光伏微網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

王鎮(zhèn)道，趙亞魁，周齊家

(湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410082)

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

王鎮(zhèn)道，趙亞魁，周齊家

(湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410082)

通過使用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS），實現(xiàn)光伏微網(wǎng)系統(tǒng)供電連續(xù)性和能量管理優(yōu)化。針對STS的抗干擾能力和切換時間問題，改進了雙向可控硅觸發(fā)電路和dq變化法電壓暫降檢測方法，并設(shè)計了一個基于ST M 32F103V C的3.6 kW靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，改善了STS抗干擾能力，切換時間縮短至2.5m s。該靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)已經(jīng)成功應(yīng)用于3.6 kW的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中。實驗結(jié)果驗證了電路的可行性。

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）；光伏微網(wǎng)；雙向可控硅；電壓暫降檢測

近年來光伏微網(wǎng)技術(shù)被廣泛關(guān)注，光伏微網(wǎng)的控制、保護以及能量管理調(diào)配[1-4]等已成為當(dāng)今新能源領(lǐng)域的研究重點之一。但光伏發(fā)電量具有不確定性和不可控性，且受天氣變化影響嚴(yán)重，不能滿足用戶對穩(wěn)定電能質(zhì)量[5]的需求與能量合理調(diào)配。而靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（static transfer sw itch）為電源自動切換開關(guān)，能解決光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中諧波干擾、電壓暫降、電壓中斷等問題，實現(xiàn)供電連續(xù)性和能量管理優(yōu)化。

國內(nèi)對STS的研究起步較晚，主要集中于切換策略、電壓暫降檢測算法[6]和STS系統(tǒng)評估。目前，市面上STS系統(tǒng)的切換時間一般是在4～8ms內(nèi)。而STS受干擾的現(xiàn)象卻一直無法避免，可能產(chǎn)生誤動作，使得電源間產(chǎn)生環(huán)流現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至燒毀電路。文獻[7]設(shè)計一種三重抗干擾晶閘管觸發(fā)隔離輸出電路，但電路只適用于單向可控硅，且元件參數(shù)匹配復(fù)雜。文獻 [8-9]闡述一些新型的帶LC諧振輔助換流電路的STS，大幅度縮短了STS的切換時間，但設(shè)計電路復(fù)雜，且LC等儲能元件體積偏大，不便于在光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中使用。

本文根據(jù)光伏微網(wǎng)系統(tǒng)能量管理[10-11]模式需求，設(shè)計了一個STM 32F103VCTb控制的3.6 kW靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊，通過采用改進dq變換電壓暫降檢測法和對門極觸發(fā)電路，改善了STS抗干擾能力，縮短了切換時間，確保了STS切換的快速性、準(zhǔn)確性。該靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)已經(jīng)成功應(yīng)用于3.6 kW的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中，實現(xiàn)太陽能發(fā)電和市電的切換。

1 光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中的STS結(jié)構(gòu)

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中，采用能量管理調(diào)配策略，實現(xiàn)光伏發(fā)電、市電、蓄電池組和負載用電的能量管理，在確保系統(tǒng)安全和蓄電池不過放的條件下，盡可能減小市電用電，實現(xiàn)光伏發(fā)電的最大利用。為了實現(xiàn)能量的調(diào)配和管理，需要STS，以實現(xiàn)太陽能、蓄電池供電(A路)和市電供電(B路)的切換。當(dāng)太陽能和蓄電池足夠時，由A路給負載供電，當(dāng)不夠且有市電時，由B路供電。另外，當(dāng)某一路出現(xiàn)電壓畸變、或A路過載等情形時，也需要通過STS進行供電回路切換。

STS的結(jié)構(gòu)[12]如圖1所示，由雙向可控硅及其觸發(fā)和檢測電路、信號處理平臺、旁路機械開關(guān)三部分組成。雙向可控硅是STS的主功率部分，串聯(lián)在電源與負載之間，通過控制觸發(fā)信號，實現(xiàn)太陽能、蓄電池逆變回路和市電回路到負載供電的通斷控制。信號處理平臺采集A路、B路和負載的電壓電流信號、并檢測電壓變化率。當(dāng)檢測到電壓暫降、中斷或者過功率的發(fā)生，迅速、可靠切換對負載的供電回路，以保證對負載供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。同時，實現(xiàn)對兩路觸發(fā)信號的互鎖處理，避免兩路電源間的環(huán)流。機械開關(guān)僅在對模塊進行維修時使用。

圖1 STS模塊結(jié)構(gòu)框圖

因此，STS的主要功能是在檢測到需要切換供電回路時，迅速、可靠地實現(xiàn)切換，這就包括各路電壓檢測、負載端功率檢測和可控硅的可靠觸發(fā)。

2 光伏微網(wǎng)系統(tǒng)STS的設(shè)計

由于光伏、蓄電池供電經(jīng)逆變后，相位與市電可能不一致，為避免兩路供電電源間的環(huán)流，采用先斷后通的切換方式。而不同負載允許的斷電時間有所不同，為了滿足敏感負荷對電壓的要求，STS的切換時間必須在4ms以內(nèi)[13]，才能保證供電的連續(xù)性，達到“無縫”安全切換的目的。STS的切換總時間為故障出現(xiàn)檢測時間和雙向可控硅觸發(fā)切換時間之和。采用改進dq變換電壓暫降檢測法，迅速的檢測電壓暫降或中斷，將切換時間縮短至2.5ms。

2.1 改進的dq變換電壓暫降檢測方法

為加快電壓暫降的識別，針對dq變換法中主要存在的延時問題，在dq變換法中加入求導(dǎo)環(huán)節(jié)，用求導(dǎo)的方式構(gòu)造出三相電壓Ua、Ub、Uc，由于構(gòu)造中沒有經(jīng)過延時，從而明顯地加快了檢測速度，提高了電壓檢測的實時性，而且克服了短時擾動現(xiàn)象。該方法通過對單相電壓Ua求導(dǎo)，得到電壓的余弦信號。設(shè)Ua=U sinωt，從而Ua'=Uωcosωt。根據(jù)三相電壓的特點，利用Ua和Ua'構(gòu)造的三相電壓為：

變換因子中sinωt和cosωt是與檢測電壓擾動前電壓的正、余弦信號。將所得的Ud、Uq電壓中的直流分量Uda和Uqa提取出來，由式（1）得到由于實際檢測計算的Uda和Uqa為已知量，故定義檢測電壓幅值瞬時值Usag和電壓擾動的相位跳變角α的計算公式為：

利用MATLAB Simulink中的power system模塊建立仿真模型，對幅值為320 V輸入電源發(fā)生電壓暫降現(xiàn)象進行仿真。電源故障波形和其基于改進dq變換法的幅值Usag檢測波形如圖2所示，圖中設(shè)置0.07～0.13 s內(nèi)電源發(fā)生電壓暫降現(xiàn)象。STS以暫降幅值的80%作為啟動閾值，采用普通方法的電壓幅值暫降檢測所用的時間在2ms左右，而改進法所檢測到的幅值從發(fā)生暫降到下降到80%只需0.2ms，雖然低通濾波器會給仿真帶來一定的延時，但總體來說改善了電壓暫降檢測的準(zhǔn)確性和實時性[14]。

圖2 Ua故障波形和改進dq變換法的幅值Usag檢測波形

而實際電路應(yīng)用中，檢測出的擾動電壓量Ua是離散的數(shù)字量。因此，對采樣的數(shù)字量求差分來代替求導(dǎo)，Ua的差分可表示為當(dāng)采樣周期T較小時，用T代替Δt，故，整理后可得，所產(chǎn)生的誤差為：

由式（4）可見，導(dǎo)致的誤差不隨時間而變化，僅與采樣頻率有關(guān)，采樣頻率越大，誤差越小[15]。

2.2 可控硅觸發(fā)電路設(shè)計

雙向可控硅因具有門極過零關(guān)斷的特性，使雙向可控硅導(dǎo)通后，即使在門極觸發(fā)電流不存在時，也會繼續(xù)維持導(dǎo)通，直到雙向可控硅的電流下降到維持電流（接近于零的一個數(shù)值）以下，才能關(guān)斷。由于集成電路設(shè)計工藝的局限，可控硅的過零觸發(fā)電路輸出端不可避免的存在如圖3所示寄生電容。圖中R2、C和R3構(gòu)成高通濾波電路。開關(guān)動作、電網(wǎng)波動、逆變電磁干擾等造成的諧波干擾，可能通過寄生電容耦合，進入過零觸發(fā)電路，從而產(chǎn)生觸發(fā)電流，造成雙向可控硅誤觸發(fā)。

圖3 雙向可控硅驅(qū)動電路

低通濾波器是解決諧波干擾的有效辦法。在由寄生電容構(gòu)成的高通濾波電路的前級串聯(lián)一級RC低通濾波，可以有效地解決開關(guān)動作和電網(wǎng)波動造成的諧波干擾問題。而在R4與R2之間串聯(lián)一個磁珠，對電磁干擾有著很好的抑制效果。在低頻段，阻抗由電感的感抗構(gòu)成，磁芯的磁導(dǎo)率較高，電感量較大，L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；在高頻段，阻抗由電阻成分構(gòu)成，隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。圖4為改進的雙向可控硅觸發(fā)電路，R4、C2與L構(gòu)成的高頻吸收網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)出現(xiàn)諧波干擾時，高頻諧波信號被R4與C2回路濾除掉，而電磁干擾信號能被磁珠有效吸收，剩余的低頻信號無法通過電容值很小的寄生電容C對可控硅觸發(fā)端產(chǎn)生觸發(fā)電流信號，從而有效避免了諧波造成可控硅誤觸發(fā)的現(xiàn)象。

圖4 改進的雙向可控硅觸發(fā)電路

圖5 諧波干擾時雙向可控硅觸發(fā)信號與負載波形圖

圖5為雙向可控硅輸入端出現(xiàn)諧波干擾時，觸發(fā)電路改進前后的波形圖，CH1為觸發(fā)信號，每格1 V，CH2為負載端電壓，每格100 V，時間軸每格5ms。如圖所示，當(dāng)出現(xiàn)諧波干擾時，觸發(fā)電路改進前，通過寄生電容耦合，雙向可控硅觸發(fā)端產(chǎn)生了觸發(fā)電流，致使雙向可控硅導(dǎo)通，負載端出現(xiàn)小于半個周期的端電壓；觸發(fā)電路改進后，高頻吸收網(wǎng)絡(luò)有效地濾除了諧波干擾，從而雙向可控硅觸發(fā)端沒有出現(xiàn)耦合觸發(fā)信號，有效地防止了由于諧波干擾造成的雙向可控硅誤觸發(fā)，避免了兩路電源間的環(huán)流現(xiàn)象。

3 STS實現(xiàn)及實驗結(jié)果

模塊采用了高性能的微處理器芯片STM 32F103VCTb作為模塊采樣控制核心，保證了采樣精度和實時性，采用改進的dq變換法，迅速檢測出采樣電壓的幅值并進行對應(yīng)的切換處理。

改進的雙向可控硅觸發(fā)電路中，由于增加了諧波吸收網(wǎng)絡(luò)，故觸發(fā)電路的觸發(fā)信號相應(yīng)的會出現(xiàn)相位滯后，與改進前電路的相位差為θ=arctan(ωR4C2)。經(jīng)過實驗和仿真后，選取了R4=1.2 kΩ，C2=10 nF，R2=50Ω，R3=330Ω，磁珠為10Ω的鐵氧體片式磁珠，雙向可控硅選擇了峰值電流為 40 A的BTA41-600b，滿足了功率需求。并依照這些參數(shù)，基于saber軟件對改進雙向可控硅觸發(fā)電路觸發(fā)端進行AC分析，仿真圖形如圖6所示。結(jié)果表明，在頻率為50 Hz時，相位幾乎沒有出現(xiàn)滯后，且增益曲線中的最大值都低于－30 dB，有效地解決了相位滯后和諧波干擾等問題。

設(shè)計的3.6 kW的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊已成功應(yīng)用于3.6 kW的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)逆變器供電和市電供電切

圖6 雙向可控硅觸發(fā)電路觸發(fā)端AC分析

換。圖7為發(fā)生故障時STS的切換波形圖，時間軸為每格5 ms。如圖所示，切換前為太陽能或蓄電池經(jīng)逆變供電，切換后為市電供電，切換點為時間軸5ms處，STS的切換時間均在2.5ms內(nèi)，符合“無縫”安全切換的要求。

圖7 電源故障時S T S切換波形圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一個基于改進dq變換電壓暫降檢測法和改進雙向可控硅驅(qū)動電路的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊。與以往的STS系統(tǒng)不同，該模塊抗諧波干擾能力強，避免了可控硅誤觸發(fā)現(xiàn)象，且縮短了切換時間，使得STS在2.5ms內(nèi)實現(xiàn)自動切換，達到“無縫”安全切換的目的。模塊電路簡單可靠，成本低，現(xiàn)已成功應(yīng)用于3.6 kW的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中。

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Design and implementation of static transfer sw itch in photovoltaic m icro-grid system

WANG Zhen-dao,ZHAO Ya-kui,ZHOU Qi-jia
(School of Physicsand M icroelectronics Sciences,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

By STS (static transfer switch),photovoltaic micro-grid system for continuous power supplement and energy management optimization was realized. Focusing on the problem of STS anti-jamming capability and switching time, approaches were proposed to meliorate the trigger circuit for silicon controlled rectifier anddq transformation method of voltage sag detection.Based on the analysis,a 3.6 kW static transfer switch module with STM32F103VC controller was designed,and was applied to a 3.6 kW photovoltaic micro-grid system successfully. The STS anti-interference ability was effectively improved, and the switching time was reduced to 2.5 ms. Experiment results ultimately verify the correctness of the model.

static transfer switch;photovoltaic micro-grid;triac;voltage sag detection

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-2009-03

2013-04-18

湖南省科技計劃資助項目(2012FJ4264)；湖南大學(xué)青年教師成長計劃資助項目

王鎮(zhèn)道(1974—)，男，湖南省人，博士，副教授，主要研究方向為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。