單周控制并網(wǎng)逆變器在云南電網(wǎng)中的應(yīng)用

沈鑫，王昕，丁心志，趙艷峰，劉清蟬

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

可再生能源，如風(fēng)力，太陽能以及微水電，都需要并網(wǎng)逆變器(GTI)，以實現(xiàn)功率從電源側(cè)到電網(wǎng)側(cè)的流動。因此，GTI是可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵性因素。單周控制技術(shù)(OCC)是在開關(guān)放大器的PWM控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大信號非線性控制技術(shù)。單周控制在有源電力濾波器上的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，但還沒有很好的應(yīng)用到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器當(dāng)中，本文對采用一種新型非線性控制方法——單周技術(shù)應(yīng)用于的并網(wǎng)逆變器的控制策略，能在一個開關(guān)周期內(nèi)進行補償優(yōu)化。仿真結(jié)果驗證了基于單周期控制的并網(wǎng)逆變器(OCC－GTI)具有一定實用價值和推廣性。

OCC－GTI技術(shù)速度快、精確度高、諧波失真低、體積小、可靠性高，另外還可提供高速和高精度控制的無功補償模塊。是增加可再生能源發(fā)電和實現(xiàn)智能電網(wǎng)的理想解決方案。

2 基于單周控制的并網(wǎng)逆變器原理

單周期控制(OCC)是一種非線性的脈寬調(diào)節(jié)方法。與傳統(tǒng) PWM方法［1－2］所不同的是，單周期控制通過調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)的鋸齒波的斜率來實現(xiàn)PWM控制和快速非線性控制。單周期控制的實現(xiàn)電路非常簡單。如圖1是單周期控制的基本控制原理圖。通過時鐘產(chǎn)生一個周期的脈沖序列，這些序列可以在每個開關(guān)周期開始時對相應(yīng)的參數(shù)進行設(shè)置。V2作為一個整體接到積分電路的輸入端，輸出值是相對V1而言的。當(dāng)比較器的兩輸入端的信號彼此接近時，比較器會改變它的狀態(tài)，從而使觸發(fā)器復(fù)位和積分電路停止工作。相應(yīng)的操作可以通過下式來表示:

圖1 單周期控制原理圖

式中:T代表開關(guān)周期，d表示占空比，R和C分別表示積分電路的電阻和電容。通過這個式子可以重新設(shè)置開關(guān)周期。在單周期控制電路中，通過控制占空比可以使V2的斬波信號在每個開關(guān)周期都等于V1或與V1成比例。在不失一般性的前提下，如果選擇放大系數(shù)等于開關(guān)周期，那么V2在每個開關(guān)周期的斬波信號都等于V1。換句話說就是占空比有如下關(guān)系:

通過這個式子可以求得(1)式中的d。UCI的研究者已經(jīng)證明了大多開關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制功能［3－18］，如 GCIs、PFC、APFc 和一些 FACTS 組件的控制都是第一個多項式方程矩陣，因此它們都可以通過單周期控制電路來實現(xiàn)。進一步說，許多OCC控制器都可以一般化為一個通用的OCC控制器。通過這個通用的OCC控制器，電力設(shè)備的標準化設(shè)計將會成為現(xiàn)實。

以圖2所示單相升壓變流器為例，單周期控制可實現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)功能，且其控制簡單。升壓變流器V0和輸入電壓Vg的關(guān)系為:

圖2 單相OCC－PFC升壓變流器

假設(shè)PFC得到較好實現(xiàn)，則PFC變流器輸入電流ig一定完全跟蹤輸入電壓Vg，即兩者無相位差，則升壓變流器輸入電感電流為:

當(dāng)升壓電路做為PFC整流器運行時，其輸入等效電阻Re為線性的，其值由負載決定的。由方程(3)和(4)可以導(dǎo)出下面的核心控制方程，這是關(guān)于占空比d的一階多項式函數(shù)。

由于前面的邊緣調(diào)制，該控制的復(fù)雜性最小。其中，電流受開關(guān)關(guān)斷時間影響，因此輸入電流ig等于二極管電流id?？紤]到感應(yīng)電流id通常經(jīng)感應(yīng)電阻Rs轉(zhuǎn)換為電壓信號。上述操作使核心控制方程變?yōu)橄率?

在表達式(6)中，輸出電壓通常是不變的，感應(yīng)電阻是固定的常值，而等效輸入電阻 Re是負載的函數(shù)。在一個典型的應(yīng)用中，與電流環(huán)的控制速度相比，負載電流的變化率較低，因此，Vm的最終值是由反饋控制回路自動、動態(tài)地決定的。因此，最終的核心控制方程為:

采用OCC控制方法可以很容易實現(xiàn)此核心控制方程，因為它解決了通用的一階多項式方程(2)。帶有典型OCC控制模塊的實現(xiàn)電路如圖2所示，OCC控制模塊的輸入電壓V2=Vm，V1=idNRs，其中N為CT的增益。

對已建成了一個評估OCC控制性能的試驗樣機，升壓變流器可以獲得與實驗測量相同的波形，如圖3所示，其中OCC調(diào)制作用下占空比d波形，Vm－2dVm=Rsis。顯然，OCC以非線性模式調(diào)制占空比d，從而保證了升壓變流器的單位功率因數(shù)運行。

圖3 OCC－PFC升壓變流器的實驗波形

通常三相變流器通過d/q變換控制，而這也是在微型控制器及數(shù)字信號處理器速度有所改善的近幾年才變?yōu)榭赡堋６嘧兞髌鞯目刂仆ǔＲ髷?shù)個幾十萬行代碼實現(xiàn)，這就導(dǎo)致電路的響應(yīng)速度，精度和可靠性受到計算復(fù)雜性的影響。

由于OCC技術(shù)控制電路簡單，速度快，精度高和可靠性高等顯著特點，給三相電力變流器帶來了巨大轉(zhuǎn)變。圖4為一個三相變流器。為獲得的輸入輸出關(guān)系，推導(dǎo)出其等效電路如圖5所示:

圖4 三相逆變器

圖5 三相逆變器的等效電路

與單相升壓變流器控制方法相似，可以從此等效電路中推的輸入輸出量關(guān)系，其關(guān)系可以用矩陣形式表示。由于該矩陣是奇異的，其解決方案并不唯一。以下為兩個解決例案:

這兩種解決方式分別有兩個核心控制方程:

兩式同為一階多項式方程組，可以方便得使用OCC芯片解出這些方程，這就使得電力變流器控制的簡單、有效和精致。

3 仿真與試驗結(jié)果

3.1 仿真實驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗原理如圖6所示。直流電壓通過開關(guān)接入OCC－GTI的直流端OCC－GTI的三相輸出由自耦調(diào)壓器接入電網(wǎng)。FLUKE功率分析儀用來檢測OCC－GTI的輸出。有功及無功控制信號由OCC控制合產(chǎn)生并輸入到OCC－GTI。

圖6 三相逆變器的等效電路

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 穩(wěn)態(tài)性能試驗

1)超前無功補償模式

表1 超前無功補償模式

CH1:IA黃色;CH4:UA綠色;CH5:IB紫色;CH6:IC藍色

圖7 超前無功補償三相電流及A相電壓

圖8 超前無功補償模式A相電壓電流曲線

圖8為濾去B、C相電流，只保留A相電流、電壓曲線，可以看出，在超前無功補償模式下，OCC－GTI向380 V交流電網(wǎng)注入電流，并且電流相位超前電壓相位90°。

2)滯后無功補償模式

表2 滯后無功補償模式

圖9 滯后無功補償模式三相電流及A相電壓

從表2及圖9可以看出，OCC－GTI向交流電網(wǎng)提供無功電流，進行滯后無功補償，電流相位滯后電壓相位90°，由于只提供無功補償，所以功率因數(shù)接近于零。而且注入電網(wǎng)的電流諧波畸變率為2%左右，波形接近正弦。

3)并網(wǎng)逆變模式

表3 并網(wǎng)逆變模式

圖10 并網(wǎng)逆變模式波形圖

在并網(wǎng)逆變模式下，OCC－GTI向電網(wǎng)提供純有功功率，三相功率因數(shù)都在0.99左右，并且電流諧波畸變率很小，波形正弦程度很高。從圖10可以看出，電壓與電流方向相反，也說明了功率是從OCC－GTI流向三相電網(wǎng)。

3.2.2 并網(wǎng)逆變模式暫態(tài)性能

1)有功功率從有到無

圖11 并網(wǎng)逆變模式有功功率從有到無過程

圖12 有功功率從有到無過程波形放大圖

2)有功功率從無到有

圖13 有功功率從有無到有過程圖

圖14 有功功率從無到有過程波形放大圖

在并網(wǎng)逆變模式下，無論有功功率從有到無，還是有功功率從無到有的暫態(tài)過程，OCC－GTI都能在500μs以內(nèi)完成跟蹤，動態(tài)性能好。

3.2.3 低電壓穿越性能測試

在50 A滿負載電流下，分別測試220 V、165 V、110 V、85 V相電壓下電流波形，由于設(shè)備欠電壓保護閾值一般設(shè)置為85 V左右，本次未對更低電壓進行穿越性能測試。

圖15 200 V相電壓下A相電壓電流波形

1)165 V相電壓

圖16 165 V相電壓下A相電壓電流波形

圖17 110 V相電壓下A相電壓電流波形

2)85V相電壓

圖18 85 V相電壓下A相電壓電流波形

從圖15、16、17、18可以看出，當(dāng)通過交流側(cè)調(diào)壓器調(diào)整OCC－GTI輸出電壓分別為額定電壓的75%、50%、36%時，OCC－GTI輸出電流依然維持在50 A滿負載電流。

4 結(jié)束語

本文推導(dǎo)了基于單周控制并網(wǎng)逆變器控制方程，并進行了實驗驗證，試驗結(jié)果分析表明基于單周控制的并網(wǎng)逆變器能夠有效地對電力系統(tǒng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)進行補償，具有如下特點:

1)單周控制并網(wǎng)逆變器(OCC－GTI)可以以0.99的功率因數(shù)向380 V交流電網(wǎng)輸送有功功率，且電流畸變程度很小，為2%左右;同時，OCC－GTI還能起到無功補償?shù)淖饔?

2)OCC－GTI設(shè)備的動態(tài)跟蹤能力很強，在無功的超前滯后及有功的有無切換過程中，均能在500μs的時間內(nèi)完成。

3)OCC－GTI有很強的低電壓穿越能力，在新能源并網(wǎng)領(lǐng)域有很強的實用性，其應(yīng)用于電力系統(tǒng)將具有較大的經(jīng)濟效益和廣闊的推廣前景。

［1］K.Smedley and S.Cuk“One－ Cycle Control of Switching Converters，”IEEE Power Electronics Specialist Conference，Boston，June，1991.

［2］Z.Lai and K.Smedley，“A General PWM Modulator and Its Applications，”IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Fundamental Theory and Applications，April 1998，vol.45，(no.4):386－96.

［3］K.Smedley and C.Qiao，“Unified Constant－ frequency Integration Control of Three－ Phase Rectifiers，Inverters，and Active Power Filters for Unity Power Factor”US Patent filed 9/99，6297980.2001.

［4］C.Qiao and K.Smedley，“A general Three－Phase PFC Controller for Rectifiers with a Parallel Connected Dual Boost Topology，”IEEE Industry Applications Conference Annual Meeting，October 2－7，1999.

［5］C.Qiao and K.Smedley，“A general Three－Phase PFC Controller for Rectifiers with a Series Connected Dual Boost Topology，”IEEE Industry Applications Conference Annual Meeting，October 2－7，1999.

［6］C.Qiao，T.Jin，and K.Smedley，“Unified Constant－ frequency Integration Control of Three－phase Active－Power－Filter with Vector Operation”IEEE Power Electronics Specialists Conference，June 2001.

［7］C.Qiao and K.Smedley，“Unified Constant－frequency Control of Grid Connected Inverters”IEEE Industry Application Society Annual Meeting，Oct.2001.

［8］T.Jin，C.Qiao and K.Smedley，“Operation of Unified Constant－frequency Integration Controlled Three－phase Active Power Filter in Unbalanced System"IEEE Industry Electronics Conference，Nov.2001.

［9］T.Jin，C.Qiao and K.Smedley，“Operation of Unified Constant－frequency Integration Controlled Three－phase Active Power Filter in Unbalanced System"IEEE Industry Electronics Conference，Nov.2001.

［10］T.Jin and K.Smedley，“Operation of Unified Constant－ frequency Integration Controlled Three－phase Power Factor Correction in Unbalanced System"IASTED/IEEE Power Electronics Society International Symposium on Power Generation and Renewable Energy Sources，May 2002.

［11］T.Jin and K.Smedley，“A New One－Cycle Controlled FACTS Element with the Function of STATCOM and Active PowerFilter” IEEE Industry Electronics Conference，Nov.2003.

［12］T.Jin，L.Li，and K.Smedley，“A Universal Vector Controller for PFC rectifier，APF，STATCON，and Grid－Connected Inverter，”IEEE Applied Power Electronics Conference，2004.

［13］T.Jin，J.Wen，and K.Smedley，“Control，and Topology of Three－Phase Three－Level Active Power Filters.”International Power Electronics and Motion Control Conference，2004，China.

［14］G.Chen，Y.Chen，L.Sanchez，and K.Smedley，“Unified Power Conditioner for Distributed Systems without Reference Calculation，”International Power Electronics and Motion Control Conference，2004，China.

［15］Y.Chen and Smedley，“A cost－ effective single stage inverter with Maximum Power Point Tracking，”IEEE Transactions on Power Electronics，Vol 19，No.5，Sep，2004.

［16］G.Chen and K.Smedley，“Steady－State and Dynamics of One－Cycle Controlled Active Power Filters，”To be appeal in IEEE Transactions on Industrial Electronics，Nov.2004.

［17］L.Li，T.Jin，and K.Smedley，“A Three－Phase Unity－Power Factor Regenerative Rectifier For Motor Loads”，Power Electronics Technology Conference，Chicago，2004.