劉 紅 林明潮

(浙江埃菲生能源科技有限公司 溫州 325000)

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基于新型正序提取器的并網(wǎng)與獨(dú)立雙模式無縫切換策略

劉 紅 林明潮

(浙江埃菲生能源科技有限公司 溫州 325000)

針對三相逆變器，在提出的一種電網(wǎng)電壓正序提取器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了并網(wǎng)與獨(dú)立雙模式的無縫切換策略。在電網(wǎng)正常時(shí)，根據(jù)正序提取器所得到的正序分量計(jì)算電流給定；在電網(wǎng)異常時(shí)，由正序提取器保持恒頻恒幅的負(fù)荷電壓給定。在檢測到電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，正序提取器又能很快地跟蹤電網(wǎng)電壓相位，使得負(fù)荷電壓與電網(wǎng)電壓同步，從而避免并網(wǎng)沖擊。并網(wǎng)模式下的電流和獨(dú)立模式下的電壓控制均采用兩相靜止坐標(biāo)系下的比例諧振控制器實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該文所提策略的有效性。

分布式發(fā)電 并網(wǎng)逆變器 無縫切換 正序提取器

0 引言

當(dāng)前太陽能、風(fēng)能、燃料電池等新能源分布式并網(wǎng)發(fā)電受到世界各國的普遍重視，特別是能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的提出，使分布式能源的控制問題更加受到各界的重視。這些新能源通常通過并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)，在電網(wǎng)電壓正常的情況下，可穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送功率。然而，在電網(wǎng)故障或停電時(shí)，逆變器一般也停止運(yùn)行?？刂颇孀兤?，使其在切離電網(wǎng)后繼續(xù)以獨(dú)立運(yùn)行模式為附近的關(guān)鍵負(fù)荷不間斷供電，且在電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)還能自動并網(wǎng)運(yùn)行，已成為當(dāng)前分布式發(fā)電及微電網(wǎng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。其技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行兩種模式的無縫切換上。因此，研究無縫切換技術(shù)，使得分布式并網(wǎng)逆變器為關(guān)鍵負(fù)荷不間斷供電具有重要意義。

文獻(xiàn)[1-6]針對單相逆變系統(tǒng)闡述了并網(wǎng)與獨(dú)立雙模式切換方法。在電路拓?fù)渖希谀孀兤骱碗娋W(wǎng)間均裝設(shè)了一個(gè)并網(wǎng)開關(guān)，以決定并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。在控制策略上，有并網(wǎng)模式下直接電流控制而獨(dú)立模式下切換至電壓控制[1-3]與并網(wǎng)模式下間接電流控制而獨(dú)立模式下電壓單閉環(huán)控制兩類[4-6]。后者實(shí)際在并網(wǎng)模式下采用電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，其優(yōu)點(diǎn)在于利用兩種模式都具備電壓環(huán)，可通過切換時(shí)電壓給定的不變來實(shí)現(xiàn)電壓的平滑切換。其本質(zhì)上是通過將并網(wǎng)狀態(tài)最后一個(gè)控制周期的電壓賦值給獨(dú)立運(yùn)行模式作為最初始狀態(tài)，缺點(diǎn)是增加了并網(wǎng)控制的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[7-11]針對三相逆變系統(tǒng)進(jìn)行了并網(wǎng)與獨(dú)立雙模式切換的研究。文獻(xiàn)[7]提出了基于間接電流控制的切換方法。文獻(xiàn)[8]研究了電網(wǎng)斷電時(shí)逆變輸出電壓的變化規(guī)律，并給出了智能切負(fù)荷策略。文獻(xiàn)[9]考慮了三相開關(guān)動作不一致的情況，給出了在三相靜止坐標(biāo)系下的切換方法。文獻(xiàn)[10，11]基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系設(shè)計(jì)了雙模式切換方法，在并網(wǎng)切換到獨(dú)立模式時(shí)將并網(wǎng)模式下的電壓調(diào)制值賦給獨(dú)立模式電壓控制環(huán)作為初值以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的平滑過渡。

本文針對三相逆變器進(jìn)行雙模式切換的研究。首先設(shè)計(jì)一種正序提取器來獲取電網(wǎng)電壓的相位，與文獻(xiàn)[12-16]提出的鎖相方式不同，該正序提取器能無相移和幅值衰減地提取基波正序分量，并含有一個(gè)可調(diào)濾波系數(shù)，通過調(diào)節(jié)該濾波系數(shù)，可使其在并網(wǎng)和獨(dú)立兩種模式切換中自動實(shí)現(xiàn)相位的平滑過渡。在正序提取器的基礎(chǔ)上，采用兩相靜止坐標(biāo)系下比例諧振控制器[17]，在并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行模式下均獲得三相平衡的無靜差跟蹤效果。通過對諧振輸出的合理限幅，防止了并網(wǎng)到獨(dú)立模式的負(fù)荷過電壓[18]以及在檢測的電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，又能自動跟蹤電網(wǎng)相位，使逆變器實(shí)現(xiàn)獨(dú)立到并網(wǎng)狀態(tài)的無沖擊切換。

1 雙模式逆變發(fā)電系統(tǒng)

含關(guān)鍵負(fù)荷的分布式發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。圖中L為逆變器交流側(cè)的濾波電感；Z為用戶的關(guān)鍵負(fù)荷，后文簡稱負(fù)荷，若逆變器帶有濾波電容，則將濾波電容也看成是負(fù)荷之一；i為逆變電感電流，iZ為負(fù)荷電流，ig為電網(wǎng)電流；ug為電網(wǎng)電壓，uZ為負(fù)荷電壓。圖中電網(wǎng)側(cè)有一個(gè)斷路器，該斷路器斷開表示電網(wǎng)停電狀態(tài)。斷路器是模擬電網(wǎng)斷電所用，并網(wǎng)點(diǎn)電壓監(jiān)測點(diǎn)在并網(wǎng)開關(guān)和斷路器之間。圖中的并網(wǎng)開關(guān)是可控的，控制器檢測到電網(wǎng)斷電時(shí)，必須將并網(wǎng)開關(guān)斷開，以防止斷路器重合閘時(shí)負(fù)荷電壓與電網(wǎng)電壓不一致而帶來的電流沖擊。在檢測到電網(wǎng)恢復(fù)后，必須先調(diào)節(jié)負(fù)荷電壓使其與電網(wǎng)電壓相位與幅值一致，才可將并網(wǎng)開關(guān)閉合以并網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 含關(guān)鍵負(fù)荷的分布式發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 A distributed generation system with a critical load

系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下將直流輸入功率傳送到負(fù)荷和電網(wǎng)，執(zhí)行電流控制。在獨(dú)立運(yùn)行模式下，執(zhí)行電壓控制，為負(fù)荷提供穩(wěn)定的電壓。除完成兩種模式的控制本身外，還必須實(shí)現(xiàn)兩種模式間的切換。

并網(wǎng)到獨(dú)立運(yùn)行的切換流程如圖2a所示。在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，需定期判斷電網(wǎng)是否正常。本文的判據(jù)為電壓有效值介于0.9～1.1倍額定值之間且頻率介于0.95～1.05倍額定頻率之間。若電網(wǎng)正常，執(zhí)行電流控制；若電網(wǎng)異常，控制芯片發(fā)出并網(wǎng)開關(guān)分閘指令，在分閘狀態(tài)反饋未收到前繼續(xù)執(zhí)行電流控制程序，收到分閘狀態(tài)反饋后，立即切換到獨(dú)立運(yùn)行模式。

獨(dú)立到并網(wǎng)運(yùn)行切換流程如圖2b所示。在獨(dú)立運(yùn)行模式下，為實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)恢復(fù)后能自動并網(wǎng)運(yùn)行，需定期檢查電網(wǎng)是否恢復(fù)正常。若電網(wǎng)尚未正常，執(zhí)行電壓控制；若電網(wǎng)恢復(fù)，則執(zhí)行同步控制，即調(diào)節(jié)負(fù)荷電壓，直到其與電網(wǎng)電壓相位和幅值一致。若已同步，則發(fā)出并網(wǎng)接觸器合閘指令，合閘狀態(tài)反饋未收到前繼續(xù)保持同步控制，若收到合閘狀態(tài)反饋，則切換至并網(wǎng)運(yùn)行模式。

圖2 雙模式切換流程Fig.2 The flowchart for transition between two modes

2 控制策略

2.1 數(shù)學(xué)模型

考慮到三相電路中只有兩相獨(dú)立可控，本文在兩相靜止坐標(biāo)系下控制。對圖1所示電路中的變量，進(jìn)行三相到兩相靜止坐標(biāo)系的變換

(1)

式中，x=v,u,i。

規(guī)定電流流入電網(wǎng)為正，可得并網(wǎng)狀態(tài)下兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中，iα、iβ為兩相靜止坐標(biāo)系下逆變側(cè)的α、β軸電流；ugα、ugβ為電網(wǎng)電壓；vα、vβ為調(diào)制電壓。 在獨(dú)立運(yùn)行模式下，式(2)中的電網(wǎng)電壓需換成負(fù)荷電壓uZα、uZβ。

2.2 正序提取器

在并網(wǎng)控制中，需以電網(wǎng)電壓的相位作為電流給定的依據(jù)，若發(fā)送有功電流，則使電流相位與電壓相位同步，若發(fā)送無功電流，則使電流相位與電壓相位相差90°。在獨(dú)立模式中，也需為給定負(fù)荷電壓提供相位。在獨(dú)立模式到并網(wǎng)模式切換過程中，更需將負(fù)荷電壓的相位調(diào)得與電網(wǎng)電壓相位一致才可并網(wǎng)。電網(wǎng)電壓正序提取器在相位獲取上起到重要作用，在此進(jìn)行原理介紹。

設(shè)兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓基波正序分量為

(3)

(4)

若需從測量到的電網(wǎng)電壓中提取基波正序分量，根據(jù)狀態(tài)觀測器的基波思想，需引入觀察誤差進(jìn)行負(fù)反饋，于是得到基波正序提取器的原理為

(5)

式中，γ為誤差反饋系數(shù)。式(5)可解釋為利用提取結(jié)果和實(shí)際采樣值的偏差，來更新提取結(jié)果。若提取結(jié)果小于實(shí)際采樣值，則提取結(jié)果隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù)應(yīng)增大，反之則減小。式(5)可整理為

(6)

(7)

于是，本文提出的電網(wǎng)電壓基波正序提取模塊的離散實(shí)現(xiàn)方程式為

(8)

將式(6)進(jìn)行Laplace變換，可解得

(9)

若采用普通的雙線性變換或歐拉差分進(jìn)行離散化，式(9)需要4個(gè)二階離散差分方程實(shí)現(xiàn)。因此本文給出的離散化方程式(8)具有計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。

式(8)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對基波正序分量的提取無幅值和相位偏移。根據(jù)傅里葉分析理論及不對稱分量法，三相三線系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓可分解為不同頻率的正序和負(fù)序分量之和。不妨設(shè)其中任意角頻率ω的分量為：ugα(n)=Ugcos(nωT+φ)，ugβ(n)=Ugsin(nωT+φ)， 其中，ω>0表示正序分量，ω<0表示負(fù)序分量。式(8)是一個(gè)迭代方程，轉(zhuǎn)移矩陣特征根的模為a，因其小于1，故而是穩(wěn)定的，且a越接近于0，收斂越快。根據(jù)式(8)可解得的穩(wěn)態(tài)輸出為

(10)

式中，A(ω)為幅值放大系數(shù)，即幅頻特性為

(11)

Δφ(ω)為相位偏移，即相頻特性為

(12)

取ω1=314 rad/s，T=100 μs，a分別為0.98和0.95為例，正序提取器的幅頻特性和相頻特性如圖3所示。

從穩(wěn)解可知，若ω=ω1， 則式(8)的輸入和輸出在幅值和相位上完全相等。對于基波頻率的無相位偏移和無幅值衰減特性，這是優(yōu)于其他的如雙線性變換或歐拉差分等離散實(shí)現(xiàn)方法的。

圖3 正序提取器的幅頻與相頻特性Fig.3 The amplitude and phase-frequency characteristics of the PCD

圖4 正序提取器的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the PCD

正序提取器的仿真效果如圖4所示，其中系數(shù)a取為0.98，T=100 μs，實(shí)線為兩相靜止坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓采樣值，而虛線為正序提取器的輸出。圖4a為在0.02 s時(shí)突然出現(xiàn)了10%的負(fù)序電壓的效果，圖4b為在0.02 s時(shí)突然出現(xiàn)了10%的5次和7次諧波的效果。從圖中可見，提取器的輸出為相差90°的正弦波，達(dá)到了濾除負(fù)序電壓和諧波的作用。

2.3 并網(wǎng)模式下的電流控制

并網(wǎng)模式的控制框圖如圖5所示。其中電流給定計(jì)算表達(dá)式為

(13)

式中，P*、Q*分別為逆變器需要發(fā)出的有功和無功功率給定。在此給出的是較普遍的功率控制目標(biāo)與電流給定的關(guān)系，也可將有功功率環(huán)換成直流電壓環(huán)，具體與并網(wǎng)逆變器所接直流電源的類型有關(guān)。

圖5 并網(wǎng)模式控制框圖Fig.5 The control framework in grid-tied mode

電流控制采用兩相靜止坐標(biāo)系下比例諧振解耦控制器[15]，控制方程式為

(14)

式中，kp為比例系數(shù)；cα、cβ為諧振輸出，具體離散實(shí)現(xiàn)表達(dá)式為

(15)

(16)

2.4 獨(dú)立模式下的電壓控制

獨(dú)立模式的控制框圖如圖6所示。電網(wǎng)未恢復(fù)正常前，正序提取的系數(shù)a取為1，這樣正序提取器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣正好是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣，它作用于正序分量，僅使正序分量的相位按固定頻率遞增，而保持幅度不變。此時(shí)，式(8)在并網(wǎng)正序分量最后一次提取結(jié)果的基礎(chǔ)上保持額定頻率的正弦波恒幅值輸出。交流負(fù)荷電壓給定按式(7)計(jì)算

(17)

式中，U*為負(fù)荷額定電壓幅值。

圖6 獨(dú)立模式控制框圖Fig.6 The control framework in stand-alone mode

負(fù)荷電壓控制也采用比例諧振控制器，控制方程為

(18)

式中，kpu為電壓環(huán)比例系數(shù)；dα、dβ為電壓誤差諧振輸出，具體離散實(shí)現(xiàn)表達(dá)式為

(19)

(20)

式中，kru為諧振控制系數(shù)；dα1、dβ1為構(gòu)造的中間變量。由于諧振項(xiàng)的加入，實(shí)現(xiàn)了交流無靜差跟蹤。諧振項(xiàng)的初始化值取為并網(wǎng)狀態(tài)最后一次的調(diào)制電壓值，dα(0)=vα，dα1(0)=vβ，dβ(0)=vβ，dβ1(0)=-vα， 這樣確保了從并網(wǎng)到獨(dú)立運(yùn)行模式電壓波形的平滑過渡。

若電網(wǎng)已經(jīng)恢復(fù)，則開始同步控制，同步控制本身也是電壓控制，只是參考電壓不再是控制器自動產(chǎn)生，而需要根據(jù)電網(wǎng)電壓來確定。將正序提取器的系數(shù)a由1變小，這里取為0.95，則可使參考電壓的相位逐漸與電網(wǎng)電壓相位一致。跟蹤的速度取決于系數(shù)a的大小，系數(shù)a越小，跟蹤越快，但系數(shù)a太小會導(dǎo)致負(fù)荷電壓相位變化太快而影響電壓波形的質(zhì)量，取為0.95是兼顧了快速性和波形質(zhì)量的折中結(jié)果。再將U*調(diào)整為電網(wǎng)電壓幅值，即可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓與電網(wǎng)電壓的完全同步。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺為50 kW三相并網(wǎng)逆變器，其拓?fù)淙鐖D1所示。并網(wǎng)開關(guān)選用三相接觸器。關(guān)鍵負(fù)荷用可調(diào)負(fù)載箱模擬，接在并網(wǎng)接觸器靠逆變器側(cè)。實(shí)驗(yàn)中，采用手動斷開斷路器的方法模擬電網(wǎng)斷開。

系統(tǒng)的各元件參數(shù)為：額定電網(wǎng)電壓400 V，逆變?yōu)V波電感0.6 mH，并網(wǎng)接觸器額定電流200 A，直流源為500 V恒壓源，逆變器交流輸出端與電網(wǎng)間還裝有一臺270 V/400 V的三相變壓器。

逆變器從并網(wǎng)運(yùn)行到獨(dú)立運(yùn)行切換的波形如圖7a所示。圖中，電網(wǎng)電流變?yōu)榱愕臅r(shí)刻即為斷開斷路器的時(shí)刻，之后，負(fù)荷電壓和電網(wǎng)電壓幅值均減少，由于控制策略中的限位器作用，電壓減少到一定值后不再減少，經(jīng)過不到100 ms，控制器檢測到電網(wǎng)欠電壓而斷開了并網(wǎng)接觸器，此時(shí)測到的并網(wǎng)電壓變?yōu)榱悖?fù)荷電壓逐漸上升至額定值。從波形上可看出，負(fù)荷電壓在幅值和相位上都實(shí)現(xiàn)了從并網(wǎng)到離網(wǎng)的無縫切換。而采用文獻(xiàn)[12]中提及的普通鎖相環(huán)(PLL)，得到并網(wǎng)到獨(dú)立模式切換的效果如圖7b所示。雖然也完成了并網(wǎng)到獨(dú)立模式的切換，但切換過程中波形出現(xiàn)了畸變。因?yàn)椴⒕W(wǎng)到獨(dú)立切換時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)的波動作用在鎖相環(huán)上，使鎖相環(huán)輸出的相位畸變惡化了控制效果。因此采用正序提取器，在保持相位平滑過渡上具有一定的優(yōu)越性。

圖7 并網(wǎng)到離網(wǎng)切換波形Fig.7 The waveform of transition from the grid-tied to stand-alone mode

逆變器從獨(dú)立運(yùn)行到并網(wǎng)運(yùn)行切換的波形如圖8所示。圖中負(fù)荷電壓一直是存在的。在電網(wǎng)電壓突然出現(xiàn)時(shí)，負(fù)荷電壓在2～3個(gè)工頻周期即跟蹤上電網(wǎng)電壓?？刂破髟跈z測到連續(xù)10個(gè)周負(fù)荷電壓與電網(wǎng)電壓一致時(shí)，發(fā)出接觸器并網(wǎng)命令，由于負(fù)荷電壓和電網(wǎng)電壓一致，并網(wǎng)時(shí)入網(wǎng)電流無沖擊，這得益于本文所提正序提取器提取相位的無相移性。

圖8 離網(wǎng)到并網(wǎng)切換波形Fig.8 The waveform of transition from the stand-alone to grid-tied mode

4 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)斷電時(shí)，利用分布式并網(wǎng)逆變器繼續(xù)為關(guān)鍵負(fù)荷供電。其中實(shí)現(xiàn)相位平滑過渡的關(guān)鍵是提出了一種具備可調(diào)系數(shù)的正序提取器，它能在兩個(gè)模式及其切換過程中平穩(wěn)地輸出控制需要的相位。該正序提取器具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，直接在離散域給出了表達(dá)式，有利于數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)，且具有無相移的優(yōu)點(diǎn)，使得電網(wǎng)相位的獲取十分準(zhǔn)確，有利于減小并網(wǎng)沖擊。基于正序提取器設(shè)計(jì)的控制策略包含了并網(wǎng)和獨(dú)立兩種模式的控制及其切換邏輯，能自動檢測電網(wǎng)斷電，且平滑切換到獨(dú)立運(yùn)行模式，在檢測到電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，又能跟蹤電網(wǎng)電壓，進(jìn)行無沖擊并網(wǎng)。

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A Seamless Transition Strategy Between Gird-Tied and Stand-Alone Modes for Inverters Based on a New Positive Component Detector

LiuHongLinMingchao

(Zhejiang Eifesun Energy Technology Company Limited Wenzhou 325000 China)

As the seamless transition between grid-tied and stand-alone modes is one of the technical challenges in distributed generation systems，a seamless transition approach based on the proposed positive component detector(PCD) for grid voltages is presented in this paper for three-phase utility-interactive inverters.The PCD provides the phase angle utilized for calculating the current reference in the grid-tied operation mode，while keeps the constant magnitude and frequency output used as the load voltage reference when the system outage.Once the grid has recovered，it can track the voltage phase so as to avoid the inrush when the inverter is reconnected to the grid.The current reference in the grid-connected mode and the voltage reference in the stand-alone mode are both controlled by the proportion resonance controller in the two phase static coordinate which has the capability of no static error tracking.Finally，the proposed strategy has been verified through experiments.

Distributed generation，utility interactive inverters，seamless transition，positive component detector

科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(11C26213304755)和浙江省科技計(jì)劃(2011C21002)資助項(xiàng)目。

2014-11-20 改稿日期2015-03-07

TM464

劉 紅 男，1985年生，碩士，工程師，研究方向?yàn)楣夥?、風(fēng)電等分布式發(fā)電系統(tǒng)及其控制。(通信作者)

林明潮 男，1983年生，工程師，研究方向?yàn)榉植际侥茉床⒕W(wǎng)接入及系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。