雙模式逆變器無縫切換控制策略的仿真分析

王曉明，肖雯娟

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為一種健康環(huán)保的綠色發(fā)電方式，以其獨(dú)有的優(yōu)勢進(jìn)入了人們的視野，并在近幾年內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展。而逆變器作為風(fēng)能發(fā)電中的核心部件已成為研究的焦點(diǎn)。目前的逆變器大多為單功能逆變器，只能夠在離網(wǎng)模式和并網(wǎng)模式兩種模式之一運(yùn)行，事實上，在這兩種工作模式之外，還存在二者之間的過渡過程[1，2]。為了實現(xiàn)順利并網(wǎng)及對重要負(fù)荷的不間斷供電，這兩種模式間的平滑切換就顯得尤為關(guān)鍵。

本文分別對逆變器并網(wǎng)和離網(wǎng)模式的控制方法進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了離網(wǎng)模式下，負(fù)載的正常運(yùn)行及并網(wǎng)模式時的單位功率因數(shù)并網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩種模式的切換方法，實現(xiàn)了二者之間的平滑過渡，保證在切換過程中電壓電流無較大突變。

圖1 三相電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 逆變器數(shù)學(xué)模型

并網(wǎng)逆變器的主電路如圖1所示，它由三相電壓型逆變器，LC濾波器，靜態(tài)開關(guān)，直流側(cè)穩(wěn)壓電容組成，其中由直流電壓源Ed模擬可再生能源發(fā)電系統(tǒng)整流輸出的直流側(cè)電壓，交流電源e(a，b，c)模擬電網(wǎng)。為了能夠控制逆變器同電網(wǎng)分離，用雙向可控硅開關(guān)作為靜態(tài)開關(guān)(STS)。實際的系統(tǒng)中還應(yīng)該在逆變器與電網(wǎng)之間連接隔離變壓器，此處為了便于分析，將其省略。

針對三相VSR一般數(shù)學(xué)模型的建立，通常作以下假設(shè)[2]:

(1)電網(wǎng)電動勢為(ea，eb，ec)為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢。

(2)網(wǎng)側(cè)濾波電感L是線性，且不考慮飽和。

(3)功率開關(guān)管損耗以電阻R表示，即實際的功率開關(guān)管可由理想開關(guān)與損耗電阻R串聯(lián)等效表示。

本文對逆變器并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式的控制方式均采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制方式，二者均實現(xiàn)了有功與無功的解耦控制方式，不同點(diǎn)是參考電壓、電流的產(chǎn)生方式不同。

2 離網(wǎng)模式下的控制方法

當(dāng)逆變器獨(dú)立工作時需要使逆變器的輸出電壓能滿足負(fù)載的電壓要求[3]，為此提出了一種基于電壓電流雙環(huán)控制的 SVPWM三相逆變器，通過建立其兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，利用電壓外環(huán)實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制，內(nèi)環(huán)電流實現(xiàn)對輸出電流的控制。該控制方式增加了一個電感電流內(nèi)環(huán)控制，使得系統(tǒng)的帶寬增大，反應(yīng)速度加快，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)時間短，諧波含量小，同時能有效地限制負(fù)載電流，起保護(hù)作用，更具優(yōu)越性。離網(wǎng)模式下系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示?？刂瓶驁D如圖3所示。

3 并網(wǎng)運(yùn)行時的控制方法

逆變器工作在并網(wǎng)模式下時，大電網(wǎng)可視為無窮大容量系統(tǒng)，此時逆變電源的輸出頻率和電壓幅值則由大電網(wǎng)決定[4]。此時同樣采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。外環(huán)給定為恒定的直流母線電壓，反饋量為直流側(cè)電容兩端的實際電壓，對誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)后的輸出作為并網(wǎng)參考電流的幅值，同時檢測電網(wǎng)電壓的頻率、相位，并以此作為并網(wǎng)參考電流的參考頻率與相位，再經(jīng)過前饋補(bǔ)償就得到了SVPWM的控制量。通過雙閉環(huán)控制，即可保持直流母線電壓恒定，又可保證輸出電流與電網(wǎng)電壓同步時的并網(wǎng)功率因數(shù)為1。并網(wǎng)網(wǎng)模式下系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D4所示。控制框圖如圖5所示。

圖4 并網(wǎng)模式下系統(tǒng)拓?fù)渑c控制結(jié)構(gòu)

圖5 并網(wǎng)模式下系統(tǒng)控制框圖

4 兩種模式的切換方法

要實現(xiàn)逆變器與電網(wǎng)間的平滑切換，需要在并網(wǎng)的主電路安裝并網(wǎng)開關(guān)控制逆變電路與電網(wǎng)的連接和斷開，同時控制部分也要有邏輯開關(guān)控制逆變器在離網(wǎng)運(yùn)行模式和并網(wǎng)運(yùn)行模式之間的切換。整個逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

4.1 獨(dú)立模式向并網(wǎng)模式切換

當(dāng)系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時，系統(tǒng)穩(wěn)定在一個接近于但不同于正常電網(wǎng)的電壓值，該輸出可能與電網(wǎng)電壓頻率、幅值和相位存在一定的差別[5]。如果對輸出電壓不加以控制直接并網(wǎng)，即便很小的輸出電壓和電網(wǎng)電壓差，尤其是相位差，加在極小的并網(wǎng)連接阻抗上也會產(chǎn)生很大的電流沖擊，從而影響負(fù)載和電網(wǎng)的正常工作。因此，可將并網(wǎng)邏輯過程總結(jié)為以下幾步:

(1)檢測電網(wǎng)電壓是否滿足并網(wǎng)要求。

(2)調(diào)整逆變器輸出電壓頻率、幅值、相位與電網(wǎng)電壓一致。

(3)逆變器調(diào)整好后，經(jīng)逆變器切換為并網(wǎng)控制模式，同時閉合并網(wǎng)開關(guān)。

(4)緩慢增大電流基準(zhǔn)幅值至給定值同時調(diào)整輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。

由上述分析可知，在并網(wǎng)時輸出電流與電網(wǎng)電壓始終保持一定的相位是必要的，因此必須使用鎖相環(huán)來使輸出基準(zhǔn)不斷跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位。

4.2 并網(wǎng)模式向獨(dú)立模式切換

當(dāng)大電網(wǎng)突然出現(xiàn)故障或者人為需要切斷微網(wǎng)時，微網(wǎng)應(yīng)迅速改變控制策略，實現(xiàn)離網(wǎng)無縫切換。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，應(yīng)有檢測裝置檢測電網(wǎng)電壓的大小和頻率的變化，并在某一時刻響應(yīng)打開并網(wǎng)開關(guān)[6]。由于采用的是雙向晶閘管靜態(tài)開關(guān)，關(guān)斷是過零關(guān)斷的。停止給晶閘管觸發(fā)信號后，當(dāng)流向電網(wǎng)的電流為零時，晶閘管關(guān)斷，同時將逆變器的控制方式轉(zhuǎn)換到獨(dú)立模式，此時負(fù)載上的電壓基本保持不變。從新的一個周期開始，逆變器與電網(wǎng)斷開，開始獨(dú)立運(yùn)行，完成脫網(wǎng)過程。因此，可將離網(wǎng)邏輯過程總結(jié)為以下幾步:

(1)檢測電網(wǎng)是否發(fā)生故障。

(2)將電感電流給定變?yōu)檩敵鲐?fù)載電流給定，同時關(guān)斷并網(wǎng)開關(guān)。

(3)延時等待并網(wǎng)開關(guān)完全關(guān)斷后，切換模式開關(guān)將逆變器切換為獨(dú)立控制模式。

與并往前調(diào)整逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位一致相同，脫網(wǎng)前需要調(diào)整逆變器的輸出電流和負(fù)載電流一致，待輸出電流和負(fù)載電流同相后，即電網(wǎng)注入到負(fù)載上的電流為零時，再關(guān)斷并網(wǎng)開關(guān)，這樣就不會引起電壓突變。

5 仿真驗證及分析

為驗證控制系統(tǒng)設(shè)計的正確性，在MATLAB7.6/Simulink中搭建仿真模型。具體參數(shù)為:直流側(cè)母線電壓指令值為1 200 V，電網(wǎng)電壓峰值為690 V，開關(guān)頻率為 2 kHz，直流側(cè)電容為 6.8 mF，濾波電感為3 mH，濾波電容為1.2 mF。逆變橋用系統(tǒng)提供的通用橋(IGBT+DIODE)，電網(wǎng)用三相對稱電壓源模擬。

圖7為離網(wǎng)模式向并網(wǎng)模式過渡的波形。由于初始并網(wǎng)時開關(guān)并不閉合，負(fù)載上的電壓為逆變器輸出電壓，所以此時電網(wǎng)電流為零，在電壓過零點(diǎn)前，給靜態(tài)開關(guān)觸發(fā)信號，并將逆變器的控制模式轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)控制模式。過零點(diǎn)后，逆變器開始并網(wǎng)運(yùn)行，負(fù)載上的電壓為電網(wǎng)電壓。輸出電流值被控制為大于負(fù)載所需電流，多余部分送入電網(wǎng)。仿真時在0.045 s處給靜態(tài)開關(guān)觸發(fā)信號。

圖9 電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓同步過程

圖8 為并網(wǎng)模式向離網(wǎng)模式過渡的波形。開始時并網(wǎng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)，負(fù)載電壓等于電網(wǎng)電壓，逆變器向電網(wǎng)注入電流。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，需將逆變器脫離電網(wǎng)，故在電壓的過零點(diǎn)之前停止給靜態(tài)開關(guān)觸發(fā)信號，則開關(guān)在過零點(diǎn)處自然關(guān)斷，同時在過零點(diǎn)時刻將逆變器從并網(wǎng)模式切換到離網(wǎng)模式，此時逆變器向電網(wǎng)注入的電流為零，逆變器開始獨(dú)立運(yùn)行，負(fù)載上的電壓為逆變器輸出電壓。仿真中設(shè)定在0.03 s時，電網(wǎng)發(fā)生故障，停止給靜態(tài)開關(guān)觸發(fā)信號。

圖9為兩種模式過渡時，通過同步鎖相，得到的電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓的同步波形。

6 結(jié)束語

針對逆變器離網(wǎng)與并網(wǎng)的模式要求，分別設(shè)計了兩種模式的控制方法，并且提出了一種無縫切換方法，保證單位功率因數(shù)并網(wǎng)、重要負(fù)荷正常供電，及兩種模式的平滑切換，最后通過仿真驗證了控制策略的合理性。

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