陸　宇，唐麗嬋，湯雪華

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070)

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基于定頻積分控制的并網(wǎng)逆變器的接口控制和孤島保護(hù)

陸宇，唐麗嬋，湯雪華

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070)

摘要:新的數(shù)字電網(wǎng)接口控制策略不同于一般的SPWM和PLL(鎖相環(huán))的控制方法，其具有自動(dòng)相位跟蹤能力，控制簡(jiǎn)易化和輸出功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，它可以根據(jù)直流電壓和電網(wǎng)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出。文中提出了光伏并網(wǎng)逆變器新的控制方法，它是基于對(duì)電流跟蹤的定頻積分控制(UCI)；分析了其工作原理，推導(dǎo)了其控制方程，研究了其孤島保護(hù)。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；DSP

0　引　言

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于較偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力系統(tǒng)，作為獨(dú)立電源供給家電和照明使用。發(fā)電量的嚴(yán)重短缺和環(huán)境污染使分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)已越來(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)能力。近年來(lái)，光伏發(fā)電已開(kāi)始從補(bǔ)償能源轉(zhuǎn)換為替代能源，從小的偏遠(yuǎn)獨(dú)立系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為公共接口發(fā)電系統(tǒng)。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，所以逆變器公共接口控制的研究具有重大意義和重要的應(yīng)用前景。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)DC/DC變換器，將太陽(yáng)能電池板的直流電轉(zhuǎn)換成400 V直流電壓。然后通過(guò)DC/AC逆變器，獲得220 V/50 Hz的交流電。并網(wǎng)系統(tǒng)需要保證逆變器的輸出電流和電網(wǎng)電壓相位相同，并且達(dá)到單位功率因數(shù)。目前，大部分的光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器采用了SPWM全橋電路，所以SPWM脈沖發(fā)生器和PLL環(huán)是必須的，這使得控制復(fù)雜，可靠性差，硬件成本高。

本文論述了一種新的數(shù)字電網(wǎng)接口控制策略。它選擇電網(wǎng)電壓作為參考電流信號(hào)，讓逆變器的輸出電流跟蹤參考信號(hào)。定頻積分控制(UCI)由參考電流和反饋電感電流之間的誤差信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法具有不含PLL環(huán)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓的特點(diǎn)。該系統(tǒng)可以根據(jù)直流輸入電壓和電網(wǎng)電壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，并且具有快速響應(yīng)和孤島保護(hù)能力。這樣，可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的并網(wǎng)逆變器，且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

1　基于定頻積分控制的網(wǎng)絡(luò)接口控制

1.1　原　理

標(biāo)準(zhǔn)橋式電路單相并網(wǎng)逆變器如圖1所示。輸入直流電壓為UC；電網(wǎng)電壓是vS，iS是流向電網(wǎng)的電感電流；UL是電感上的電壓。

圖1 并網(wǎng)橋式逆變器的示意圖

UCI是基于單周期控制的,為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：

(1) DC輸入電壓是恒定的；

(2) 逆變器的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用頻率和輸出電流頻率。

當(dāng)0

(1)

當(dāng)DTS

(2)

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平衡原則，可得到：

(3)

上述等式可簡(jiǎn)化為：

(4)

當(dāng)光伏逆變器向電網(wǎng)輸出能量時(shí)，逆變器的輸出電流要求與電網(wǎng)是同相的。因此，流入的電感電流可以表示如下：

(5)

式中，k1是引入的常數(shù)，用于限制最大電流；k2是用來(lái)控制功率電平的參數(shù)；RS是電流檢測(cè)的等效電阻；iS是流入電網(wǎng)的電感電流；可把式(5)改寫(xiě)成：

(6)

結(jié)合式(4)和式(6)的結(jié)果，得：

(7)

令Um=RSk2UC

“頭腦”又名“八珍湯”，是由黃芪、良姜、羊肉、煨面、羊尾油、藕根、長(zhǎng)山藥、黃酒等八種食材配制而成。頭腦選料講究，制作精細(xì)：羊肉選的是羊腰窩肉，易于煮爛且不腥膻；黃芪選的是質(zhì)地優(yōu)良的正北芪。將羊肉切小塊，大火煮沸，加上花椒、黃芪、良姜等佐料后，改用小火煮熟后撈出；另將酒糟汁入鍋煮沸，加料酒、煨面，煮成面糊湯，再把羊肉塊、熟山藥、藕片放入碗里，加羊尾油丁，澆上面糊湯便成。此種方法制作出來(lái)的頭腦，面糊清白，濃黏厚重，喝到嘴里，甜、軟、綿、香、熱！酒香、藥香、肉香，混在一起，一古腦地鉆進(jìn)鼻孔，令人忍不住饞涎滴流，立馬抄匙大快朵頤一番！

(8)

Um幾乎在每一個(gè)周期內(nèi)都為常數(shù)，它用來(lái)控制輸出功率。表達(dá)式RSk2UC(2D-1)包括開(kāi)關(guān)信息D，它可以當(dāng)做一個(gè)積分器,其計(jì)算如下：

(9)

Ti是積分器的積分時(shí)間常數(shù)，Ti=TS/2。結(jié)合式(7)和(9)的結(jié)果，可得：

(10)

式(10)是控制方程的關(guān)鍵。該系統(tǒng)的單位功率因數(shù)可以通過(guò)控制電流來(lái)滿足要求。

1.2　模擬研究

在PSpice 14.0中進(jìn)行了算法的仿真。該控制器包含一個(gè)帶復(fù)位的積分器，它帶有一些線性和邏輯元件。式(10)在圖2所示的電路圖中體現(xiàn)出來(lái)。在模擬實(shí)驗(yàn)中，額定直流輸入電壓為200 V，額定電網(wǎng)電壓為110 V。

圖2 并網(wǎng)模擬電路

時(shí)鐘信號(hào)、UCI的控制信號(hào)和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和控制信號(hào)的仿真波形

具體實(shí)現(xiàn)如下：把時(shí)鐘信號(hào)周期當(dāng)做開(kāi)關(guān)周期，使時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)器——D觸發(fā)器從零變?yōu)檎?，開(kāi)關(guān)V1、V4斷開(kāi)，V2、V3導(dǎo)通。同時(shí)，積分器開(kāi)始對(duì)Um進(jìn)行積分。當(dāng)電網(wǎng)電壓、電感電流和積分器的輸出均滿足控制的關(guān)鍵方程，D觸發(fā)器將得到一個(gè)復(fù)位信號(hào)。然后驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)關(guān)和積分器被復(fù)位，等待下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束。

對(duì)所提出控制方法的仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。電網(wǎng)電壓US是100 V/div，電網(wǎng)電路iS為25 A/div?？梢钥闯?，逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相且呈現(xiàn)正弦波形。

圖4 電網(wǎng)電壓和流入電網(wǎng)電流的仿真波形

此外，由式(5)可知，輸出電感電流的參數(shù)由k1和k2決定。因?yàn)閰⒖茧娏魇请娋W(wǎng)電壓的采樣，流入的電流與電網(wǎng)電壓的配置相同，即使電網(wǎng)電壓失真，這也能確保其單位功率因數(shù)。當(dāng)k1和Um給定時(shí)，如果直流輸入電壓UC下降而積分參數(shù)保持不變，這相當(dāng)于增大了k2，所以電感輸出電流會(huì)自動(dòng)降低。該系統(tǒng)可以按照直流電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率。在t=25 ms(直流電壓UC=100 V/div，電流iS=20 A/div)，直流輸入階躍從180 V～240 V，圖5給出了仿真結(jié)果。

此外，當(dāng)逆變器向電網(wǎng)供電時(shí)，如果電網(wǎng)電壓突然降低，逆變器輸出電流將跟隨電網(wǎng)電壓下降，這很有利于孤島檢測(cè)和保護(hù)。在t=15 ms和t=45 ms時(shí)電網(wǎng)電壓波動(dòng)(電網(wǎng)電壓是100 V/div，電流是20 A/div)，圖6給出了仿真結(jié)果。很明顯，該系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。

圖5 直流電壓突然增大時(shí),直流電壓和流入電網(wǎng)電流的波形仿真

圖6　電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)電壓和流入電網(wǎng)電流的波形仿真

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1　基于DSP的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。通常，定頻積分控制都在模擬電路中進(jìn)行。然而，本文中該控制方法由數(shù)字控制器DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)字并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)在低功耗單相逆變器模型上實(shí)現(xiàn)。一個(gè)DC/AC逆變器通常將直流能量傳遞給電網(wǎng)。逆變器的輸入是180 V直流電壓，逆變器的輸出是110 V(RMS)交流電壓。該控制方法通過(guò)變壓器將電壓降低到110 V(有效值)，并接至逆變器的輸出接口。圖8為電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電感電流的實(shí)驗(yàn)波形。圖9為電網(wǎng)電壓和逆變器連接到電網(wǎng)時(shí)啟動(dòng)電流的實(shí)驗(yàn)波形。圖10顯示了，當(dāng)變頻器的輸出功率小于負(fù)載額定功率PR時(shí)，孤島保護(hù)中的電網(wǎng)電壓和流入電流的波形。圖11顯示了，當(dāng)變頻器的輸出功率大于負(fù)載額定功率時(shí)，孤島保護(hù)中的電網(wǎng)電壓和流入電流的波形。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于UCI的電網(wǎng)接口控制方法是可行的。逆變器輸出電流與電網(wǎng)交流電壓同相，確保了單位功率因數(shù)。并網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)。

圖8 電網(wǎng)電壓和流入電網(wǎng)電流

圖9 電網(wǎng)電壓和啟動(dòng)時(shí)流入電流

圖10 孤島保護(hù)下電網(wǎng)電壓和流入電流(PO

圖11 孤島保護(hù)下電網(wǎng)電壓和流入電流(PO>PR)

3　結(jié)　論

本文提出了一種新型的單相并網(wǎng)逆變器的控制方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于定頻積分控制的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)具有良好的性能，并能根據(jù)直流電壓和電網(wǎng)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率。它具有自動(dòng)相位跟蹤，輸出功率因數(shù)高，快速響應(yīng)和孤島保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。因此，所提出的并網(wǎng)方法非常適合并網(wǎng)替代能源發(fā)電。

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研制開(kāi)發(fā)

Interface Control and Islanding Protection of Grid-Connected Inverter Based on

Unified Constant Frequency Integral Control (UCI)

LU Yu, TANG Li-chan, TANG Xue-hua

(Shanghai Electric Central Research Institute, Shanghai 200070, China)

Abstract:New digital grid interface control scheme that has features of automatic phase tracking, simple control and high power factor is different from the general SPWM and PLL (phase locked loop) control methods, and it can also adjust its output automatically based on the DC voltage and the grid voltage. This paper presents a new control method for photovoltaic grid-connected inverter, which is unified constant frequency integral control (UCI) based on current tracking. Its working principle is analyzed; related control equations are derived and how to realize islanding protection is studied.

Key words:photovoltaic power generation; grid-connected inverter; DSP

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0035-03

作者簡(jiǎn)介：陸宇(1988-)，男，上海人，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開(kāi)發(fā)。

收稿日期：2014-12-15