基于相位誤差切換的并網逆變器并離網切換策略研究

邊俐爭，付婷婷，李 嫚，孫軍偉

（1.鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000；2.鄭州輕工業大學，河南 鄭州 450000）

0 引言

微電網系統與大電網的相互配合，不僅給電網帶來了較高靈活度的電量調度，同時也給大電網的電壓質量帶來了一定的考驗[1]，[2]。微電網系統的工作方式有兩種，并網模式下主要是將可再生能源的發電并入大電網，孤島離網模式下向附近的用電單位供電。然而這兩種模式的切換會給大電網帶來沖擊，需要對兩種模式的切換進行有效控制，以減小對大電網的沖擊[3]～[5]。

已有一些文獻對微電網并離網模式的切換進行了研究。文獻[6]通過雙鎖相環的方式得到逆變器橋口電壓以及并網耦合點電壓的相位信息，再通過誤差實現逆變器輸出電壓和電網電壓同頻、同相和同幅的并網預同步控制。文獻[7]通過研究逆變器直流側與交流側電量的關系，提出了在儲能逆變器控制策略中加入直流側電流控制策略，解決了電壓偏移和誤調節的問題。文獻[8]在虛擬同步發電機（VSG）的基礎上，通過分析并離網切換暫態過程中的問題，提出一種限幅策略和調頻系數對頻率和功率進行再控制，實現并離網平滑切換。文獻[9]介紹了一種基于VSG和下垂控制的無縫切換技術。

并網逆變器的并離網需要滿足逆變器的輸出電壓與電網電壓幅值、相位、頻率一致；并網電流與并網電壓同相位、同頻率。根據以上條件，就可以獲得并網逆變器并離網切換時的控制方向：離網時控制逆變器的輸出電壓和輸出電流同相位；離網切換至并網時，獲取并網耦合點電壓相位信息，然后將其與逆變器輸出電壓相位進行對比控制；并網切換至離網時，切斷并網耦合點電壓相位信息與逆變器輸出電壓相位信息的對比控制。因此，本文提出一種相位控制策略，通過控制并網耦合點電壓相位信息與逆變器輸出電壓相位的誤差，從而實現逆變器并離網切換。

1 離網工作模式

圖1為并網逆變器離網工作模式下的示意圖。本文以T型三電平逆變器作為并網逆變器，在離網工作模式下，交流側接電阻負載，以模擬微電網附近的用電戶。

圖1 并網逆變器離網工作模式Fig.1 Off-grid working mode of grid-connected inverter

在離網工作模式下，并網逆變器采用電壓電流雙閉環控制，控制框圖如圖2所示。通過采樣逆變器三相輸出電壓，經坐標變換轉換至dq坐標軸下，與給定電壓進行作差；將外環PI控制器作為電流內環的給定信息，與電流采樣坐標變換后的dq軸分量進行作差，再經內環PI控制器得到dq軸的調制波分量，再轉換至abc坐標系下，將得到的調制波與載波進行比較，得到T型三電平逆變器的驅動信號。

圖2 離網工作模式下并網逆變器控制框圖Fig.2 Control block diagram of grid-connected inverter under off-grid working mode

圖3為電壓電流雙閉環的具體控制框圖。圖中，Gv（s）為電壓環傳遞函數，Gi（s）為電流環傳遞函數，KPWM為調制模塊的傳遞函數。

圖3 電壓電流雙環控制框圖Fig.3 Control block diagram of voltage and currentdual-loop control

式中：kvp為比例系數；kvi為諧振系數；ω0為諧振頻率；ωc為控制器帶寬；s為頻域下的虛指數；k為電流環比例系數。

2 并網工作模式

圖4為并網逆變器在并網工作模式下的結構示意圖。在并網工作模式下，逆變器交流側輸出信號經濾波器連接至電網的并網耦合點。圖5為并網工作模式下并網逆變器的并網電流控制框圖。在并網工作模式的穩態情況下，并網逆變器的輸出電壓無需控制，只需要控制并網電流與并網耦合點的電壓同頻同相即可。

圖4 并網逆變器并網工作模式Fig.4 Grid-connected working mode of grid-connected inverter

圖5 并網工作模式下并網逆變器控制框圖Fig.5 Control block diagram of grid-connected inverter under grid-connected working mode

圖6為并網逆變器并網電流控制框圖。圖中：Td為PWM信號延遲時間，一般取0.5Ts，Ts為開關周期；Kpi，Kii，KPWM分別為電流內環PI控制的比例系數和積分系數；L，r分別為濾波電感的電感值和內阻值。

圖6 并網逆變器并網電流控制框圖Fig.6 Current control block diagram of grid-connected inverter

3 基于相位補償的并離網切換策略

離網工作模式切換為并網模式的要求：①逆變器的輸出電壓與電網電壓幅值、相位、頻率一致；②并網電流與并網電壓同相位、同頻率。

圖7為并離網切換時的結構示意圖以及對應的控制框圖。在圖7中：兩個基于正序分量的鎖相環技術是為了獲取逆變器輸出電壓和電網電壓的相位，在并網模式下，兩個相位之差經過PI調節器后作為abc坐標系轉dq坐標系的相位信息，這樣可保證逆變器輸出電壓與電網電壓相位、頻率一致；離網模式下，為了在離網切換至并網時更加快速，坐標變換的相位信息沿用電網電壓相位，同時通過電壓外環控制逆變器輸出電壓盡量靠近電網電壓。因此，本文所提出的并離網切換方法如下：離網切換為并網時，增加相位補償控制，保證逆變器輸出電壓與電網電壓同頻同相；并網切換為離網時，切除相位補償控制，但繼續沿用電網相位信息，為下一次切換為并網做準備。

圖7 并離網切換策略框圖Fig.7 Block diagram of grid-connected and off-grid switching strategy

4 基于正序分量提取的鎖相環技術

由于逆變器輸出電壓在未經過濾波器之前是高頻的脈沖信號，同時，并網耦合點電壓具有一定的波動，因此需要提取電壓信息中的基波正序分量，從而獲得精確的相位信息。

使用PI控制器使變換后輸出的電網電壓無功分量趨近于0，從而完成電網電壓相位的鎖定，控制框圖如圖8所示。

圖8 鎖相環控制框圖Fig.8 Phase locked loop control block diagram

5 結果驗證

為了驗證本文所提控制策略的有效性，建立如圖9所示的實驗平臺，利用PSIM軟件進行驗證。仿真和實驗參數如表1所示。

圖10為逆變器并離網切換時的仿真波形。一開始，逆變器工作在離網模式下，在0.08 s時，將離網模式切換為并網模式，從逆變器輸出電壓和并網耦合點電壓對比圖可以看出：離網模式下，逆變器輸出電壓的相位和并網耦合點電壓的相位并不一致；當切換為并網模式時，逆變器輸出電壓和并網耦合點電壓重合，并且在0.12 s時，實現并網。在0.2 s時，再將并網模式切換為離網模式，從波形圖中可以看出，切斷了并網耦合點電壓，并網電流略微跌落，此時切除并網耦合點電壓相位信息的獲取。因為并網時，逆變器輸出電壓的相位已經與并網耦合點重合，再次切換為離網模式時，逆變器輸出電壓的相位已經和耦合點電壓一致，所以逆變器輸出電壓和并網耦合點電壓依舊保持一致。從并離網切換時的并網電流對比可以看出，本文所提出的相位補償方法能夠減小切換時的并網電流沖擊。

圖10 并離網切換仿真結果Fig.10 Simulation results of grid-connected and off-grid switching

圖11為并離網切換時的實驗結果。由圖可知：當離網切換至并網時，實驗結果與仿真一致。當未加本文提出的相位補償策略時，并網電流沖擊會引起過流保護，故實驗結果中未給出不加相位補償策略時的并離網切換；當并網切換為離網時，并網電流減小為0，這是因為采樣的是并網耦合點的電流，同時，逆變器輸出電壓和并網耦合點電壓開始與離網模式保持一致，出現的些許偏差是由實驗中的采樣延遲和控制偏差所導致的。

圖11 并離網切換實驗結果Fig.11 Experimental results of grid-connected and off-grid switching

6 結語

微電網能夠將可再生能源所產生的電能匯入大電網，為大電網的能量調度帶來了極大的靈活度。微電網既能運行在并網模式下，為大電網注入能量，也能運行在離網模式下，為附近的用電負荷供電。在這兩種模式的切換過程中容易給大電網帶來沖擊。本文提出了一種基于相位信息補償的并離網切換控制策略，實現了并離網兩種工作方式的平滑切換，可減小對電網的沖擊。