基于相位誤差切換的并網(wǎng)逆變器并離網(wǎng)切換策略研究

邊俐爭(zhēng)，付婷婷，李 嫚，孫軍偉

（1.鄭州電力高等專科學(xué)校，河南 鄭州 450000；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450000）

0 引言

微電網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)的相互配合，不僅給電網(wǎng)帶來(lái)了較高靈活度的電量調(diào)度，同時(shí)也給大電網(wǎng)的電壓質(zhì)量帶來(lái)了一定的考驗(yàn)[1]，[2]。微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作方式有兩種，并網(wǎng)模式下主要是將可再生能源的發(fā)電并入大電網(wǎng)，孤島離網(wǎng)模式下向附近的用電單位供電。然而這兩種模式的切換會(huì)給大電網(wǎng)帶來(lái)沖擊，需要對(duì)兩種模式的切換進(jìn)行有效控制，以減小對(duì)大電網(wǎng)的沖擊[3]～[5]。

已有一些文獻(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)并離網(wǎng)模式的切換進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]通過(guò)雙鎖相環(huán)的方式得到逆變器橋口電壓以及并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓的相位信息，再通過(guò)誤差實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓同頻、同相和同幅的并網(wǎng)預(yù)同步控制。文獻(xiàn)[7]通過(guò)研究逆變器直流側(cè)與交流側(cè)電量的關(guān)系，提出了在儲(chǔ)能逆變器控制策略中加入直流側(cè)電流控制策略，解決了電壓偏移和誤調(diào)節(jié)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]在虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析并離網(wǎng)切換暫態(tài)過(guò)程中的問(wèn)題，提出一種限幅策略和調(diào)頻系數(shù)對(duì)頻率和功率進(jìn)行再控制，實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)平滑切換。文獻(xiàn)[9]介紹了一種基于VSG和下垂控制的無(wú)縫切換技術(shù)。

并網(wǎng)逆變器的并離網(wǎng)需要滿足逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓幅值、相位、頻率一致；并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電壓同相位、同頻率。根據(jù)以上條件，就可以獲得并網(wǎng)逆變器并離網(wǎng)切換時(shí)的控制方向：離網(wǎng)時(shí)控制逆變器的輸出電壓和輸出電流同相位；離網(wǎng)切換至并網(wǎng)時(shí)，獲取并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓相位信息，然后將其與逆變器輸出電壓相位進(jìn)行對(duì)比控制；并網(wǎng)切換至離網(wǎng)時(shí)，切斷并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓相位信息與逆變器輸出電壓相位信息的對(duì)比控制。因此，本文提出一種相位控制策略，通過(guò)控制并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓相位信息與逆變器輸出電壓相位的誤差，從而實(shí)現(xiàn)逆變器并離網(wǎng)切換。

1 離網(wǎng)工作模式

圖1為并網(wǎng)逆變器離網(wǎng)工作模式下的示意圖。本文以T型三電平逆變器作為并網(wǎng)逆變器，在離網(wǎng)工作模式下，交流側(cè)接電阻負(fù)載，以模擬微電網(wǎng)附近的用電戶。

圖1 并網(wǎng)逆變器離網(wǎng)工作模式Fig.1 Off-grid working mode of grid-connected inverter

在離網(wǎng)工作模式下，并網(wǎng)逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)控制，控制框圖如圖2所示。通過(guò)采樣逆變器三相輸出電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換至dq坐標(biāo)軸下，與給定電壓進(jìn)行作差；將外環(huán)PI控制器作為電流內(nèi)環(huán)的給定信息，與電流采樣坐標(biāo)變換后的dq軸分量進(jìn)行作差，再經(jīng)內(nèi)環(huán)PI控制器得到dq軸的調(diào)制波分量，再轉(zhuǎn)換至abc坐標(biāo)系下，將得到的調(diào)制波與載波進(jìn)行比較，得到T型三電平逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2 離網(wǎng)工作模式下并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.2 Control block diagram of grid-connected inverter under off-grid working mode

圖3為電壓電流雙閉環(huán)的具體控制框圖。圖中，Gv（s）為電壓環(huán)傳遞函數(shù)，Gi（s）為電流環(huán)傳遞函數(shù)，KPWM為調(diào)制模塊的傳遞函數(shù)。

圖3 電壓電流雙環(huán)控制框圖Fig.3 Control block diagram of voltage and currentdual-loop control

式中：kvp為比例系數(shù)；kvi為諧振系數(shù)；ω0為諧振頻率；ωc為控制器帶寬；s為頻域下的虛指數(shù)；k為電流環(huán)比例系數(shù)。

2 并網(wǎng)工作模式

圖4為并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)工作模式下的結(jié)構(gòu)示意圖。在并網(wǎng)工作模式下，逆變器交流側(cè)輸出信號(hào)經(jīng)濾波器連接至電網(wǎng)的并網(wǎng)耦合點(diǎn)。圖5為并網(wǎng)工作模式下并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流控制框圖。在并網(wǎng)工作模式的穩(wěn)態(tài)情況下，并網(wǎng)逆變器的輸出電壓無(wú)需控制，只需要控制并網(wǎng)電流與并網(wǎng)耦合點(diǎn)的電壓同頻同相即可。

圖4 并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)工作模式Fig.4 Grid-connected working mode of grid-connected inverter

圖5 并網(wǎng)工作模式下并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.5 Control block diagram of grid-connected inverter under grid-connected working mode

圖6為并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流控制框圖。圖中：Td為PWM信號(hào)延遲時(shí)間，一般取0.5Ts，Ts為開(kāi)關(guān)周期；Kpi，Kii，KPWM分別為電流內(nèi)環(huán)PI控制的比例系數(shù)和積分系數(shù)；L，r分別為濾波電感的電感值和內(nèi)阻值。

圖6 并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流控制框圖Fig.6 Current control block diagram of grid-connected inverter

3 基于相位補(bǔ)償?shù)牟㈦x網(wǎng)切換策略

離網(wǎng)工作模式切換為并網(wǎng)模式的要求：①逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓幅值、相位、頻率一致；②并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電壓同相位、同頻率。

圖7為并離網(wǎng)切換時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖以及對(duì)應(yīng)的控制框圖。在圖7中：兩個(gè)基于正序分量的鎖相環(huán)技術(shù)是為了獲取逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓的相位，在并網(wǎng)模式下，兩個(gè)相位之差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后作為abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的相位信息，這樣可保證逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位、頻率一致；離網(wǎng)模式下，為了在離網(wǎng)切換至并網(wǎng)時(shí)更加快速，坐標(biāo)變換的相位信息沿用電網(wǎng)電壓相位，同時(shí)通過(guò)電壓外環(huán)控制逆變器輸出電壓盡量靠近電網(wǎng)電壓。因此，本文所提出的并離網(wǎng)切換方法如下：離網(wǎng)切換為并網(wǎng)時(shí)，增加相位補(bǔ)償控制，保證逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相；并網(wǎng)切換為離網(wǎng)時(shí)，切除相位補(bǔ)償控制，但繼續(xù)沿用電網(wǎng)相位信息，為下一次切換為并網(wǎng)做準(zhǔn)備。

圖7 并離網(wǎng)切換策略框圖Fig.7 Block diagram of grid-connected and off-grid switching strategy

4 基于正序分量提取的鎖相環(huán)技術(shù)

由于逆變器輸出電壓在未經(jīng)過(guò)濾波器之前是高頻的脈沖信號(hào)，同時(shí)，并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓具有一定的波動(dòng)，因此需要提取電壓信息中的基波正序分量，從而獲得精確的相位信息。

使用PI控制器使變換后輸出的電網(wǎng)電壓無(wú)功分量趨近于0，從而完成電網(wǎng)電壓相位的鎖定，控制框圖如圖8所示。

圖8 鎖相環(huán)控制框圖Fig.8 Phase locked loop control block diagram

5 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性，建立如圖9所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用PSIM軟件進(jìn)行驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖10為逆變器并離網(wǎng)切換時(shí)的仿真波形。一開(kāi)始，逆變器工作在離網(wǎng)模式下，在0.08 s時(shí)，將離網(wǎng)模式切換為并網(wǎng)模式，從逆變器輸出電壓和并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓對(duì)比圖可以看出：離網(wǎng)模式下，逆變器輸出電壓的相位和并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓的相位并不一致；當(dāng)切換為并網(wǎng)模式時(shí)，逆變器輸出電壓和并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓重合，并且在0.12 s時(shí)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。在0.2 s時(shí)，再將并網(wǎng)模式切換為離網(wǎng)模式，從波形圖中可以看出，切斷了并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓，并網(wǎng)電流略微跌落，此時(shí)切除并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓相位信息的獲取。因?yàn)椴⒕W(wǎng)時(shí)，逆變器輸出電壓的相位已經(jīng)與并網(wǎng)耦合點(diǎn)重合，再次切換為離網(wǎng)模式時(shí)，逆變器輸出電壓的相位已經(jīng)和耦合點(diǎn)電壓一致，所以逆變器輸出電壓和并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓依舊保持一致。從并離網(wǎng)切換時(shí)的并網(wǎng)電流對(duì)比可以看出，本文所提出的相位補(bǔ)償方法能夠減小切換時(shí)的并網(wǎng)電流沖擊。

圖10 并離網(wǎng)切換仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of grid-connected and off-grid switching

圖11為并離網(wǎng)切換時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知：當(dāng)離網(wǎng)切換至并網(wǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真一致。當(dāng)未加本文提出的相位補(bǔ)償策略時(shí)，并網(wǎng)電流沖擊會(huì)引起過(guò)流保護(hù)，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果中未給出不加相位補(bǔ)償策略時(shí)的并離網(wǎng)切換；當(dāng)并網(wǎng)切換為離網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)電流減小為0，這是因?yàn)椴蓸拥氖遣⒕W(wǎng)耦合點(diǎn)的電流，同時(shí)，逆變器輸出電壓和并網(wǎng)耦合點(diǎn)電壓開(kāi)始與離網(wǎng)模式保持一致，出現(xiàn)的些許偏差是由實(shí)驗(yàn)中的采樣延遲和控制偏差所導(dǎo)致的。

圖11 并離網(wǎng)切換實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experimental results of grid-connected and off-grid switching

6 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)能夠?qū)⒖稍偕茉此a(chǎn)生的電能匯入大電網(wǎng)，為大電網(wǎng)的能量調(diào)度帶來(lái)了極大的靈活度。微電網(wǎng)既能運(yùn)行在并網(wǎng)模式下，為大電網(wǎng)注入能量，也能運(yùn)行在離網(wǎng)模式下，為附近的用電負(fù)荷供電。在這兩種模式的切換過(guò)程中容易給大電網(wǎng)帶來(lái)沖擊。本文提出了一種基于相位信息補(bǔ)償?shù)牟㈦x網(wǎng)切換控制策略，實(shí)現(xiàn)了并離網(wǎng)兩種工作方式的平滑切換，可減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。