沈 鑫，王 昕，趙艷峰，劉清蟬

(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，昆明650217)

基于單周控制的并網(wǎng)逆變器在云南電網(wǎng)中的研究應(yīng)用*

沈 鑫*，王 昕，趙艷峰，劉清蟬

(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，昆明650217)

可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為一項(xiàng)解決世界可持續(xù)和清潔能源供應(yīng)問題的全球性議程。并網(wǎng)逆變器是可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵性因素。單周控制在有源電力濾波器上的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，但還沒有很好地應(yīng)用到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器當(dāng)中，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀采用了一種新型非線性控制方法——單周技術(shù)應(yīng)用于的并網(wǎng)逆變器的控制策略，該方法不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并且能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于單周期控制的并網(wǎng)逆變器具有一定實(shí)用價(jià)值和推廣性。

單周控制;并網(wǎng)逆變器;電網(wǎng);仿真

可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為一項(xiàng)解決世界可持續(xù)和清潔能源供應(yīng)問題的全球性議程?？稍偕茉?，如風(fēng)力，太陽(yáng)能以及微水電，都需要并網(wǎng)逆變器(GTI)，以實(shí)現(xiàn)功率從電源側(cè)到電網(wǎng)側(cè)的流動(dòng)。因此，GTI是可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵性因素。單周控制技術(shù)(OCC)是在開關(guān)放大器的PWM控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種大信號(hào)非線性控制技術(shù)。單周控制在有源電力濾波器上的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，但還沒有很好地應(yīng)用到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器當(dāng)中，本文采用一種新型非線性控制方法——單周技術(shù)應(yīng)用于的并網(wǎng)逆變器的控制策略，該方法不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并且能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于單周期控制的并網(wǎng)逆變器(OCC-GTI)具有一定實(shí)用價(jià)值和推廣性。

OCC-GTI技術(shù)是在美國(guó)能源部贊助下由加州理工學(xué)院和加利福尼亞大學(xué)歐文分校學(xué)者進(jìn)行研發(fā)的，并因其速度快、精確度高、諧波失真低、體積小、可靠性高的特點(diǎn)，另外OCC-GTI還可提供高速和高精度控制的無(wú)功補(bǔ)償模塊。對(duì)于中國(guó)電網(wǎng)而言，OCC-GTI是增加可再生能源發(fā)電和實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的理想解決方案。

1 基于單周控制的并網(wǎng)逆變器原理

單周期控制(OCC)是一種非線性的脈寬調(diào)節(jié)方法。與傳統(tǒng)PWM方法［1-2］所不同的是，單周期控制通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)的鋸齒波的斜率來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM控制和快速非線性控制。單周期控制的實(shí)現(xiàn)電路非常簡(jiǎn)單。如圖1是單周期控制的基本控制原理圖。通過(guò)時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)周期的脈沖序列，這些序列可以在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。V2作為一個(gè)整體接到積分電路的輸入端，輸出值是相對(duì)V1而言的。當(dāng)比較器的兩輸入端的信號(hào)彼此接近時(shí)，比較器會(huì)改變它的狀態(tài)，從而使觸發(fā)器復(fù)位和積分電路停止工作。相應(yīng)的操作可以通過(guò)下式來(lái)表示:

圖1 單周期控制原理圖

式中:T代表開關(guān)周期，d表示占空比，R和C分別表示積分電路的電阻和電容。通過(guò)這個(gè)式子可以重新設(shè)置開關(guān)周期。在單周期控制電路中，通過(guò)控制占空比可以使V2的斬波信號(hào)在每個(gè)開關(guān)周期都等于V1或與V1成比例。在不失一般性的前提下，如果選擇放大系數(shù)等于開關(guān)周期，那么V2在每個(gè)開關(guān)周期的斬波信號(hào)都等于V1。換句話說(shuō)就是占空比有如下關(guān)系:

通過(guò)這個(gè)式子可以求得式(1)中的d。UCI的研究者已經(jīng)證明了大多開關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制功能［3-18］，如GCIs、PFC、APFc和一些FACTS組件的控制都是第一個(gè)多項(xiàng)式方程矩陣，因此它們都可以通過(guò)單周期控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步說(shuō)，許多OCC控制器都可以一般化為一個(gè)通用的OCC控制器。通過(guò)這個(gè)通用的OCC控制器，電力設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

以圖2所示單相升壓變流器為例，單周期控制可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)功能，且其控制簡(jiǎn)單。升壓變流器Vo和輸入電壓Vg的關(guān)系為:

假設(shè)PFC得到較好實(shí)現(xiàn)，則PFC變流器輸入電流ig一定完全跟蹤輸入電壓Vg，即兩者無(wú)相位差，則升壓變流器輸入電感電流為:

當(dāng)升壓電路做為PFC整流器運(yùn)行時(shí)，其輸入等

圖2 單相OCC-PFC升壓變流器

效電阻Re為線性的，其值由負(fù)載決定的。由式(3)和式(4)可以導(dǎo)出下面的核心控制方程，這是關(guān)于占空比d的一階多項(xiàng)式函數(shù)。

由于前面的邊緣調(diào)制，該控制的復(fù)雜性最小。其中，電流受開關(guān)關(guān)斷時(shí)間影響，因此輸入電流ig等于二極管電流id?？紤]到感應(yīng)電流idu通常經(jīng)感應(yīng)電阻Rs轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。上述操作使核心控制方程變?yōu)槭?6):

在表達(dá)式(6)中，輸出電壓通常是不變的，感應(yīng)電阻是固定的常值，而等效輸入電阻Re是負(fù)載的函數(shù)。在一個(gè)典型的應(yīng)用中，與電流環(huán)的控制速度相比，負(fù)載電流的變化率較低，因此，Vm的最終值是由反饋控制回路自動(dòng)、動(dòng)態(tài)地決定的。因此，最終的核心控制方程為:

采用OCC控制方法可以很容易實(shí)現(xiàn)此核心控制方程，因?yàn)樗鉀Q了通用的一階多項(xiàng)式方程(2)。帶有典型OCC控制模塊的實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示，OCC控制模塊的輸入電壓V2=Vm，V1=iduNRs，其中N為CT的增益。

對(duì)已建成了一個(gè)評(píng)估OCC控制性能的試驗(yàn)樣機(jī)，升壓變流器可以獲得與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相同的波形，如圖3所示，其中OCC調(diào)制作用下占空比d波形，Vm-2dVm=Rsis。顯然，OCC以非線性模式調(diào)制占空比d，從而保證了升壓變流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖3 OCC-PFC升壓變流器的實(shí)驗(yàn)波形

通常三相變流器通過(guò)d/q變換控制，而這也是在微型控制器及數(shù)字信號(hào)處理器速度有所改善的近幾年才變?yōu)榭赡?。而三相變流器的控制通常要求?shù)個(gè)幾十萬(wàn)行代碼實(shí)現(xiàn)，這就導(dǎo)致電路的響應(yīng)速度，精度和可靠性受到計(jì)算復(fù)雜性的影響。

由于OCC技術(shù)控制電路簡(jiǎn)單，速度快，精度高和可靠性高等顯著特點(diǎn)，給三相電力變流器帶來(lái)了巨大轉(zhuǎn)變。圖4為一個(gè)三相變流器。為獲得的輸入輸出關(guān)系，推導(dǎo)出其等效電路如圖5所示。

圖4 三相逆變器

圖5 三相逆變器的等效電路

與單相升壓變流器控制方法相似，可以從此等效電路中推的輸入輸出量關(guān)系，其關(guān)系可以用矩陣形式表示。由于該矩陣是奇異的，其解決方案并不唯一。以下為兩個(gè)解決例案:

這兩種解決方式分別有兩個(gè)核心控制方程:

兩式同為一階多項(xiàng)式方程組，可以方便得使用OCC芯片解出這些方程，這就使得電力變流器控制的簡(jiǎn)單、有效和精致。

2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)原理如圖6所示。直流電壓通過(guò)開關(guān)接入OCC-GTI的直流端OCC-GTI的三相輸出由自耦調(diào)壓器接入電網(wǎng)。FLUKE功率分析儀用來(lái)檢測(cè)OCCGTI的輸出。有功及無(wú)功控制信號(hào)由OCC控制合產(chǎn)生并輸入到OCC-GTI。

圖6 三相逆變器的等效電路

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn)

(1)超前無(wú)功補(bǔ)償模式超前無(wú)功補(bǔ)償模式，波形記錄:如圖7、圖8所示。圖8為濾去B、C相電流，只保留A相電流、電壓曲線，可以看出，在超前無(wú)功補(bǔ)償模式下，OCCGTI向380 V交流電網(wǎng)注入電流，并且電流相位超前電壓相位90°。

表2 超前無(wú)功補(bǔ)償模式

圖7 超前無(wú)功補(bǔ)償三相電流及A相電壓

圖8 超前無(wú)功補(bǔ)償模式A相電壓電流曲線

(2)滯后無(wú)功補(bǔ)償模式

滯后無(wú)功補(bǔ)償模式，波形記錄:如圖8所示。從表3及圖9可以看出，OCC-GTI向交流電網(wǎng)提供無(wú)功電流，進(jìn)行滯后無(wú)功補(bǔ)償，電流相位滯后電壓相位90°，由于只提供無(wú)功補(bǔ)償，所以功率因數(shù)接近于零。而且注入電網(wǎng)的電流諧波畸變率為2%左右，波形接近正弦。

表3 滯后無(wú)功補(bǔ)償模式

(3)并網(wǎng)逆變模式

并網(wǎng)逆變模式，波形記錄:如圖9所示。在并網(wǎng)逆變模式下，OCC-GTI向電網(wǎng)提供純有功功率，三相功率因數(shù)都在0.99左右，并且電流諧波畸變率很小，波形正弦程度很高。從圖10可以看出，電壓與電流方向相反，也說(shuō)明了功率是從OCC-GTI流向三相電網(wǎng)。

圖9 滯后無(wú)功補(bǔ)償模式三相電流及A相電壓

表4 并網(wǎng)逆變模式

圖10 并網(wǎng)逆變模式波形圖

2.2.2 并網(wǎng)逆變模式暫態(tài)性能

(1)有功功率從有到無(wú)

圖11 并網(wǎng)逆變模式有功功率從有到無(wú)過(guò)程

圖12 有功功率從有到無(wú)過(guò)程波形放大圖

(2)有功功率從無(wú)到有

從圖11至圖14可以得出，在并網(wǎng)逆變模式下，無(wú)論有功功率從有到無(wú)，還是有功功率從無(wú)到有的暫態(tài)過(guò)程，OCC-GTI都能在500μs以內(nèi)完成跟蹤，動(dòng)態(tài)性能好。

圖13 有功功率從有無(wú)到有過(guò)程圖

圖14 有功功率從無(wú)到有過(guò)程波形放大圖

在暫態(tài)測(cè)試過(guò)程中，OCC-GTI既能向380 V三相交流電網(wǎng)提供有功功率，作為電源向電網(wǎng)提供電流，又能提供無(wú)功補(bǔ)償。且提供有功功率時(shí)，功率因數(shù)可以達(dá)到0.99左右，電能質(zhì)量很高。

2.2.3 低電壓穿越性能測(cè)試

在50A滿負(fù)載電流下，分別測(cè)試220 V、165 V、110 V、85 V相電壓下電流波形，由于光伏逆變?cè)O(shè)備欠電壓保護(hù)閾值一般設(shè)置為85 V左右，本次未對(duì)更低電壓進(jìn)行穿越性能測(cè)試。

(1)220 V相電壓

圖15 200 V相電壓下A相電壓電流波形

(2)165 V相電壓

(3)110 V相電壓

(4)85 V相電壓

從圖15至圖18可以看出，當(dāng)通過(guò)交流側(cè)調(diào)壓器調(diào)整OCC-GTI輸出電壓分別為額定電壓的75%、50%、36%時(shí)，OCC-GTI輸出電流依然穩(wěn)定維持在50 A滿負(fù)載電流，不受任何干擾。由此可見OCCGTI有很強(qiáng)的低電壓穿越能力，完全滿足光伏并網(wǎng)的技術(shù)要求，在國(guó)內(nèi)新能源并網(wǎng)領(lǐng)域有很強(qiáng)的新穎性、實(shí)用性和推廣性。

圖16 165 V相電壓下A相電壓電流波形

圖17 110 V相電壓下A相電壓電流波形

圖18 85 V相電壓下A相電壓電流波形

3 結(jié)論

本文推導(dǎo)了基于單周控制并網(wǎng)逆變器控制方程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果分析表明基于單周控制的并網(wǎng)逆變器能夠有效地對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，具有如下特點(diǎn):(1)單周控制并網(wǎng)逆變器(OCC-GTI)可以以0.99的功率因數(shù)向380 V交流電網(wǎng)輸送有功功率，且電流畸變程度很小，為2%左右;同時(shí)，OCC-GTI還能起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?(2)OCCGTI設(shè)備的動(dòng)態(tài)跟蹤能力很強(qiáng)，在無(wú)功的超前滯后及有功的有無(wú)切換過(guò)程中，均能在500μs的時(shí)間內(nèi)完成。(3)OCC-GTI有很強(qiáng)的低電壓穿越能力，在新能源并網(wǎng)領(lǐng)域有很強(qiáng)的實(shí)用性，其應(yīng)用于電力系統(tǒng)將具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的推廣前景。

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One-Cycle Control Grid-Tied Inverter Application in Yunnan Power Grid*

SHEN Xin*，WANG Xin，ZHAO Yanfeng，LIU Qingchan
(Electric Power Institute of Yunnan Electric Power Research Institute(Group)Co.Ltd，Kunming650217，China)

Renewable energy power generation has become a global solving agenda which is the world’s sustainable and clean energy supply issue.Grid-tied inverter is the key factors of the renewable energy power generation.One-Cycle Control in the application of active power filter has tended tomature，but not to practical application of power quality regulator.According to the situation of domestic，the use of a new type of non-linear controlmethod which is one-cycle control technology，application in the grid-tied inverter control strategy，thismethod is not only simple in structure and easy to realize.It can optimize and compensate system in a switch cycle.The simulation results verify the grid-tied inverter based on one-cycle control appliance is of certain practical value and popularization.

one-cycle control;grid-tied inverter;power grid;simulation

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.05.031

TM 464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005－9490(2013)05－0722－06

項(xiàng)目來(lái)源:中國(guó)南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目(K-YN2011-233)

2013-01-31修改日期:2013-03-09

EEACC:8120J;8360

沈 鑫(1981-)，男，漢，云南人，云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，博士研究生，工程師，主要研究方向是電能及互感器計(jì)量研究，23755803@qq.com;

趙艷峰(1980-)，男，漢，河北人，云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，碩士，從事電能計(jì)量檢定技術(shù)的研究;

王 昕(1967-)，女，漢，云南人，云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，高級(jí)工程師，主要研究方向是電能及互感器計(jì)量研究;

劉清蟬(1983-)，男，漢，四川人，云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，碩士，從事電能計(jì)量檢定技術(shù)的研究。