蔡　慧，陳　堅，汪　偉，謝　岳，陳衛(wèi)民，宋春偉

(中國計量大學 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

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電壓型并網(wǎng)逆變器的沖擊電流抑制新方法

蔡慧，陳堅，汪偉，謝岳，陳衛(wèi)民，宋春偉

(中國計量大學 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

【摘要】針對傳統(tǒng)電壓型并網(wǎng)逆變器存在沖擊電流問題，從變換器電路結構對沖擊電流影響的新角度，提出了一種改進的并網(wǎng)逆變器拓撲，其主要特征是設計有內(nèi)置電阻.通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)并網(wǎng)，有內(nèi)置電阻的并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)時的沖擊電流抑制效果更好.然后，通過傳遞函數(shù)建立數(shù)學模型，對內(nèi)置電阻下并網(wǎng)能抑制沖擊電流的原因進行理論分析，指出原因在于這種情況下產(chǎn)生更小的幅值差，且能消除相位差，并給出了內(nèi)置電阻的參數(shù)設計方法.最后通過實驗驗證了內(nèi)置電阻抑制沖擊電流的效果，證明了理論分析的正確性.

【關鍵詞】變換器電路結構；并網(wǎng)逆變器；沖擊電流；內(nèi)置電阻

目前微網(wǎng)中逆變器的控制需要保證能夠離網(wǎng)運行、并網(wǎng)運行以及兩者之間的平滑切換.傳統(tǒng)的控制方法是逆變器以電流模式工作在并網(wǎng)階段，當逆變器從大電網(wǎng)上切除時，要求逆變器能夠檢測離網(wǎng)狀態(tài)，并且切換到電壓模式給負載供電[1].電流源并網(wǎng)和電壓源離網(wǎng)帶獨立負載的控制方法都比較成熟[2]，而孤島模式檢測研究較多[3].

但是傳統(tǒng)的電流源并網(wǎng)模式存在著問題：當從并網(wǎng)切換到離網(wǎng)時，模式切換瞬間會有沖擊電流；同時，電流源控制逆變器并網(wǎng)瞬間也存在沖擊電流.文獻[4]提出逆變器從并網(wǎng)電流模式切換到離網(wǎng)電壓模式前輸出電流減少到零，從而抑制瞬態(tài)電流的突變.文獻[5]提出了在光伏并網(wǎng)發(fā)電模型中采用改進的擾動觀察法實現(xiàn)最大功率點跟蹤，并網(wǎng)時采用電壓源輸入、電流輸出控制模式，通過固態(tài)變壓器接入10 kV交流電網(wǎng)的方案來抑制電流型并網(wǎng)沖擊電流.文獻[6]提出了一種軟啟動控制方法，該方法通過控制三相橋臂輸出直交軸參考電壓和直交軸參考電流實現(xiàn)三相并網(wǎng)逆變器的軟起動，從而解決電流型并網(wǎng)沖擊電流.文獻[7]提出了對并網(wǎng)時刻PI控制器賦值的方法來改變并網(wǎng)逆變器啟動時刻的動態(tài)性能，實現(xiàn)并網(wǎng)無沖擊電流的現(xiàn)象.

目前大部分并網(wǎng)逆變器的研究主要集中于電流型并網(wǎng)[8-10]，對于電壓型并網(wǎng)的研究相對較少.如果逆變器在離網(wǎng)和并網(wǎng)模式都采用電壓型并網(wǎng)，那么孤島問題和模式切換問題將會變得簡單.因此，為了解決孤島問題和模式切換問題，可以使用電壓型并網(wǎng)模式.但是電壓型并網(wǎng)的輸出電壓由于控制算法的精度無法達到與電網(wǎng)電壓完全一致，同樣存在并網(wǎng)沖擊電流的問題.電壓型并網(wǎng)逆變器的沖擊電流抑制問題大都是從控制策略角度來考慮.文獻[11]提出了實時采集并網(wǎng)點兩側的各相電壓和電流，計算逆變器側和網(wǎng)側D軸和Q軸電壓分量，然后對D軸和Q軸電壓分量進行控制，以其作為控制外環(huán)，和電流內(nèi)環(huán)一起調(diào)節(jié)三相半橋電路的驅(qū)動信號的占空比，驅(qū)動主回路逆變輸出交流，來解決電壓源并網(wǎng)的沖擊電流問題.

本文從變換器電路結構對沖擊電流影響的新角度，提出了一種有內(nèi)置電阻的電壓源并網(wǎng)逆變器拓撲，研究了該并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，然后基于數(shù)學模型分析了逆變器有內(nèi)置電阻的情況，得出內(nèi)置電阻對逆變器并網(wǎng)運行時產(chǎn)生的沖擊電流有較好的抑制作用，提高了電壓型并網(wǎng)逆變器的運行可靠性.這種變換器電路結構對控制效果影響的研究方法在DC-DC的建模與控制中比較常見[12-13]，但在電壓型并網(wǎng)逆變器領域并不多見，因此本文的研究具有一定的理論意義.

1并網(wǎng)逆變器的電路拓撲設計與仿真

1.1并網(wǎng)逆變器的電路拓撲

文獻[14]指出單相并網(wǎng)逆變器常采用電壓外環(huán)PI控制器、電流內(nèi)環(huán)P控制器，這種控制策略可以增加逆變器的阻尼系數(shù)，具有較強的魯棒性，同時這種控制策略可以使逆變器輸出的穩(wěn)態(tài)誤差變小，動態(tài)響應變快，所以本文也采用這種較為常用控制策略.

由于調(diào)節(jié)器的飽和作用，并網(wǎng)逆變器在無內(nèi)置電阻條件下與電網(wǎng)并網(wǎng)的瞬間，輸出電壓會存在幅值差，因此會引起很大的沖擊電流問題.為解決這個問題，本文提出讓并網(wǎng)逆變器本身帶一個阻性的內(nèi)置電阻R1再與電網(wǎng)Ug并網(wǎng)，如圖1所示，當并網(wǎng)完成幾個周期后，再將電阻R1旁路，防止不必要的功耗損失.

經(jīng)過改進后，由于逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)前，需要接入電阻R1，會有逆變器輸出的反饋電流，用于電流環(huán)給定控制.因此并網(wǎng)時，電流環(huán)給定的階躍變化量變小，不會存在從無到有的階躍變化，這樣就避免逆變器承受較大的沖擊.且并網(wǎng)時能減小輸出電流與電網(wǎng)供電相的相位差.

圖1　并網(wǎng)逆變器主電路圖Figure 1　Main circuit of the grid-connected inverter

另外，考慮到當電壓型逆變器進行并網(wǎng)運行時，可能會出現(xiàn)大沖擊電流問題導致母線電壓抬升的現(xiàn)象，因此設計了母線電壓保護電路(功率開關VI5所在支路)，提高裝置的安全性.

1.2并網(wǎng)逆變器仿真比較

根據(jù)圖1搭建仿真模型.首先按傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器考慮(無內(nèi)置電阻)，采用電壓源控制模式，輸出端經(jīng)LCL濾波.圖2為并網(wǎng)逆變器無內(nèi)置電阻時輸出電壓電流波形圖.在t=0.023 s時刻閉合并網(wǎng)開關k，由圖2可見,逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)開始時，輸出電流因為突變，產(chǎn)生電流沖擊，即與電網(wǎng)并網(wǎng)階段存在較大的并網(wǎng)沖擊電流.

圖2　逆變器不帶內(nèi)置電阻并網(wǎng)仿真波形圖Figure 2　Simulation waveform of grid-connected inverter without built-in resistance

圖3為逆變器在圖1的基礎上進行的帶內(nèi)置電阻并網(wǎng)仿真波形圖，其它參數(shù)和開關通斷時刻與圖2一致，內(nèi)置電阻R1為100 Ω電阻.與之相比，可以明顯的看到電流的突變程度變小，因此可以看出內(nèi)置電阻能抑制沖擊電流，并網(wǎng)運行的效果更好.

圖3　逆變器帶內(nèi)置電阻并網(wǎng)仿真波形圖Figure 3　Simulation waveform of grid-connected inverter with built-in resistance

2沖擊電流抑制分析

當逆變器采用電壓源控制模式，逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)瞬間，iL2由無到有產(chǎn)生突變，在電壓環(huán)調(diào)節(jié)器飽和作用的影響下，逆變器電流環(huán)變換量大，導致逆變器承受較大的沖擊，出現(xiàn)電流環(huán)給定與電網(wǎng)電壓相位不一致的情況，極易導致逆變器能量倒流，對直流側安全帶來威脅(如直流側電容過電壓等).

針對圖1的逆變器電路結構，下文對內(nèi)置電阻條件下抑制沖擊電流的原因進行分析.

2.1并網(wǎng)之前模型分析

文中逆變器采用iL2作為電流內(nèi)環(huán)反饋電流，所以在沒并網(wǎng)之前，對于有內(nèi)置電阻和無內(nèi)置電阻的條件下，逆變器的結構框圖是不一樣的.有內(nèi)置電阻的條件下，逆變器的結構框圖如圖4，而無內(nèi)置電阻的情況下的結構框圖如圖5.

圖4　并網(wǎng)之前有內(nèi)置電阻系統(tǒng)結構框圖Figure 4　Block diagram of the system with built-in resistance before grid connecting

圖5　并網(wǎng)之前無內(nèi)置電阻系統(tǒng)結構框圖Figure 5　Block diagram of the system without built-in resistance before grid connecting

對比圖4和圖5，可以發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)之前，對于無內(nèi)置電阻條件下，iL2=0，且系統(tǒng)為單電壓外環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)；而對于有內(nèi)置電阻條件下，iL2≠0，且為電壓電流雙閉環(huán)系統(tǒng).所以在并網(wǎng)瞬間，iL2的變化對于兩種條件下是不一樣的.根據(jù)之前的仿真結果，也可以看到，ΔiL2′<Δi″L2，其中ΔiL2′是有內(nèi)置電阻條件下的iL2的變化量，而Δi″L2是無內(nèi)置電阻條件下的iL2的變化量.

2.2并網(wǎng)瞬間模型分析

圖6為并網(wǎng)時刻系統(tǒng)結構框圖，為了分析并網(wǎng)時刻，這兩種變化量對Ucd的影響，由于電流內(nèi)環(huán)的響應速度更快，所以不考慮電壓外環(huán)的作用，單單從電流內(nèi)環(huán)分析這兩種情況對Ucd的影響.以ΔiL2為給定電流內(nèi)環(huán)輸入量，ΔUcd作為電流環(huán)輸出量，分別建立兩種條件下的結構框圖.圖7為有內(nèi)置電阻條件下的電流內(nèi)環(huán)結構框圖，其中R=R1//R2.圖8為無內(nèi)置條件下電流內(nèi)環(huán)結構框圖，其中R=R2，圖6的R也跟以上分析一致.

圖6　并網(wǎng)時刻系統(tǒng)結構框圖Figure 6　Block diagram of system during grid-connected

圖7　有內(nèi)置電阻電流內(nèi)環(huán)結構框圖Figure 7　Block diagram of current loop with build-inresistance

圖8　無內(nèi)置電阻電流內(nèi)環(huán)結構框圖Figure 8　Block diagram of current loop without build-in resistance

求得閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(1)

其中a1=kpikinvL2，a2=kpikinvR，b1=

T(RCL1+L1+L2)，b2=RT+RCL1+L1+L2，b3=R+kpikinv.

忽略高次項和系數(shù)較小項，電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)可寫為

(2)

可見，電阻R對系數(shù)K、A、B都有影響.由于L2很小，R又大于1，即A1，因此(2)式可以繼續(xù)簡化，變成

(3)

式(1)經(jīng)過簡化后變成式(3)所示的一階慣性環(huán)節(jié).圖9為(3)式的近似幅頻特性圖，可見其性能由參數(shù)K和B決定.

圖9　簡化后閉環(huán)函數(shù)的幅頻特性圖Figure 9　Simplified amplitude-frequency characteristics of the closed loop function

R增大，K單調(diào)增大，但會趨向極限值kpikinv；R增大，轉折頻率1/B會增大，截止頻率ω也增大，但系統(tǒng)響應速度變快；反之亦然.

(4)

假設，并網(wǎng)之前兩種條件下逆變器輸出電壓Ucd均為電網(wǎng)電壓Ug.在并網(wǎng)瞬間，逆變器的輸出電壓將會有一個變化量，如下式所示

Ucd=Ug+ΔUcd.

(5)

那么，在并網(wǎng)瞬間兩種情況下的電壓相比較

Ucd′

(6)

由于并網(wǎng)沖擊電流跟電網(wǎng)電壓Ug和逆變器輸出電壓Ucd有關，沖擊電流為

(7)

Z為線路阻抗.理論上只有當Ug=Ucd的時候，即Ug和Ucd的幅值和相位相等時才不會出現(xiàn)沖擊電流；當Ug和Ucd之間差別越大，并網(wǎng)沖擊電流就越大.由公式(7)可知，有內(nèi)置電阻的逆變器并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流更小.

另外，有內(nèi)置電阻的逆變器并網(wǎng)時能減小輸出電流相位與電網(wǎng)供電相的相位，避免了相位差太大而導致出現(xiàn)較大的沖擊電流的情況.

所以，可以得出有內(nèi)置電阻條件下能取得更好的沖擊電流抑制效果的結論.

2.3模型驗證

為對上文的分析進行驗證，需代入?yún)?shù)，本文采用的參數(shù):kpi=0.04，kinv=123，T=0.000 1s，L1=0.01H，C=20×10-6F，L2=2×10-3H，R1=10Ω，R2=50Ω.

首先，需對數(shù)學模型的近似過程進行驗證.代入實際參數(shù)后，得出有內(nèi)置電阻條件下電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為

(8)

無內(nèi)置電阻條件下電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為

(9)

圖10為有內(nèi)置電阻情況下傳遞函數(shù)簡化前后的伯德圖對比.可見，在截止頻率以前，兩者是幅值波形是幾乎重合的，而本文研究的是在工頻50 Hz下的幅值大小，所以上文的近似過程是合理的.無內(nèi)置電阻情況下的傳遞函數(shù)簡化也是類似的.

圖10　簡化傳遞函數(shù)頻率特性對比圖Figure 10　Comparison of frequency characteristic of simplified transfer functions

接著，對內(nèi)阻R和閉環(huán)增益K的關系進行驗證.代入?yún)?shù)畫出不同R值下K值的變化曲線，如圖11所示.K值隨內(nèi)置電阻的不同而變化.隨著R的增大，K單調(diào)增大，但對幅值的影響越來越小；在R=0～10 Ω時，幅值快速上升，在R>10 Ω之后，幅值的上升速度減慢.因此，可以得出內(nèi)置電阻越小，抑制沖擊電流的能力越大.但是，內(nèi)置電阻越小，功耗越大.所以內(nèi)置電阻可以在并網(wǎng)完成的幾個周期后切掉，以減少功耗損失.

圖11　不同R值下K的變化曲線圖Figure 11　Plot of K-R

圖12　兩種條件下的伯德圖對比Figure 12　Comparison of Bode plots under two conditions

由于內(nèi)置電阻的存在，所以實際情況下ΔiL2′<ΔiL2″，那么有內(nèi)置電阻條件下的輸出ΔUcd就更小了.

3實驗驗證

實驗中逆變器主要參數(shù)為：控制芯片為DSP(TM320LF2407)，功率4 kW，電網(wǎng)線電壓380 V，母線電壓530 V，開關頻率10 kHz，逆變器濾波L1為8 mH，C為1 μF，L2為1.5 mH.因為輸出電壓峰值超出示波器的耐壓值，所以示波器采樣時對實際電壓利用電阻串聯(lián)進行1/3分壓，因此所測電壓為實際的1/3.

圖13為逆變器不帶內(nèi)置電阻并網(wǎng)輸出電壓電流實驗波形圖，圖14為逆變器帶內(nèi)置電阻(120 Ω)并網(wǎng)輸出電壓電流實驗波形圖.對比實驗結果圖和仿真結果圖，可以發(fā)現(xiàn)實驗結果波形圖與仿真結果波形圖大體一致，且實驗結果能更明顯地看出有內(nèi)置電阻條件下的并網(wǎng)沖擊電流被抑制，且在與A相并網(wǎng)階段，逆變器的輸出電流呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，這對逆變器本身的安全性是有很大好處的.實驗結果證明了上文的理論分析是合理的.

圖13　逆變器不帶內(nèi)置電阻并網(wǎng)波形圖Figure 13　Waveform of inverter without built-in resistance connected with grid

圖14　逆變器帶內(nèi)置電阻并網(wǎng)波形圖Figure 14　Waveform of inverter with built-in resistance connected with grid

由于內(nèi)置電阻的存在，與并網(wǎng)負載并聯(lián)后等效電阻變小，因此輸出電流會偏大，所以并網(wǎng)后應該切除.雖然由于有諧波存在導致兩種條件下的輸出電流波形畸變較嚴重，但是對于負載來說，由于并網(wǎng)時刻是由電網(wǎng)供電，兩種情況的負載電流波形質(zhì)量都很好，沒有像逆變器輸出電流一樣產(chǎn)生畸變，因此對負載電流而言，兩種情況沒有區(qū)別.

4結語

本文從變換器電路結構對沖擊電流影響的新角度，提出了一種改進的并網(wǎng)逆變器拓撲結構，并對其進行了仿真建模，通過對比無內(nèi)置電阻和有內(nèi)置電阻下并網(wǎng)逆變器輸出波形，得到“內(nèi)置電阻可以抑制沖擊電流”的結論.然后，建立了并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，對內(nèi)置電阻能抑制沖擊電流的原因進行理論分析，給出了內(nèi)置電阻的參數(shù)設計.最后，通過實驗對比了逆變器不帶內(nèi)置電阻并網(wǎng)與帶內(nèi)置電阻并網(wǎng)的實驗結果，驗證了有內(nèi)置電阻的并網(wǎng)逆變器具有更好的沖擊電流抑制效果.也即證明了從變換器電路結構的角度來提高并網(wǎng)逆變器(電壓型)的運行效果是有效的方法，從而為并網(wǎng)逆變器的研究提供了一個新的思路.

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【文章編號】1004-1540(2016)02-0154-07

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.02.006

【收稿日期】2016-03-18《中國計量學院學報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金項目】浙江省自然科學基金資助項目(No.LQ16E070001).

【作者簡介】蔡慧(1980-)，男，浙江省臺州人，副教授，主要研究方向為電力電子技術、新能源發(fā)電、檢測技術、電氣控制. E-mail: caihui@cjlu.edu.cn

【中圖分類號】TM714

【文獻標志碼】A

A new approach of suppressing impulse currents for voltage-type inverters

CAI Hui, CHEN Jian, WANG Wei, XIE Yue, CHEN Weimin, SONG Chunwei

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:The traditional grid-connected inverter has impulse current problems. An improved topology of grid-connected inverters with built-in resistance was proposed from the point of the impact of converter circuit structure on impulse currents. Simulation analysis showed that the grid-connected inverter with built-in resistance had a better effect of inhibiting impulse currents during the grid-connected time. The mathematical model of transfer function was built to analyze the reason that impulse currents were inhibited when the inverter with built-in resistance was grid-connected. In this case it would produce smaller magnitude difference and eliminate phase difference. The design method of the parameter of built-in resistance was given. Finally it was verified through experiments that the built-in resistance could restrain impulse currents and the correctness of theoretical analysis was proved.

Key words:converter circuit structure; grid-connected inverter; impulse current; built-in resistance