(shù)值，因此滯后的角度φ 也很??；若考慮電容電流和本地負(fù)載電流的影響，則并網(wǎng)電流ig會(huì)滯后于uc一定角度θ，其數(shù)值由式（1）決定，式中電流都是有效值，電網(wǎng)電壓近似等于電容電壓。由式（1）可見(jiàn)，當(dāng)ig確定時(shí)，電容值的增大會(huì)導(dǎo)致角度θ 的增大；當(dāng)C確定時(shí)，ig減小會(huì)導(dǎo)致角度θ的增大。

2.2 并網(wǎng)模式控制器

并網(wǎng)模式下采用帶電容電流補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鳝h(huán)來(lái)達(dá)到間接控制并網(wǎng)電流的目的，控制器的設(shè)計(jì)基于dq坐標(biāo)系。對(duì)于接入含有諧波的電網(wǎng)且?guī)в写_定本地負(fù)荷的雙模式逆變器，ic和iR中也存在諧波，導(dǎo)致并網(wǎng)電流THD和功率因數(shù)不能滿足并網(wǎng)要求，因此需要加入補(bǔ)償后給定并網(wǎng)電流指令i*gd，加入電容電流和負(fù)載電流的補(bǔ)償獲得電感電流指令，當(dāng)負(fù)載確定時(shí)，可以獲得補(bǔ)償函數(shù)的表達(dá)式

補(bǔ)償函數(shù)與電網(wǎng)電壓的乘積即為補(bǔ)償指令，與并網(wǎng)電流指令相加構(gòu)成了電感電流的指令i*Ld，該指令與反饋信號(hào)的差值送入電流控制器得到逆變器交流側(cè)電壓的指令值u*rd，經(jīng)過(guò)電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償和解耦補(bǔ)償后，指令送入逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)電感電流的控制。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中，kip與kii分別是電流控制器的 PI參數(shù)。將kip=31.12，kii=176805，L=3mH，r=0.05Ω 代入式（3），得到圖3所示閉環(huán)傳遞函數(shù)的幅相曲線。

圖3 并網(wǎng)控制器的閉環(huán)幅相曲線Fig.3 System close loop Bode plot in grid-tied mode

2.3 獨(dú)立模式控制器

獨(dú)立模式下采用電感電流內(nèi)環(huán)與加電容電壓瞬時(shí)反饋外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，控制器的設(shè)計(jì)基于dq坐標(biāo)系，電流內(nèi)環(huán)擴(kuò)大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，非線性負(fù)載適應(yīng)能力加強(qiáng)，輸出電壓的諧波含量減小，保證負(fù)載供電質(zhì)量。同時(shí)電感電流內(nèi)環(huán)的存在使得逆變器作為電壓源運(yùn)行時(shí)具有了限流保護(hù)功能，同時(shí)減少了切換過(guò)程中的電流沖擊。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中，kUp和kUi是電壓控制器的 PI參數(shù)；kIp和kIi是電流控制器的PI參數(shù)。將kUp=0.48，kUi=332.6，kIp=31.12，kIi=175114代入式（4），得到如圖 4所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)幅相曲線。圖4表明雙閉環(huán)系統(tǒng)基波閉環(huán)增益接近1，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能非常好。

圖4 獨(dú)立控制器的閉環(huán)幅相曲線Fig.4 System close loop Bode plot in stand-alone mode

3 切換控制器設(shè)計(jì)

3.1 切換控制方法

為了使逆變器具有很好的動(dòng)靜態(tài)性能，通常選用基于 dq坐標(biāo)系的控制器進(jìn)行并網(wǎng)模式和獨(dú)立模式的控制。并網(wǎng)開(kāi)關(guān)選擇為雙向晶閘管以獲得較快的響應(yīng)速度和較小的通態(tài)損耗，由于晶閘管必須在電流過(guò)零時(shí)才能關(guān)斷，這導(dǎo)致脫網(wǎng)過(guò)程中三相并網(wǎng)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)關(guān)斷。如圖1所示，三相半橋逆變器可以等效為3個(gè)單相半橋逆變器的組合，當(dāng)某一相的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，該相控制對(duì)象發(fā)生變化使得 3個(gè)單相進(jìn)入不對(duì)稱的狀態(tài)，因此需要不對(duì)稱的控制量輸出以達(dá)到較好的控制效果，減小切換過(guò)程的電壓電流沖擊。由于基于dq坐標(biāo)系控制器產(chǎn)生的控制量是三相對(duì)稱的，并且兩個(gè)軸控制量間的耦合對(duì)于切換也容易產(chǎn)生不利影響，不能滿足平滑切換的要求，因此在切換過(guò)程中引入基于abc坐標(biāo)系建立的控制器。該控制器由3個(gè)單相控制器構(gòu)成，分別給出三相對(duì)稱的給定，再由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的三相反饋量構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器參數(shù)的選取與基于dq坐標(biāo)系的控制器相同，在切換過(guò)程中可以輸出三相不對(duì)稱的控制量來(lái)減小電壓電流的沖擊。

控制系統(tǒng)原理如圖5所示。三相雙模式逆變器的控制系統(tǒng)包含A～D 4個(gè)獨(dú)立的控制器和兩個(gè)控制信號(hào) COORDI、MODE以及兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)志FLAG_grid、FLAG_switch。A～D控制器分別代表基于dq坐標(biāo)系和abc坐標(biāo)系控制的并網(wǎng)模式控制器和獨(dú)立模式控制器；控制信號(hào)為表示控制器基于dq（abc）狀態(tài)的COORDI和表示控制器并網(wǎng)（獨(dú)立）模式的MODE；狀態(tài)標(biāo)志為表示電網(wǎng)是（否）正常的 FLAG_grid和表示并網(wǎng)開(kāi)關(guān)是（否）閉合的FLAG_switch，分別用 1和 0表示兩種情況。狀態(tài)標(biāo)志通過(guò)檢測(cè)三相電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流得到，通過(guò)控制相應(yīng)的控制邏輯決定了控制標(biāo)志的取值，控制標(biāo)志決定控制系統(tǒng)工作于哪一個(gè)控制器和是否進(jìn)行控制器的切換。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of control system of TDMI

3.2 切換過(guò)程

假設(shè)初始時(shí)刻電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合，則從電網(wǎng)故障導(dǎo)致逆變器脫網(wǎng)到電網(wǎng)恢復(fù)逆變器再并網(wǎng)的切換過(guò)程為：

（1）并網(wǎng)模式下dq控制器切換到abc控制器。t0時(shí)刻開(kāi)始電網(wǎng)處于正常狀態(tài)且并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合，逆變器控制系統(tǒng)工作于基于 dq坐標(biāo)系的并網(wǎng)模式控制器，通過(guò)電容電流補(bǔ)償控制的加入，即使在接入含有諧波的電網(wǎng)情況下系統(tǒng)依然具有很好的控制性能。在t1時(shí)刻電網(wǎng)發(fā)生故障，t2時(shí)刻控制系統(tǒng)檢測(cè)到該故障，電網(wǎng)狀態(tài)標(biāo)志 FLAG_grid置零同時(shí)給出坐標(biāo)切換信號(hào) COORDI和并網(wǎng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷信號(hào)，將電網(wǎng)電流的給定置零以加速電網(wǎng)電流的過(guò)零，控制系統(tǒng)切換到基于abc坐標(biāo)系的并網(wǎng)模式控制器，以此減少t2時(shí)刻至三相開(kāi)關(guān)全部關(guān)斷期間的電壓電流沖擊。

（2）基于abc坐標(biāo)系的并網(wǎng)模式控制器切換到獨(dú)立模式控制器。在逆變器處于并網(wǎng)模式時(shí)，需要將電壓控制器的誤差輸入置零，保證控制器輸出不會(huì)飽和，防止出現(xiàn)電壓沖擊。此階段控制系統(tǒng)等待三相并網(wǎng)開(kāi)關(guān)全部關(guān)斷，t3時(shí)刻狀態(tài)標(biāo)志FLAG_switch被置零后給模式切換控制信號(hào)MODE，使電感電流的指令由經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)膇*gd變?yōu)殡妷嚎刂破鞯妮敵?，同時(shí)也將電壓控制器的輸入變?yōu)樨?fù)載電壓給定u*cd與電壓反饋ucd的差值，這樣即完成了并網(wǎng)模式向獨(dú)立模式的轉(zhuǎn)換。負(fù)載電壓給定的幅值設(shè)置為負(fù)載額定電壓，以保證敏感負(fù)載受電網(wǎng)故障的影響最小，相位由自身制定的正弦表查詢得到，為了使電壓的過(guò)渡盡量平滑，切換后相位延續(xù)并網(wǎng)模式時(shí)的相位。

（3）獨(dú)立模式下abc控制器切換到dq控制器。t4時(shí)刻控制系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定工作于獨(dú)立模式，此時(shí)給出坐標(biāo)控制信號(hào)COORDI，令系統(tǒng)重新回到基于dq坐標(biāo)系建立的獨(dú)立模式控制器，以獲得良好的負(fù)載電壓，為重新接入電網(wǎng)做好準(zhǔn)備。

（4）基于 dq坐標(biāo)系的獨(dú)立模式控制器切換到并網(wǎng)模式控制器。t5時(shí)刻系統(tǒng)檢測(cè)到電網(wǎng)已經(jīng)恢復(fù)，在t6時(shí)刻逆變器得到微網(wǎng)給出的并網(wǎng)指令，首先調(diào)整負(fù)載電壓的幅值和相位與電網(wǎng)相同，滿足上述條件后給出并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)通信號(hào)和模式切換信號(hào)，將電感電流的給定由負(fù)載電壓給定u*cd與電壓反饋ucd的差值變?yōu)榻?jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)膇*gd，為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的平滑過(guò)渡，切換后的電網(wǎng)電流指令置零，在模式切換后逐步調(diào)整并網(wǎng)電流到系統(tǒng)期望值[2]。由于雙向晶閘管的開(kāi)通條件僅為驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高，因此在獨(dú)立模式轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)模式的過(guò)程中不存在三相并網(wǎng)開(kāi)關(guān)不同步動(dòng)作的問(wèn)題。

4 三相雙模式逆變器仿真研究

為了對(duì)所提控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，使用Matlab仿真平臺(tái)構(gòu)建了三相雙模式逆變器系統(tǒng)。仿真參數(shù)如下表所示。

表 三相雙模式逆變器仿真參數(shù)Tab Parameters of simulation

圖6和圖7分別為系統(tǒng)穩(wěn)定工作于并網(wǎng)模式和獨(dú)立模式時(shí)的控制效果圖，其控制器是基于dq坐標(biāo)系建立的。圖6a是雙模式逆變器在接入理想電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的控制效果圖，圖中顯示的是三相并網(wǎng)電流，其THD約為1%，測(cè)量其輸出的有功功率和無(wú)功功率可以得到其功率因數(shù)約為1。圖6b是雙模式逆變器接入含有諧波的電網(wǎng)時(shí)的電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流和電感電流波形，其中電網(wǎng)電壓含有較大的三次和五次諧波，總 THD=6.5%，并網(wǎng)電流 THD=1.31%，其功率因數(shù)大于0.99。圖7是雙模式逆變器獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)的負(fù)載電壓波形，其THD僅為0.2%。

圖6 并網(wǎng)電流波形Fig.6 Waveforms of grid current

圖7 雙模式逆變器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)負(fù)載電壓波形Fig.7 Waveforms of load voltage in stand-alone mode

圖8所示為各種電網(wǎng)故障情況下脫網(wǎng)過(guò)程的切換波形，圖中顯示了電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流和電容電壓即負(fù)載電壓的波形。其中圖8a為電網(wǎng)三相對(duì)稱電壓跌落故障情況下的切換波形，從檢測(cè)到電壓跌落到負(fù)載電壓恢復(fù)的切換時(shí)間為 3ms，負(fù)載電壓沒(méi)有沖擊；圖8b為電網(wǎng)三相電壓瞬時(shí)為零故障情況下的切換波形，切換時(shí)間為 7ms，負(fù)載電壓沒(méi)有沖擊；圖8c為電網(wǎng)單相短路故障情況下的切換波形，切換時(shí)間為10ms，負(fù)載電壓有10%的沖擊；圖8d為電網(wǎng)兩相短路故障情況下的切換波形，切換時(shí)間為5ms，負(fù)載電壓有25%的沖擊；圖8e為電網(wǎng)單相斷路故障情況下的切換波形，切換時(shí)間為 3ms，切換瞬時(shí)負(fù)載電壓有2.6倍的沖擊。

圖8 電網(wǎng)故障情況下控制器切換波形Fig.8 Waveforms of transfer in grid fault condition

圖9為逆變器在獨(dú)立運(yùn)行模式時(shí)由abc坐標(biāo)系控制器切換到dq坐標(biāo)系控制器的電壓波形，切換時(shí)間為2ms，切換過(guò)程無(wú)沖擊。圖10為電網(wǎng)恢復(fù)后逆變器重新并網(wǎng)的切換波形，切換時(shí)間為 2ms，切換過(guò)程無(wú)電壓和電流沖擊。

圖9 獨(dú)立模式下控制器切換時(shí)電壓波形Fig.9 Voltage waveforms of transfer in stand-alone mode

圖10 控制器轉(zhuǎn)換波形Fig.10 Single-phase waveforms of transfer from stand-alone mode to grid-tied mode

5 結(jié)論

針對(duì)采用LC型濾波器的三相并網(wǎng)/獨(dú)立雙模式逆變器存在的穩(wěn)態(tài)性能難以保證和切換過(guò)程容易產(chǎn)生沖擊的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套完整的控制策略，提出了一種新的基于abc坐標(biāo)系控制的切換控制方法，實(shí)現(xiàn)了在各種復(fù)雜電網(wǎng)故障情況下的切換，有效減小了切換過(guò)程的電壓電流沖擊；采用了并網(wǎng)模式下引入電容電流補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鏖]環(huán)控制和獨(dú)立模式下電容電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)控制的控制方案，獲得了良好的并網(wǎng)和獨(dú)立控制性能。仿真分析表明了上述控制策略的可行性。

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