光伏微網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鎮(zhèn)道，趙亞魁，周齊家

(湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鎮(zhèn)道，趙亞魁，周齊家

(湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

通過(guò)使用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS），實(shí)現(xiàn)光伏微網(wǎng)系統(tǒng)供電連續(xù)性和能量管理優(yōu)化。針對(duì)STS的抗干擾能力和切換時(shí)間問(wèn)題，改進(jìn)了雙向可控硅觸發(fā)電路和dq變化法電壓暫降檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ST M 32F103V C的3.6 kW靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，改善了STS抗干擾能力，切換時(shí)間縮短至2.5m s。該靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)已經(jīng)成功應(yīng)用于3.6 kW的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電路的可行性。

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）；光伏微網(wǎng)；雙向可控硅；電壓暫降檢測(cè)

近年來(lái)光伏微網(wǎng)技術(shù)被廣泛關(guān)注，光伏微網(wǎng)的控制、保護(hù)以及能量管理調(diào)配[1-4]等已成為當(dāng)今新能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。但光伏發(fā)電量具有不確定性和不可控性，且受天氣變化影響嚴(yán)重，不能滿足用戶對(duì)穩(wěn)定電能質(zhì)量[5]的需求與能量合理調(diào)配。而靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（static transfer sw itch）為電源自動(dòng)切換開關(guān)，能解決光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中諧波干擾、電壓暫降、電壓中斷等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)供電連續(xù)性和能量管理優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)對(duì)STS的研究起步較晚，主要集中于切換策略、電壓暫降檢測(cè)算法[6]和STS系統(tǒng)評(píng)估。目前，市面上STS系統(tǒng)的切換時(shí)間一般是在4～8ms內(nèi)。而STS受干擾的現(xiàn)象卻一直無(wú)法避免，可能產(chǎn)生誤動(dòng)作，使得電源間產(chǎn)生環(huán)流現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電路。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一種三重抗干擾晶閘管觸發(fā)隔離輸出電路，但電路只適用于單向可控硅，且元件參數(shù)匹配復(fù)雜。文獻(xiàn) [8-9]闡述一些新型的帶LC諧振輔助換流電路的STS，大幅度縮短了STS的切換時(shí)間，但設(shè)計(jì)電路復(fù)雜，且LC等儲(chǔ)能元件體積偏大，不便于在光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中使用。

本文根據(jù)光伏微網(wǎng)系統(tǒng)能量管理[10-11]模式需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)STM 32F103VCTb控制的3.6 kW靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，通過(guò)采用改進(jìn)dq變換電壓暫降檢測(cè)法和對(duì)門極觸發(fā)電路，改善了STS抗干擾能力，縮短了切換時(shí)間，確保了STS切換的快速性、準(zhǔn)確性。該靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)已經(jīng)成功應(yīng)用于3.6 kW的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電和市電的切換。

1 光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中的STS結(jié)構(gòu)

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中，采用能量管理調(diào)配策略，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電、市電、蓄電池組和負(fù)載用電的能量管理，在確保系統(tǒng)安全和蓄電池不過(guò)放的條件下，盡可能減小市電用電，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大利用。為了實(shí)現(xiàn)能量的調(diào)配和管理，需要STS，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、蓄電池供電(A路)和市電供電(B路)的切換。當(dāng)太陽(yáng)能和蓄電池足夠時(shí)，由A路給負(fù)載供電，當(dāng)不夠且有市電時(shí)，由B路供電。另外，當(dāng)某一路出現(xiàn)電壓畸變、或A路過(guò)載等情形時(shí)，也需要通過(guò)STS進(jìn)行供電回路切換。

STS的結(jié)構(gòu)[12]如圖1所示，由雙向可控硅及其觸發(fā)和檢測(cè)電路、信號(hào)處理平臺(tái)、旁路機(jī)械開關(guān)三部分組成。雙向可控硅是STS的主功率部分，串聯(lián)在電源與負(fù)載之間，通過(guò)控制觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、蓄電池逆變回路和市電回路到負(fù)載供電的通斷控制。信號(hào)處理平臺(tái)采集A路、B路和負(fù)載的電壓電流信號(hào)、并檢測(cè)電壓變化率。當(dāng)檢測(cè)到電壓暫降、中斷或者過(guò)功率的發(fā)生，迅速、可靠切換對(duì)負(fù)載的供電回路，以保證對(duì)負(fù)載供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路觸發(fā)信號(hào)的互鎖處理，避免兩路電源間的環(huán)流。機(jī)械開關(guān)僅在對(duì)模塊進(jìn)行維修時(shí)使用。

圖1 STS模塊結(jié)構(gòu)框圖

因此，STS的主要功能是在檢測(cè)到需要切換供電回路時(shí)，迅速、可靠地實(shí)現(xiàn)切換，這就包括各路電壓檢測(cè)、負(fù)載端功率檢測(cè)和可控硅的可靠觸發(fā)。

2 光伏微網(wǎng)系統(tǒng)STS的設(shè)計(jì)

由于光伏、蓄電池供電經(jīng)逆變后，相位與市電可能不一致，為避免兩路供電電源間的環(huán)流，采用先斷后通的切換方式。而不同負(fù)載允許的斷電時(shí)間有所不同，為了滿足敏感負(fù)荷對(duì)電壓的要求，STS的切換時(shí)間必須在4ms以內(nèi)[13]，才能保證供電的連續(xù)性，達(dá)到“無(wú)縫”安全切換的目的。STS的切換總時(shí)間為故障出現(xiàn)檢測(cè)時(shí)間和雙向可控硅觸發(fā)切換時(shí)間之和。采用改進(jìn)dq變換電壓暫降檢測(cè)法，迅速的檢測(cè)電壓暫降或中斷，將切換時(shí)間縮短至2.5ms。

2.1 改進(jìn)的dq變換電壓暫降檢測(cè)方法

為加快電壓暫降的識(shí)別，針對(duì)dq變換法中主要存在的延時(shí)問(wèn)題，在dq變換法中加入求導(dǎo)環(huán)節(jié)，用求導(dǎo)的方式構(gòu)造出三相電壓Ua、Ub、Uc，由于構(gòu)造中沒(méi)有經(jīng)過(guò)延時(shí)，從而明顯地加快了檢測(cè)速度，提高了電壓檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，而且克服了短時(shí)擾動(dòng)現(xiàn)象。該方法通過(guò)對(duì)單相電壓Ua求導(dǎo)，得到電壓的余弦信號(hào)。設(shè)Ua=U sinωt，從而Ua'=Uωcosωt。根據(jù)三相電壓的特點(diǎn)，利用Ua和Ua'構(gòu)造的三相電壓為：

變換因子中sinωt和cosωt是與檢測(cè)電壓擾動(dòng)前電壓的正、余弦信號(hào)。將所得的Ud、Uq電壓中的直流分量Uda和Uqa提取出來(lái)，由式（1）得到由于實(shí)際檢測(cè)計(jì)算的Uda和Uqa為已知量，故定義檢測(cè)電壓幅值瞬時(shí)值Usag和電壓擾動(dòng)的相位跳變角α的計(jì)算公式為：

利用MATLAB Simulink中的power system模塊建立仿真模型，對(duì)幅值為320 V輸入電源發(fā)生電壓暫降現(xiàn)象進(jìn)行仿真。電源故障波形和其基于改進(jìn)dq變換法的幅值Usag檢測(cè)波形如圖2所示，圖中設(shè)置0.07～0.13 s內(nèi)電源發(fā)生電壓暫降現(xiàn)象。STS以暫降幅值的80%作為啟動(dòng)閾值，采用普通方法的電壓幅值暫降檢測(cè)所用的時(shí)間在2ms左右，而改進(jìn)法所檢測(cè)到的幅值從發(fā)生暫降到下降到80%只需0.2ms，雖然低通濾波器會(huì)給仿真帶來(lái)一定的延時(shí)，但總體來(lái)說(shuō)改善了電壓暫降檢測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[14]。

圖2 Ua故障波形和改進(jìn)dq變換法的幅值Usag檢測(cè)波形

而實(shí)際電路應(yīng)用中，檢測(cè)出的擾動(dòng)電壓量Ua是離散的數(shù)字量。因此，對(duì)采樣的數(shù)字量求差分來(lái)代替求導(dǎo)，Ua的差分可表示為當(dāng)采樣周期T較小時(shí)，用T代替Δt，故，整理后可得，所產(chǎn)生的誤差為：

由式（4）可見(jiàn)，導(dǎo)致的誤差不隨時(shí)間而變化，僅與采樣頻率有關(guān)，采樣頻率越大，誤差越小[15]。

2.2 可控硅觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

雙向可控硅因具有門極過(guò)零關(guān)斷的特性，使雙向可控硅導(dǎo)通后，即使在門極觸發(fā)電流不存在時(shí)，也會(huì)繼續(xù)維持導(dǎo)通，直到雙向可控硅的電流下降到維持電流（接近于零的一個(gè)數(shù)值）以下，才能關(guān)斷。由于集成電路設(shè)計(jì)工藝的局限，可控硅的過(guò)零觸發(fā)電路輸出端不可避免的存在如圖3所示寄生電容。圖中R2、C和R3構(gòu)成高通濾波電路。開關(guān)動(dòng)作、電網(wǎng)波動(dòng)、逆變電磁干擾等造成的諧波干擾，可能通過(guò)寄生電容耦合，進(jìn)入過(guò)零觸發(fā)電路，從而產(chǎn)生觸發(fā)電流，造成雙向可控硅誤觸發(fā)。

圖3 雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路

低通濾波器是解決諧波干擾的有效辦法。在由寄生電容構(gòu)成的高通濾波電路的前級(jí)串聯(lián)一級(jí)RC低通濾波，可以有效地解決開關(guān)動(dòng)作和電網(wǎng)波動(dòng)造成的諧波干擾問(wèn)題。而在R4與R2之間串聯(lián)一個(gè)磁珠，對(duì)電磁干擾有著很好的抑制效果。在低頻段，阻抗由電感的感抗構(gòu)成，磁芯的磁導(dǎo)率較高，電感量較大，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；在高頻段，阻抗由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。圖4為改進(jìn)的雙向可控硅觸發(fā)電路，R4、C2與L構(gòu)成的高頻吸收網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)出現(xiàn)諧波干擾時(shí)，高頻諧波信號(hào)被R4與C2回路濾除掉，而電磁干擾信號(hào)能被磁珠有效吸收，剩余的低頻信號(hào)無(wú)法通過(guò)電容值很小的寄生電容C對(duì)可控硅觸發(fā)端產(chǎn)生觸發(fā)電流信號(hào)，從而有效避免了諧波造成可控硅誤觸發(fā)的現(xiàn)象。

圖4 改進(jìn)的雙向可控硅觸發(fā)電路

圖5 諧波干擾時(shí)雙向可控硅觸發(fā)信號(hào)與負(fù)載波形圖

圖5為雙向可控硅輸入端出現(xiàn)諧波干擾時(shí)，觸發(fā)電路改進(jìn)前后的波形圖，CH1為觸發(fā)信號(hào)，每格1 V，CH2為負(fù)載端電壓，每格100 V，時(shí)間軸每格5ms。如圖所示，當(dāng)出現(xiàn)諧波干擾時(shí)，觸發(fā)電路改進(jìn)前，通過(guò)寄生電容耦合，雙向可控硅觸發(fā)端產(chǎn)生了觸發(fā)電流，致使雙向可控硅導(dǎo)通，負(fù)載端出現(xiàn)小于半個(gè)周期的端電壓；觸發(fā)電路改進(jìn)后，高頻吸收網(wǎng)絡(luò)有效地濾除了諧波干擾，從而雙向可控硅觸發(fā)端沒(méi)有出現(xiàn)耦合觸發(fā)信號(hào)，有效地防止了由于諧波干擾造成的雙向可控硅誤觸發(fā)，避免了兩路電源間的環(huán)流現(xiàn)象。

3 STS實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模塊采用了高性能的微處理器芯片STM 32F103VCTb作為模塊采樣控制核心，保證了采樣精度和實(shí)時(shí)性，采用改進(jìn)的dq變換法，迅速檢測(cè)出采樣電壓的幅值并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的切換處理。

改進(jìn)的雙向可控硅觸發(fā)電路中，由于增加了諧波吸收網(wǎng)絡(luò)，故觸發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)相應(yīng)的會(huì)出現(xiàn)相位滯后，與改進(jìn)前電路的相位差為θ=arctan(ωR4C2)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真后，選取了R4=1.2 kΩ，C2=10 nF，R2=50Ω，R3=330Ω，磁珠為10Ω的鐵氧體片式磁珠，雙向可控硅選擇了峰值電流為 40 A的BTA41-600b，滿足了功率需求。并依照這些參數(shù)，基于saber軟件對(duì)改進(jìn)雙向可控硅觸發(fā)電路觸發(fā)端進(jìn)行AC分析，仿真圖形如圖6所示。結(jié)果表明，在頻率為50 Hz時(shí)，相位幾乎沒(méi)有出現(xiàn)滯后，且增益曲線中的最大值都低于－30 dB，有效地解決了相位滯后和諧波干擾等問(wèn)題。

設(shè)計(jì)的3.6 kW的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊已成功應(yīng)用于3.6 kW的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)逆變器供電和市電供電切

圖6 雙向可控硅觸發(fā)電路觸發(fā)端AC分析

換。圖7為發(fā)生故障時(shí)STS的切換波形圖，時(shí)間軸為每格5 ms。如圖所示，切換前為太陽(yáng)能或蓄電池經(jīng)逆變供電，切換后為市電供電，切換點(diǎn)為時(shí)間軸5ms處，STS的切換時(shí)間均在2.5ms內(nèi)，符合“無(wú)縫”安全切換的要求。

圖7 電源故障時(shí)S T S切換波形圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于改進(jìn)dq變換電壓暫降檢測(cè)法和改進(jìn)雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊。與以往的STS系統(tǒng)不同，該模塊抗諧波干擾能力強(qiáng)，避免了可控硅誤觸發(fā)現(xiàn)象，且縮短了切換時(shí)間，使得STS在2.5ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，達(dá)到“無(wú)縫”安全切換的目的。模塊電路簡(jiǎn)單可靠，成本低，現(xiàn)已成功應(yīng)用于3.6 kW的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中。

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Design and implementation of static transfer sw itch in photovoltaic m icro-grid system

WANG Zhen-dao,ZHAO Ya-kui,ZHOU Qi-jia
(School of Physicsand M icroelectronics Sciences,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

By STS (static transfer switch),photovoltaic micro-grid system for continuous power supplement and energy management optimization was realized. Focusing on the problem of STS anti-jamming capability and switching time, approaches were proposed to meliorate the trigger circuit for silicon controlled rectifier anddq transformation method of voltage sag detection.Based on the analysis,a 3.6 kW static transfer switch module with STM32F103VC controller was designed,and was applied to a 3.6 kW photovoltaic micro-grid system successfully. The STS anti-interference ability was effectively improved, and the switching time was reduced to 2.5 ms. Experiment results ultimately verify the correctness of the model.

static transfer switch;photovoltaic micro-grid;triac;voltage sag detection

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-2009-03

2013-04-18

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012FJ4264)；湖南大學(xué)青年教師成長(zhǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目

王鎮(zhèn)道(1974—)，男，湖南省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。