戶用型離網(wǎng)逆變器控制研究

周 嵩，龍 威，念麗波

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明650500）

0 引言

為了解決無(wú)電地區(qū)的供電問(wèn)題，參考文獻(xiàn)［1］提出了農(nóng)村戶用微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，適用于大電網(wǎng)無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可解決供電可靠性或電能質(zhì)量差等供電難題，以滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)居民日常用電的需求。

在戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)中一般使用光伏或者風(fēng)能作為微源［2］，在光照和風(fēng)力都充足時(shí)，除可滿足家用負(fù)荷的電力需求外，同時(shí)將剩余電力存儲(chǔ)在蓄電池中。在無(wú)光或者夜晚，由蓄電池給負(fù)荷供電。但由于微源受環(huán)境因素的影響，造成直流側(cè)電壓波動(dòng)；另外，由于大多數(shù)家用電器都帶有感性電機(jī)，在啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生沖擊，造成線路波動(dòng)，導(dǎo)致逆變器輸出的電能質(zhì)量不合格，提供給家用電器的電壓不穩(wěn)定，對(duì)家用電器造成影響，減少其使用壽命。

因此，為了使家用電器能穩(wěn)定正常運(yùn)行在戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器的控制技術(shù)是關(guān)鍵。但是，現(xiàn)在針對(duì)戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器的研究較少。

直流側(cè)電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，逆變器依然能輸出良好的電能質(zhì)量，從而降低對(duì)輸入直流母線電壓的要求。通過(guò)Matlab軟件在Simulink環(huán)境仿真，實(shí)現(xiàn)戶用型離網(wǎng)逆變器的控制研究。

1 戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)

一般戶用供電系統(tǒng)多為單相系統(tǒng)，因此建立單相逆變器的數(shù)學(xué)模型，其等效電路圖如圖1所示［3］。

圖1中，Ui（Udc）為直流母線電壓，Uo為輸出電壓，UC為電容兩端電壓，iL為濾波電感L的電流，io為負(fù)載電流。濾波電感L與濾波電容C構(gòu)成低通濾波器。

圖1 戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器主電路拓?fù)?/p>

由圖1，根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流定律，可列出逆變器輸出部分的回路方程：

Ui為輸入電壓；Uo為輸出電壓；ii和UC為狀態(tài)變量，可以得出狀態(tài)方程和輸出方程為：

因此，逆變器輸出的傳遞函數(shù)為［4］：

可以得出傳遞函數(shù)G（s）的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)

2 雙環(huán)控制策略

考慮到偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電限制，要求戶用型微網(wǎng)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行在離網(wǎng)狀態(tài)下，為家用電器提供穩(wěn)定的電壓，保證其正常使用。由于微源的不穩(wěn)定，受環(huán)境影響嚴(yán)重，因此需要有合適的控制策略來(lái)控制逆變器，從而確保輸入負(fù)荷的電力的穩(wěn)定。

采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制環(huán)路如圖3所示。系統(tǒng)的控制由外環(huán)電壓控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器組成。為有效改善逆變器輸出波形的質(zhì)量及其動(dòng)態(tài)性能，將輸出電壓與電感電流作為反饋量，對(duì)IGBT開斷信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而控制逆變器的輸出波形。在電壓外環(huán)控制中，逆變器的輸出電壓必須跟蹤周期性的正弦參考指令；而內(nèi)環(huán)電流控制在抑制電容電流突變的同時(shí)也抑制了輸出電流的突變。

圖3 戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)雙環(huán)控制器

外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)電流雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 雙環(huán)控制系統(tǒng)

3 仿真分析

在Matlab／Simulink環(huán)境下搭建了戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器仿真模型，對(duì)上述分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

仿真模型中的戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器模擬真實(shí)家庭用電情況。交流母線采用單相220V電壓等級(jí)，直流母線電壓為經(jīng)過(guò)變換器升壓后的400V。而多數(shù)家用電器如洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等含有電機(jī)的電器都屬于感性負(fù)載。因此，選用RL負(fù)載模擬家用負(fù)荷。

為了使結(jié)果具有可比性，本文中的戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器開環(huán)系統(tǒng)與帶有控制的系統(tǒng)仿真在相同的工況下。根據(jù)圖1的主電路拓?fù)鋱D在Matlab／Simulink下搭建戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器模型。模型中主要包括主電路、逆變器控制模塊以及測(cè)量模塊。

模型中的參數(shù)設(shè)置如下：正弦波幅值為311V，基波頻率為50Hz，輸出濾波電感L＝4mH，濾波電容C＝10μF，開關(guān)頻率為5kHz。LC負(fù)載額定電壓為220V，有功功率P＝5 000W，功率因素取0.85，感性無(wú)功功率Q＝3 098Var。仿真時(shí)間為0.16s。在仿真0.02s時(shí)，啟動(dòng)負(fù)載。

定義一段波動(dòng)的直流母線電壓：在仿真前0.05 s，電壓保持在400V；從0.05s至仿真結(jié)束，直流母線電壓開始波動(dòng)，波動(dòng)幅度在±15%范圍內(nèi)。

開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的輸出電壓比較如圖5所示。當(dāng)直流母線電壓波動(dòng)時(shí)，開環(huán)系統(tǒng)逆變器輸出電壓受直流側(cè)電壓影響較大，幅值不穩(wěn)定；由于負(fù)載帶有電感，在開始運(yùn)行瞬間，電壓波動(dòng)較大；經(jīng)過(guò)控制后的輸出電壓波形呈標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線，幅值穩(wěn)定。

圖5 系統(tǒng)輸出電壓比較

開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓的諧波分析對(duì)比如圖6所示。選取兩系統(tǒng)輸出電壓在0.08s之后的2個(gè)周期進(jìn)行諧波分析，基波頻率為50Hz。由圖6a開環(huán)系統(tǒng)的輸出電壓諧波可以看出，在開環(huán)系統(tǒng)下，當(dāng)直流側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)頻率在25Hz時(shí)的THD為5.01%，75Hz的THD為4.8%，高頻諧波很??；從圖6b閉環(huán)系統(tǒng)的輸出電壓諧波中可以看出，輸出電壓除了基波頻率50Hz外，其他頻率的諧波基本為0，諧波分析表明經(jīng)過(guò)雙環(huán)控制后的系統(tǒng)輸出電壓已經(jīng)穩(wěn)定，同時(shí)諧波畸變已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，電能質(zhì)量合格。

圖6 兩系統(tǒng)輸出電壓諧波分析對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

在戶用型離網(wǎng)系統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，指出了直流母線電壓以及家用電器啟動(dòng)瞬間對(duì)輸出電壓波的影響，提出了雙環(huán)控制策略，對(duì)所存在的問(wèn)題及解決方案進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證了直流側(cè)電壓在一定范圍波動(dòng)時(shí)，控制策略可近似消除直流母線電壓波動(dòng)對(duì)輸出負(fù)載的影響，從而確保輸入家用電器的電能質(zhì)量合格。仿真結(jié)果表明所提出的控制策略能夠提高偏遠(yuǎn)地區(qū)供電可靠性及電能質(zhì)量。

［1］ Bhattacharyya S C.Review of alternative methodologies for analysing off-grid electricity supply［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（1）：677-694.

［2］ 孫欽斐，高婷婷，楊仁剛，等.農(nóng)村戶用型智能微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（13）：150-157.

［3］ 王鶴，李國(guó)慶.含多種分布式電源的微電網(wǎng)控制策略［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32（5）：19-23.

［4］ 王紅艷，王曉輝，曹麗璐.單相400Hz逆變器雙環(huán)控制技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（7）：54-57.