基于定頻積分控制的并網逆變器的接口控制和孤島保護

陸　宇，唐麗嬋，湯雪華

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

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基于定頻積分控制的并網逆變器的接口控制和孤島保護

陸宇，唐麗嬋，湯雪華

(上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070)

摘要:新的數字電網接口控制策略不同于一般的SPWM和PLL(鎖相環(huán))的控制方法，其具有自動相位跟蹤能力，控制簡易化和輸出功率因數高的優(yōu)點，它可以根據直流電壓和電網電壓自動調節(jié)其輸出。文中提出了光伏并網逆變器新的控制方法，它是基于對電流跟蹤的定頻積分控制(UCI)；分析了其工作原理，推導了其控制方程，研究了其孤島保護。

關鍵詞：光伏發(fā)電；并網逆變器；DSP

0　引　言

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于較偏遠地區(qū)的電力系統(tǒng)，作為獨立電源供給家電和照明使用。發(fā)電量的嚴重短缺和環(huán)境污染使分布式并網光伏發(fā)電系統(tǒng)已越來越具有競爭能力。近年來，光伏發(fā)電已開始從補償能源轉換為替代能源，從小的偏遠獨立系統(tǒng)轉換為公共接口發(fā)電系統(tǒng)。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，所以逆變器公共接口控制的研究具有重大意義和重要的應用前景。

并網光伏發(fā)電系統(tǒng)通過DC/DC變換器，將太陽能電池板的直流電轉換成400 V直流電壓。然后通過DC/AC逆變器，獲得220 V/50 Hz的交流電。并網系統(tǒng)需要保證逆變器的輸出電流和電網電壓相位相同，并且達到單位功率因數。目前，大部分的光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器采用了SPWM全橋電路，所以SPWM脈沖發(fā)生器和PLL環(huán)是必須的，這使得控制復雜，可靠性差，硬件成本高。

本文論述了一種新的數字電網接口控制策略。它選擇電網電壓作為參考電流信號，讓逆變器的輸出電流跟蹤參考信號。定頻積分控制(UCI)由參考電流和反饋電感電流之間的誤差信號來實現(xiàn)。該方法具有不含PLL環(huán)實現(xiàn)自動跟蹤電網電壓的特點。該系統(tǒng)可以根據直流輸入電壓和電網電壓，自動調節(jié)輸出功率，并且具有快速響應和孤島保護能力。這樣，可以實現(xiàn)高功率因數的并網逆變器，且系統(tǒng)的結構比較簡單。

1　基于定頻積分控制的網絡接口控制

1.1　原　理

標準橋式電路單相并網逆變器如圖1所示。輸入直流電壓為UC；電網電壓是vS，iS是流向電網的電感電流；UL是電感上的電壓。

圖1 并網橋式逆變器的示意圖

UCI是基于單周期控制的,為了簡化分析，假設：

(1) DC輸入電壓是恒定的；

(2) 逆變器的開關頻率遠遠高于使用頻率和輸出電流頻率。

當0

(1)

當DTS

(2)

在穩(wěn)態(tài)時，根據一個開關周期內的平衡原則，可得到：

(3)

上述等式可簡化為：

(4)

當光伏逆變器向電網輸出能量時，逆變器的輸出電流要求與電網是同相的。因此，流入的電感電流可以表示如下：

(5)

式中，k1是引入的常數，用于限制最大電流；k2是用來控制功率電平的參數；RS是電流檢測的等效電阻；iS是流入電網的電感電流；可把式(5)改寫成：

(6)

結合式(4)和式(6)的結果，得：

(7)

令Um=RSk2UC

“頭腦”又名“八珍湯”，是由黃芪、良姜、羊肉、煨面、羊尾油、藕根、長山藥、黃酒等八種食材配制而成。頭腦選料講究，制作精細：羊肉選的是羊腰窩肉，易于煮爛且不腥膻；黃芪選的是質地優(yōu)良的正北芪。將羊肉切小塊，大火煮沸，加上花椒、黃芪、良姜等佐料后，改用小火煮熟后撈出；另將酒糟汁入鍋煮沸，加料酒、煨面，煮成面糊湯，再把羊肉塊、熟山藥、藕片放入碗里，加羊尾油丁，澆上面糊湯便成。此種方法制作出來的頭腦，面糊清白，濃黏厚重，喝到嘴里，甜、軟、綿、香、熱！酒香、藥香、肉香，混在一起，一古腦地鉆進鼻孔，令人忍不住饞涎滴流，立馬抄匙大快朵頤一番！

(8)

Um幾乎在每一個周期內都為常數，它用來控制輸出功率。表達式RSk2UC(2D-1)包括開關信息D，它可以當做一個積分器,其計算如下：

(9)

Ti是積分器的積分時間常數，Ti=TS/2。結合式(7)和(9)的結果，可得：

(10)

式(10)是控制方程的關鍵。該系統(tǒng)的單位功率因數可以通過控制電流來滿足要求。

1.2　模擬研究

在PSpice 14.0中進行了算法的仿真。該控制器包含一個帶復位的積分器，它帶有一些線性和邏輯元件。式(10)在圖2所示的電路圖中體現(xiàn)出來。在模擬實驗中，額定直流輸入電壓為200 V，額定電網電壓為110 V。

圖2 并網模擬電路

時鐘信號、UCI的控制信號和開關驅動信號的模擬結果如圖3所示。

圖3 驅動信號和控制信號的仿真波形

具體實現(xiàn)如下：把時鐘信號周期當做開關周期，使時鐘信號觸發(fā)器——D觸發(fā)器從零變?yōu)檎?，開關V1、V4斷開，V2、V3導通。同時，積分器開始對Um進行積分。當電網電壓、電感電流和積分器的輸出均滿足控制的關鍵方程，D觸發(fā)器將得到一個復位信號。然后驅動信號開關和積分器被復位，等待下一個時鐘信號，一個開關周期結束。

對所提出控制方法的仿真結果見圖4。電網電壓US是100 V/div，電網電路iS為25 A/div?？梢钥闯觯孀兤鬏敵鲭娏髋c電網電壓同相且呈現(xiàn)正弦波形。

圖4 電網電壓和流入電網電流的仿真波形

此外，由式(5)可知，輸出電感電流的參數由k1和k2決定。因為參考電流是電網電壓的采樣，流入的電流與電網電壓的配置相同，即使電網電壓失真，這也能確保其單位功率因數。當k1和Um給定時，如果直流輸入電壓UC下降而積分參數保持不變，這相當于增大了k2，所以電感輸出電流會自動降低。該系統(tǒng)可以按照直流電壓自動調節(jié)輸出功率。在t=25 ms(直流電壓UC=100 V/div，電流iS=20 A/div)，直流輸入階躍從180 V～240 V，圖5給出了仿真結果。

此外，當逆變器向電網供電時，如果電網電壓突然降低，逆變器輸出電流將跟隨電網電壓下降，這很有利于孤島檢測和保護。在t=15 ms和t=45 ms時電網電壓波動(電網電壓是100 V/div，電流是20 A/div)，圖6給出了仿真結果。很明顯，該系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)性能。

圖5 直流電壓突然增大時,直流電壓和流入電網電流的波形仿真

圖6　電網電壓波動時，電網電壓和流入電網電流的波形仿真

2　實　驗

2.1　基于DSP的硬件設計和軟件設計

該系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖7所示。通常，定頻積分控制都在模擬電路中進行。然而，本文中該控制方法由數字控制器DSP來實現(xiàn)。

圖7 系統(tǒng)硬件結構框圖

2.2　實驗結果

數字并網實驗在低功耗單相逆變器模型上實現(xiàn)。一個DC/AC逆變器通常將直流能量傳遞給電網。逆變器的輸入是180 V直流電壓，逆變器的輸出是110 V(RMS)交流電壓。該控制方法通過變壓器將電壓降低到110 V(有效值)，并接至逆變器的輸出接口。圖8為電網電壓和逆變器輸出電感電流的實驗波形。圖9為電網電壓和逆變器連接到電網時啟動電流的實驗波形。圖10顯示了，當變頻器的輸出功率小于負載額定功率PR時，孤島保護中的電網電壓和流入電流的波形。圖11顯示了，當變頻器的輸出功率大于負載額定功率時，孤島保護中的電網電壓和流入電流的波形。

實驗結果表明，基于UCI的電網接口控制方法是可行的。逆變器輸出電流與電網交流電壓同相，確保了單位功率因數。并網系統(tǒng)的動態(tài)響應速度快，可以實現(xiàn)孤島保護。

圖8 電網電壓和流入電網電流

圖9 電網電壓和啟動時流入電流

圖10 孤島保護下電網電壓和流入電流(PO

圖11 孤島保護下電網電壓和流入電流(PO>PR)

3　結　論

本文提出了一種新型的單相并網逆變器的控制方法。仿真和實驗結果表明，基于定頻積分控制的并網逆變器系統(tǒng)具有良好的性能，并能根據直流電壓和電網電壓自動調節(jié)輸出功率。它具有自動相位跟蹤，輸出功率因數高，快速響應和孤島保護的優(yōu)點。因此，所提出的并網方法非常適合并網替代能源發(fā)電。

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研制開發(fā)

Interface Control and Islanding Protection of Grid-Connected Inverter Based on

Unified Constant Frequency Integral Control (UCI)

LU Yu, TANG Li-chan, TANG Xue-hua

(Shanghai Electric Central Research Institute, Shanghai 200070, China)

Abstract:New digital grid interface control scheme that has features of automatic phase tracking, simple control and high power factor is different from the general SPWM and PLL (phase locked loop) control methods, and it can also adjust its output automatically based on the DC voltage and the grid voltage. This paper presents a new control method for photovoltaic grid-connected inverter, which is unified constant frequency integral control (UCI) based on current tracking. Its working principle is analyzed; related control equations are derived and how to realize islanding protection is studied.

Key words:photovoltaic power generation; grid-connected inverter; DSP

中圖分類號：

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0035-03

作者簡介：陸宇(1988-)，男，上海人，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

收稿日期：2014-12-15