并網(wǎng)逆變電路及其控制系統(tǒng)研究

摘要：基于高速芯片TMS320F28335 設(shè)計了并網(wǎng)逆變電路及其控制系統(tǒng)，包括外圍硬件電路的設(shè)計以及控制策略的實現(xiàn)。采用虛擬同步發(fā)電機（virtual synchronous generator，VSG）控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對并網(wǎng)逆變電路的輸出控制，構(gòu)網(wǎng)型的并網(wǎng)方式可自動與電網(wǎng)電壓同步，支持并離網(wǎng)無縫切換、有功無功自動調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了逆變電路的高供電品質(zhì)。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可成功實現(xiàn)小比例并網(wǎng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：高速芯片；并網(wǎng)逆變電路；虛擬同步發(fā)電機；構(gòu)網(wǎng)

中圖分類號：TP202.01；TM464 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

近年來，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展。然而，這些新能源發(fā)電技術(shù)存在較大的波動性和較差的可預(yù)測性，導(dǎo)致其能源利用率較低。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)能有效解決新能源發(fā)電的波動性問題，提高新能源發(fā)電的穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)將新能源發(fā)電過程中多余的電能儲存到電池中，在用電量大時再將儲存電能釋放到電網(wǎng)中，實現(xiàn)削峰填谷、調(diào)劑余缺的功能，從而提高電能的利用率[1]。

逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備，可調(diào)節(jié)電壓和頻率。并網(wǎng)逆變器可以使輸出交流電的相位和頻率與市電保持一致，使光伏發(fā)電等系統(tǒng)能夠直接向市電電網(wǎng)輸送電能，這不僅高效節(jié)能，還能創(chuàng)造經(jīng)濟效益[2]。同時，逆變器輸出電壓、頻率可調(diào)，能夠滿足不同設(shè)備的使用需求，以適應(yīng)不同的環(huán)境[3]。鐘慶昌[4] 介紹了如何將電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的電力電子變換器控制成為虛擬同步發(fā)電機（virtual synchronous generator，VSG）。許崇福等[5]提出了一種改進的基于穩(wěn)態(tài)頻率差值補償?shù)淖枘峥刂品椒ā沃均i等[6] 提出一種基于鎖相環(huán)的VSG離/ 并網(wǎng)無縫切換控制策略，可模擬同步發(fā)電機的準(zhǔn)同期并列裝置。溫春雪等[7] 提出一種對VSG 離網(wǎng)工況下的輸出頻率和并網(wǎng)工況下的輸出功率進行自適應(yīng)控制的方案。楊波等[8] 提出一種改進型VSG 控制方法，并將其應(yīng)用于交流微電網(wǎng)環(huán)境下的儲能變流器。

目前，并網(wǎng)逆變器多需要預(yù)同步，即啟動設(shè)備后首先檢測電網(wǎng)電壓，設(shè)備運行并輸出與電網(wǎng)同幅值、同相位、同頻率的三相電壓，然后預(yù)同步接觸器吸合，進行并網(wǎng)。本文提出了一種新型的并網(wǎng)策略，無須預(yù)同步接觸器便可直接啟動設(shè)備進行并網(wǎng)。

1 電路系統(tǒng)組成

1.1 電路總體控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用高速芯片TMS320F28335，該芯片具有150 MHz 的時鐘頻率，能夠提供高達300 MIPS（每秒百萬條指令）的處理能力，供電方式為3.3 V單電源供電，其內(nèi)部集成了1.9 V 的電源轉(zhuǎn)換模塊用于內(nèi)核供電，只要提供3.3 V 即可以使芯片穩(wěn)定運行；芯片具有256 kB 的閃存和34 kB 的隨機存取存儲器（random access memory，RAM）， 為程序存儲和數(shù)據(jù)存儲提供了較大的空間；芯片集成了12 位分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digitalconverter，ADC），其具有較高的采樣精度。

如圖1 所示，基于德州儀器公司制造的數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）高速計算芯片TMS320F28335，系統(tǒng)可以對主電路中的輸入、輸出電壓和電流進行檢測，以及對主接觸器、預(yù)充接觸器和絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolartransistor，IGBT）等進行控制。系統(tǒng)主要由模擬數(shù)字（analog to digital，AD）采樣、控制算法和輸入/ 輸出（input /output，I/O）控制3 個部分組成。利用AD 采樣得到的電壓值與電流值進行電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，通過鎖相環(huán)鎖定電網(wǎng)頻率，同時通過算法實時控制空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）的輸出，以控制IGBT 的輸出，實現(xiàn)與同幅值、同相位、同頻率的三相交流電網(wǎng)進行并網(wǎng)。I/O 控制負(fù)責(zé)控制主接觸器、預(yù)充接觸器以及功能接觸器的開通、關(guān)斷，并接收接觸器的返回信號用于監(jiān)控接觸器狀態(tài)，使系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定可靠。

1.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

針對AD 采樣、SVPWM 波的輸出以及I/O控制，按照其功能需求設(shè)計了對應(yīng)的硬件電路，包括模擬量接口電路、IGBT 驅(qū)動器和數(shù)字量接口電路。

1.2.1 模擬量接口電路

模擬量接口電路主要包括溫度檢測、電壓檢測和電流檢測電路。其作用是將電壓、電流、溫度等檢測信號轉(zhuǎn)換為弱電信號以提供給芯片，芯片再將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進行使用。本文的模擬量接口電路包括AD 采樣電路和負(fù)溫度系數(shù)（negativetemperature coefficient，NTC）溫度檢測電路。

（1）AD 采樣電路。基于OPA2189 運放芯片進行采樣電路的設(shè)計，采用差分放大電路，具有低噪聲、高精度、強抗干擾、抑制溫漂與共模信號等優(yōu)點。傳感器均采用電流型傳感器，其靈敏度高、工作范圍寬、適用性廣，根據(jù)所選電流型傳感器的不同，可以通過改變采樣電阻的阻值來控制輸入電壓。在電路后端設(shè)置鉗位二極管，防止電路輸出電壓超過3 V，從而損壞芯片。

（2） NTC 溫度檢測電路。該電路可以同時接入多組溫度檢測電路，在電路后端可以進行多組溫度數(shù)據(jù)的比較，將溫度最大值輸入中央處理器（central processing unit，CPU）來控制散熱風(fēng)機的運行，以防止IGBT 溫度過高，危害系統(tǒng)安全。

1.2.2 IGBT 驅(qū)動電路

IGBT 驅(qū)動電路負(fù)責(zé)將CPU 發(fā)出的SVPWM 信號經(jīng)驅(qū)動芯片放大后驅(qū)動IGBT。由于IGBT 的輸入電容較大，CPU 發(fā)出的SVPWM 信號不足以驅(qū)動IGBT 功率器件，因此需要驅(qū)動器放大驅(qū)動信號來提供足夠的驅(qū)動電流，以快速充放電門極，確保IGBT 可以快速開關(guān)。在開關(guān)過程中，電感的瞬態(tài)響應(yīng)可能會在IGBT 上產(chǎn)生高電壓尖峰（浪涌），此時需要驅(qū)動器迅速降低門極驅(qū)動信號的電壓，以降低IGBT 導(dǎo)通時的電流上升速率，從而減少由電感負(fù)載引起的電壓浪涌的影響。當(dāng)IGBT 出現(xiàn)過流、過壓和短路等故障時，驅(qū)動器可以迅速采取措施，將IGBT 狀態(tài)信號反饋給CPU，CPU 停止輸出，保護IGBT。此外，還可以在驅(qū)動器和IGBT 之間提供電氣隔離，使系統(tǒng)更加安全，減少故障傳播風(fēng)險。

1.2.3 數(shù)字量接口電路

數(shù)字量接口電路由TMS320F28335 芯片輸出電路和外部電路數(shù)字量輸入電路組成，可以控制系統(tǒng)啟停以及外部功能端子。

TMS320F28335 芯片輸出電路用于控制接觸器、制冷風(fēng)機、信號燈等外部功能設(shè)備。基于EL357N光耦芯片進行數(shù)字量輸出電路的設(shè)計，光耦合器能夠?qū)⑤斎攵撕洼敵龆诉M行隔離，使輸入電路的電氣噪聲和干擾無法傳遞到輸出電路，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性。采用光耦合器設(shè)計的輸出電路具有抗干擾能力強、傳輸速度快、功耗低、信號完整性好等優(yōu)點。

外部電路數(shù)字量輸入電路同樣采用光耦隔離，TLP521-4 為4 路光耦集成芯片，由于信號的接收是低有效（程序檢測到低電平才會生效），光耦集成芯片輸出的信號采用CD40106BM96 施密特觸發(fā)芯片取反，最后經(jīng)過SN74LVC244ANSR 緩沖器，以減少機械開關(guān)的抖動，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的信號。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

VSG控制系統(tǒng)流程圖如圖2 所示，由P-f 頻率控制、Q-e 電壓控制、功率計算、虛擬阻抗控制、電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)、鎖相環(huán)等部分共同組成。其中，P-f 頻率控制用于模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機的一次調(diào)頻和慣性環(huán)節(jié)；Q-e 電壓控制用于模擬同步發(fā)電機的主動調(diào)壓；電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)用于生成電壓、電流參考信號；虛擬阻抗控制用于模擬同步發(fā)電機的同步阻抗和定子電阻。根據(jù)模擬電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)電壓設(shè)定合適的有功功率參考值Pref、無功功率參考值Qref 以及輸出電壓Vref，將設(shè)備處于正常運行狀態(tài)下的無功功率設(shè)置為零，此時的Vref 為網(wǎng)側(cè)實際并網(wǎng)電壓。

2.1 VSG控制策略

同步發(fā)電機在并網(wǎng)運行時，其所需的能量和轉(zhuǎn)矩由原動機提供，為了保證機組輸出有功功率的均衡和電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，原動機都安裝有調(diào)速器；輸出電壓的穩(wěn)定則由勵磁系統(tǒng)對無功功率進行控制來保證。因此，VSG 控制系統(tǒng)可以通過虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁調(diào)節(jié)器，以及有功頻率控制和無功電壓控制來達到同步發(fā)電機的并網(wǎng)效果。

2.1.1 P-f 頻率控制同步發(fā)電機需要遵循以下公式：

設(shè)備啟動檢測到電網(wǎng)電壓，鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電角度1，此時將1 作為系統(tǒng)啟動時的初始電角度并作用于P-f 頻率控制環(huán)，保證系統(tǒng)啟動時初始相位與電網(wǎng)相位同步，無須傳統(tǒng)的預(yù)同步接觸器，便可直接并網(wǎng)。

3 實驗結(jié)果分析

網(wǎng)側(cè)采用模擬電網(wǎng)進行小比例電壓并網(wǎng)，設(shè)備啟動后并網(wǎng)波形如圖4 所示，其中一通道C1 為設(shè)備輸出AB 線電壓，二通道C2 為電網(wǎng)AB 線電壓，三通道C3 為A 相相電流。由圖4 可知，設(shè)備輸出電壓的頻率為49.92 Hz、有效值為184.6 V；電網(wǎng)電壓的頻率為49.81 Hz、有效值為184.0 V；兩相相位差為5.8°，設(shè)備輸出電壓與電網(wǎng)電壓同幅值、同相位、同頻率，相電流滯后線電壓30°，表明并網(wǎng)成功。

4 結(jié)論

本文在并網(wǎng)策略上采用VSG 控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)啟動前先由鎖相環(huán)獲取電網(wǎng)的電角度，將其作為系統(tǒng)啟動時的初始電角度，無須預(yù)同步接觸器，啟動設(shè)備后輸出的電壓與電網(wǎng)電壓同幅值、同相位、同頻率，成功實現(xiàn)并網(wǎng)。在并網(wǎng)成功后，鎖相環(huán)不再工作，系統(tǒng)自動構(gòu)建交流側(cè)電壓幅值與相位。