沈鑫，王昕，丁心志，趙艷峰，劉清蟬

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

可再生能源，如風(fēng)力，太陽能以及微水電，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，但還沒有很好的應(yīng)用到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器當(dāng)中，本文對(duì)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，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)速度快、精確度高、諧波失真低、體積小、可靠性高，另外還可提供高速和高精度控制的無功補(bǔ)償模塊。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。

2 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，單周期控制通過調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)的鋸齒波的斜率來實(shí)現(xiàn)PWM控制和快速非線性控制。單周期控制的實(shí)現(xiàn)電路非常簡單。如圖1是單周期控制的基本控制原理圖。通過時(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)的操作可以通過下式來表示:

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。換句話說就是占空比有如下關(guān)系:

通過這個(gè)式子可以求得(1)式中的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單周期控制電路來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步說，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，且其控制簡單。升壓變流器V0和輸入電壓Vg的關(guān)系為:

圖2 單相OCC－PFC升壓變流器

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)，其輸入等效電阻Re為線性的，其值由負(fù)載決定的。由方程(3)和(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id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)橄率?

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=idNRs，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)榭赡堋６嘧兞髌鞯目刂仆ǔＲ髷?shù)個(gè)幾十萬行代碼實(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單、有效和精致。

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

3.1 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功率分析儀用來檢測OCC－GTI的輸出。有功及無功控制信號(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

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn)

1)超前無功補(bǔ)償模式

表1 超前無功補(bǔ)償模式

CH1:IA黃色;CH4:UA綠色;CH5:IB紫色;CH6:IC藍(lán)色

圖7 超前無功補(bǔ)償三相電流及A相電壓

圖8 超前無功補(bǔ)償模式A相電壓電流曲線

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，在超前無功補(bǔ)償模式下，OCC－GTI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°。

2)滯后無功補(bǔ)償模式

表2 滯后無功補(bǔ)償模式

圖9 滯后無功補(bǔ)償模式三相電流及A相電壓

從表2及圖9可以看出，OCC－GTI向交流電網(wǎng)提供無功電流，進(jìn)行滯后無功補(bǔ)償，電流相位滯后電壓相位90°，由于只提供無功補(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。

3)并網(wǎng)逆變模式

表3 并網(wǎng)逆變模式

圖10 并網(wǎng)逆變模式波形圖

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，也說明了功率是從OCC－GTI流向三相電網(wǎng)。

3.2.2 并網(wǎng)逆變模式暫態(tài)性能

1)有功功率從有到無

圖11 并網(wǎng)逆變模式有功功率從有到無過程

圖12 有功功率從有到無過程波形放大圖

2)有功功率從無到有

圖13 有功功率從有無到有過程圖

圖14 有功功率從無到有過程波形放大圖

在并網(wǎng)逆變模式下，無論有功功率從有到無，還是有功功率從無到有的暫態(tài)過程，OCC－GTI都能在500μs以內(nèi)完成跟蹤，動(dòng)態(tài)性能好。

3.2.3 低電壓穿越性能測試

在50 A滿負(fù)載電流下，分別測試220 V、165 V、110 V、85 V相電壓下電流波形，由于設(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)行穿越性能測試。

圖15 200 V相電壓下A相電壓電流波形

1)165 V相電壓

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

2)85V相電壓

圖18 85 V相電壓下A相電壓電流波形

從圖15、16、17、18可以看出，當(dāng)通過交流側(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輸出電流依然維持在50 A滿負(fù)載電流。

4 結(jié)束語

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還能起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?

2)OCC－GTI設(shè)備的動(dòng)態(tài)跟蹤能力很強(qiáng)，在無功的超前滯后及有功的有無切換過程中，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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