靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)過程控制

朱俊杰　 聶子玲　馬偉明

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室　武漢　430033）

靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)過程控制

朱俊杰 聶子玲馬偉明

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室武漢430033）

靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)控制對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要的作用。為此，分析了靜止式中頻電源組網(wǎng)過程中帶與不帶本地負載時組網(wǎng)、獨立運行的原理，并以此為基礎(chǔ)，深入研究開關(guān)順序?qū)M網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)過程的影響，得出組網(wǎng)時模式開關(guān)先閉合、脫網(wǎng)時靜態(tài)開關(guān)先分斷為最優(yōu)開關(guān)順序的結(jié)論；同時，為了保證組網(wǎng)單元在組網(wǎng)和脫網(wǎng)過程中以較小的電流沖擊實現(xiàn)模式切換的平穩(wěn)過渡，提出一種靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換平滑控制策略，即通過電流峰值的平均分配及峰值、相位的平滑調(diào)節(jié)，實現(xiàn)從機單元的無沖擊并網(wǎng)，并給出具體實施步驟。仿真和實驗結(jié)果證明了模式切換暫態(tài)過程理論分析的正確性及平滑控制的有效性。

靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換開關(guān)順序暫態(tài)過程平滑控制

0　引言

靜止式中頻電源多用于航空和軍事領(lǐng)域，目前，隨著軍事和經(jīng)濟的發(fā)展，上述領(lǐng)域?qū)τ谥蓄l供電系統(tǒng)的容量需求越來越大，而靜止式中頻電源的組網(wǎng)運行可以靈活地擴大系統(tǒng)容量，方便地組成冗余系統(tǒng)，提高運行的可靠性［1-3］。

然而，對于靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)而言，模式切換暫態(tài)過程控制的好壞對組網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和組網(wǎng)各單元設(shè)備的壽命有著至關(guān)重要的作用。組網(wǎng)單元與中頻電網(wǎng)之間的無縫切換，可以保證組網(wǎng)單元內(nèi)重要負荷的供電連續(xù)性，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行也具有重要的作用，已經(jīng)作為組網(wǎng)系統(tǒng)的重要技術(shù)特征引起了廣泛的重視［4，5］。

目前，對于模式切換研究較多的集中在工頻領(lǐng)域，主要表現(xiàn)為單臺工頻逆變器或微電網(wǎng)帶本地負載時，與大電網(wǎng)之間的脫/并網(wǎng)切換過程［6-9］。文獻［10］提出了一種基于儲能的微網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)無縫切換技術(shù)，該技術(shù)利用儲能可以在電壓控制模式和電流控制模式間靈活快速轉(zhuǎn)換，完成電源組網(wǎng)和脫網(wǎng)的角色轉(zhuǎn)換，但該方法不能直接適用于高度弱阻尼的靜止式中頻電源，且增加了儲能單元。文獻［11］提出了一種基于邏輯芯片UTC4053的硬件電路切換方法來實現(xiàn)逆變系統(tǒng)并網(wǎng)和獨立兩種工作模式的切換。該方法將并網(wǎng)運行控制方法和獨立運行控制方法作為兩個輸入通道，然后由單片機給定模式選擇信號并經(jīng)UTC4053實現(xiàn)通道的選擇，即并/脫網(wǎng)狀態(tài)，這對于小功率、簡單的工頻逆變器效果較好，而大容量靜止式中頻電源系統(tǒng)輸出電流較大，且通道切換產(chǎn)生的延時對于相位同步控制影響加大，可靠性降低。文獻［12］研究了單獨逆變器帶本地負載時并/脫網(wǎng)控制，并結(jié)合逆變器自身控制方法，給出了模式切換算法，但缺乏對于模式切換暫態(tài)過程的詳細分析。上述研究均是基于工頻系統(tǒng)，然而，中頻系統(tǒng)均流控制和相位同步控制的難度更大。對于中頻系統(tǒng)而言，輸出電壓頻率是工頻的8倍，當(dāng)采樣頻率為10kHz時，對于工頻系統(tǒng)，一個基波周期內(nèi)采樣200次，而中頻系統(tǒng)一個基波周期內(nèi)僅能采樣25次，通過采樣得到的電壓、電流數(shù)據(jù)計算的有功、無功準確度遠不如工頻逆變器［13］。當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時，對于工頻系統(tǒng)，開關(guān)器件兩次動作之間的相位差為1.8°，而中頻系統(tǒng)開關(guān)器件兩次動作之間相位差為14.4°，組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換控制的難度大大增加。

本文通過靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)分析，得出最優(yōu)開關(guān)順序，即組網(wǎng)時模式開關(guān)（Mode Switch，MS）先閉合、脫網(wǎng)時靜態(tài)開關(guān)（Solid-State Switch，SSS）先分斷；同時，提出一種組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換平滑控制策略，減小系統(tǒng)環(huán)流，并通過仿真和實驗予以驗證。

1　組網(wǎng)系統(tǒng)運行模式原理

為了分析組網(wǎng)系統(tǒng)運行模式原理，首先給出靜止式中頻電源拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。靜止式中頻電源采用雙H橋級聯(lián)的組合式三相四線制逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，各相可獨立控制。以A相為例，兩個400Hz H橋型逆變器經(jīng)相同輸出變壓器的次級串聯(lián)在一起，單個逆變器內(nèi)部同時采用倍頻PWM控制方法，H橋型逆變器之間采用交錯控制技術(shù)，即載波移相控制，兩個H橋的左右橋臂輸出端電壓均可由載波PWM實現(xiàn)，從而增加了控制的自由度。根據(jù)多電平載波移相方法的思想，對于一個五電平變換器，四個互錯90°的三角載波分別與調(diào)制波進行比較，生成相對獨立的四組兩兩互反的PWM調(diào)制信號，去驅(qū)動八個功率單元，每一個H橋單元退化為兩電平的PWM控制，兩個H橋的輸出相加生成一個等效五電平PWM波形，從而提高系統(tǒng)的控制帶寬，有效地保證了輸出電壓的波形質(zhì)量。

圖1　三相四線制靜止式中頻電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1　The main circuit topology of three-phase four-wire solid-state power supply

靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)過程與其采用的工作模式息息相關(guān)，為了更好地分析和控制組網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)過程，必須對采用不同工作模式的系統(tǒng)加以區(qū)別分析。

1.1組網(wǎng)過程中不帶本地負載

當(dāng)靜止式中頻電源組網(wǎng)過程中不帶本地負載時，其工作原理如圖2所示。圖中RUN為PWM脈沖輸出指令，此時，靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)只要求組網(wǎng)電源工作在組網(wǎng)工作模式，控制相對簡單。并網(wǎng)時，首先由組網(wǎng)單元內(nèi)部控制器發(fā)出指令閉合靜態(tài)開關(guān)SSS，然后將脈沖輸出指令RUN置1實現(xiàn)電源的并網(wǎng)。脫網(wǎng)時，首先將脈沖輸出指令RUN置0封鎖組網(wǎng)單元脈沖，然后由內(nèi)部控制器發(fā)出指令打開SSS開關(guān)，組網(wǎng)單元脫網(wǎng)停機。靜止式中頻電源組網(wǎng)過程中不帶本地負載模式下，組網(wǎng)單元的獨立運行并沒有參與到并/脫網(wǎng)過程中，其開關(guān)順序相對固定，不存在電源獨立工作模式，因此，對于組網(wǎng)單元本身來講，內(nèi)部工作模式單一，其并/脫網(wǎng)的暫態(tài)過程（主要為環(huán)流大?。┩耆Q于組網(wǎng)控制策略的性能。

圖2　靜止式中頻電源組網(wǎng)過程中不帶本地負載模式原理Fig.2　Principle of integration of 400Hz solid-state power supply without local load

1.2組網(wǎng)過程中帶本地負載

當(dāng)靜止式中頻電源組網(wǎng)過程中帶本地負載時，組網(wǎng)單元需根據(jù)指令分別工作在并網(wǎng)運行和獨立運行兩種工作模式，且能實現(xiàn)兩種工作模式的平滑切換。圖3為靜止式中頻電源帶本地負載模式下組網(wǎng)、獨立運行原理結(jié)構(gòu)。圖中MS表示模式開關(guān)，組網(wǎng)電源輸出電壓和電流分別為UO和IO，饋入電網(wǎng)電流為Ig，本地負載端電壓和電流分別為UL和IL。組網(wǎng)單元在獨立模式時采用電壓、電流雙閉環(huán)控制即電壓源輸出模式，在組網(wǎng)模式時采用單電流環(huán)控制即電流源輸出模式，組網(wǎng)單元輸出端與電網(wǎng)的連接通過SSS控制，SSS閉合為組網(wǎng)單元輸出端接入電網(wǎng)，SSS斷開為組網(wǎng)單元脫離電網(wǎng)。上位機通過MS邏輯控制組網(wǎng)單元在雙閉環(huán)輸出控制模式和電流環(huán)控制模式之間的切換。文中組網(wǎng)單元各工作模式下的SPWM控制及MS切換控制均由DSP實現(xiàn)。

圖3　靜止式中頻電源組網(wǎng)過程中帶本地負載模式原理Fig.3　Principle of integration of the power supply with local load

SSS閉合前靜止式中頻電源組網(wǎng)單元工作在獨立模式，內(nèi)部控制采用雙閉環(huán)多重比例諧振（Multiply Dual-Loop Proportional-Resonant，MDLPR）控制向本地負載供電，同時采用過零點檢測技術(shù)由DSP檢測電網(wǎng)電壓過零點，并通過數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)組網(wǎng)單元對電網(wǎng)電壓相位的跟蹤。當(dāng)上位機下達允許并網(wǎng)指令后，組網(wǎng)單元控制算法由MS控制切換為電流環(huán)控制模式，同時閉合SSS使組網(wǎng)單元在電網(wǎng)電壓過零點處接入電網(wǎng)，實現(xiàn)電源由獨立帶載模式向組網(wǎng)運行模式的轉(zhuǎn)換。在組網(wǎng)運行模式下，組網(wǎng)單元輸出功率的一部分供給本地負載，其余饋送給其他掛網(wǎng)負載。當(dāng)上位機下達脫網(wǎng)指令后，SSS斷開并將組網(wǎng)單元控制算法切換為MDLPR控制模式，電源工作于獨立模式，繼續(xù)不間斷向本地負載供電。

在靜止式中頻電源組網(wǎng)或者脫網(wǎng)的工作模式切換過程中，可能出現(xiàn)較大的電壓或電流沖擊，這對于中頻電網(wǎng)、負載及中頻電源本身都是不利的。理論上來講，MS和SSS同步切換時，沖擊最小，但實際過程中，由于系統(tǒng)及開關(guān)動作時延等因數(shù)，MS和SSS幾乎不可能實現(xiàn)同步，因此，在組網(wǎng)或者脫網(wǎng)過程中，控制上必須給出一個明確的先后順序，該順序決定了模式切換過程中電壓、電流的沖擊大小，而該順序的確定可以通過模式切換的暫態(tài)分析來決定。

2　組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)分析

靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)單元獨立運行和組網(wǎng)運行的等效電路如圖4所示。ZL為本地負載，下面分別以MS先于SSS閉合（或斷開）、SSS先于MS閉合（或斷開）兩種開關(guān)順序進行模式切換的暫態(tài)分析。

圖4　靜止式中頻電源組網(wǎng)單元獨立、組網(wǎng)運行等效電路Fig.4　Equivalent circuit of independent and integration

2.1模式開關(guān)先于靜態(tài)開關(guān)閉合（或斷開）

圖5為MS先于SSS閉合情況下靜止式中頻電源組網(wǎng)時模式切換過程。t1和t2分別為MS和SSS閉合的初始時刻。在t1時刻前，組網(wǎng)單元處于MDLPR控制模式（電壓源模式），為獨立帶載運行狀態(tài)；在t1時刻，MS閉合，組網(wǎng)單元切換為單電流環(huán)控制模式（電流源模式），且在t2時刻前SSS仍為斷開狀態(tài)，因此，這里t1和t2時刻之間出現(xiàn)一個模式切換過渡狀態(tài)。在t1時刻前，鎖相環(huán)跟蹤控制已使UO=Ugrid，組網(wǎng)單元輸出電流IO取決于本地負載ZL的需要，即IO=IL；從t1時刻起，電流環(huán)給定突變?yōu)榻M網(wǎng)電流給定值，即IO=Iref，在t1～t2區(qū)間，SSS尚未閉合情況下，IO全部流入本地負載ZL，導(dǎo)致負載端電壓UL出現(xiàn)幅值過沖

圖5　MS先于SSS閉合情況下，中頻電源組網(wǎng)時模式切換過程Fig.5　The conversion process of MS turned on before SSS

實際上，式（1）中UL受靜止式中頻電源直流側(cè)電壓幅值的限制，其過沖也會受到限制，IO和Ig畸變程度有限。從t2時刻起，SSS閉合，組網(wǎng)單元轉(zhuǎn)為電流源輸出控制模式，整個系統(tǒng)處于組網(wǎng)運行模式，電流環(huán)給定保持不變，UL被強制降為Ugrid，組網(wǎng)單元輸出電流IO的一部分流入本地負載ZL維持其正常工作，其余則饋入電網(wǎng)，此時有

圖6為MS先于SSS斷開情況下，靜止式中頻電源脫網(wǎng)時模式切換過程。脫網(wǎng)過程中，從t3時刻起，MS先于SSS斷開，組網(wǎng)單元控制模式由電流環(huán)轉(zhuǎn)換為MDLPR輸出控制模式，但由于SSS仍保持閉合，造成組網(wǎng)單元與電網(wǎng)并聯(lián)，共同分擔(dān)負載電流的中間過渡狀態(tài)。在t3時刻前，組網(wǎng)單元處于組網(wǎng)運行狀態(tài)，有

在t3～t4區(qū)間，MS斷開但SSS仍為閉合狀態(tài)，即UL仍被鉗制為Ugrid，電壓環(huán)PR調(diào)節(jié)器輸出為飽和值，此時，極易形成瞬時環(huán)流。從t4時刻起，SSS斷開，UL不再被Ugrid鉗制，電壓環(huán)PR調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，組網(wǎng)單元切換為獨立工作模式，為本地負載不間斷供電。

圖6　MS先于SSS斷開情況下，中頻電源脫網(wǎng)時模式切換過程Fig.6　The conversion process of MS turned off before SSS

2.2靜態(tài)開關(guān)先于模式開關(guān)閉合（或斷開）

圖7為SSS先于MS閉合情況下，靜止式中頻電源組網(wǎng)時模式切換過程。在t5時刻SSS閉合，UL立即被鉗制為Ugrid，由于MS處于斷開狀態(tài)，組網(wǎng)單元仍以MDLPR電壓源輸出控制模式運行，直至t6時刻MS閉合，t5～t6時刻中間過渡狀態(tài)與圖6中t3～t4時刻過渡狀態(tài)相同，這里不再贅述，如圖7所示。t6時刻MS閉合，組網(wǎng)單元切換為單電流環(huán)輸出控制模式，整個系統(tǒng)進入組網(wǎng)運行狀態(tài)，負載端電壓保持不變。此時，式（2）依然成立。

圖7　SSS先于MS閉合情況下，中頻電源組網(wǎng)時模式切換過程Fig.7　The conversion process of SSS turned on before MS

圖8為SSS先于MS斷開情況下，靜止式中頻電源脫網(wǎng)時模式切換過程。脫網(wǎng)過程中，從t7時刻起，SSS先于MS斷開，組網(wǎng)單元和本地負載與電網(wǎng)脫開，且在t8時刻前MS仍保持閉合狀態(tài)，組網(wǎng)單元以組網(wǎng)電流Iref為給定值，繼續(xù)在電流源控制模式下工作。其輸出電流IO全部灌入本地負載，該中間狀態(tài)與圖5中t1～t2時刻的中間過渡狀態(tài)相同。從t8時刻起，MS斷開，組網(wǎng)單元開始以MDLPR模式獨立為本地負載供電。

圖8　SSS先于MS斷開情況下，中頻電源脫網(wǎng)時模式切換過程Fig.8　The conversion process of SSS turned off before MS

由上述分析可以看出，以靜止式中頻電源組網(wǎng)單元電壓源輸出控制狀態(tài)作為中間過渡的組網(wǎng)/脫網(wǎng)過程中（組網(wǎng)時SSS先閉合，脫網(wǎng)時MS先斷開），負載電壓突變較小，但極易形成環(huán)流沖擊，存在安全隱患。由于MDLPR控制中電壓環(huán)調(diào)節(jié)器飽和作用影響，使得組網(wǎng)過程中電源承受較大的沖擊。若以組網(wǎng)單元電流源輸出控制狀態(tài)作為中間過渡的組網(wǎng)/脫網(wǎng)過程（組網(wǎng)時MS先閉合，脫網(wǎng)時SSS先斷開），雖然負載電壓突變次數(shù)較多，但因組網(wǎng)單元直流側(cè)電壓的幅值限制了輸出電壓突變的幅值，不會威脅組網(wǎng)單元的安全，而且在中間過渡狀態(tài)電源工作相對穩(wěn)定。

因此，對于靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)帶載情況下，模式切換過程應(yīng)采用組網(wǎng)時MS先閉合，脫網(wǎng)時SSS先斷開的開關(guān)順序。

3　組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換平滑控制

通過前述靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換的暫態(tài)分析，確定了MS和SSS在組網(wǎng)及脫網(wǎng)過程中的開關(guān)順序，但如何保證組網(wǎng)單元在組網(wǎng)和脫網(wǎng)過程中以較小的電流沖擊實現(xiàn)模式切換的平穩(wěn)過渡，關(guān)鍵取決于組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)過程的控制。為此，本文提出一種靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換平滑控制策略，下文以圖9所示的組網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析模式切換平滑控制算法的要點。

圖9　靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)框圖Fig.9　The solid-state power supply integration system

圖9為靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)框圖。其中，Gf為低通濾波器；KU為電網(wǎng)電壓反饋增益；KI為電網(wǎng)電流反饋增益；UpCmd為上位機指定MDLPR控制指令；Iad為組網(wǎng)中頻電源電流參考調(diào)節(jié)器；Z為負載阻抗；Ugrid、Igrid分別為電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)輸出總電流；Ugrid_pk、Igrid_pk和Igrid_RMS分別為電網(wǎng)電壓、電流峰值和網(wǎng)側(cè)電流有效值；U1、U2分別為組網(wǎng)單元1和2的輸出電壓；I1_pk、I2_pk分別為組網(wǎng)單元1和2輸出電流的峰值；Fm為DSP調(diào)制比；UC&CG為上層控制器邏輯及數(shù)字運算模塊；PK為電流峰值計算模塊。文中的MDLPR控制策略為［14，15］

式中，GPRV、GPRI分別為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)PR控制器；Kpv、Kpi分別為電壓、電流環(huán)的比例系數(shù)；Kivn、Kiin分別為電壓、電流環(huán)的諧振系數(shù)，n為需要調(diào)節(jié)的諧波次數(shù)；ωc為諧振控制器的截止角頻率；ω0為基波角頻率。

從圖9中可以看到每個獨立中頻電源都含DSP控制系統(tǒng)，上位機負責(zé)提供電源的運行模式和并網(wǎng)中頻電源電流參考。當(dāng)靜止式中頻電源由獨立運行狀態(tài)切換至組網(wǎng)運行模式時，中頻電源由MDLPR控制切換到單電流環(huán)PR控制。在組網(wǎng)過程中，至少有一臺中頻電源運行在MDLPR控制狀態(tài)，其余的中頻電源運行在單電流環(huán)PR控制模式。運行在MDLPR控制的中頻電源由上位機通過CAN總線決定。當(dāng)處于MDLPR控制運行模式的靜止式中頻電源出現(xiàn)故障時，上位機通過及時檢測電網(wǎng)信號，指定由下一臺中頻電源運行于MDLPR控制模式。

為了減小整個組網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)流，組網(wǎng)系統(tǒng)必須在整個組網(wǎng)單元中很好地均分輸出電流。在圖9中，上位機通過UpCmd命令指定主機運行模式，將檢測到的電網(wǎng)輸出電流Igrid通過UC&CG計算得到Igrid_pk，并將Igrid_pk通過CAN總線共享給所有組網(wǎng)單元。組網(wǎng)單元從機的電流峰值Iref2_pk由Igrid_pk、I1_pk及I2_pk通過Iad調(diào)節(jié)器共同決定，具體調(diào)節(jié)方式為

式（5）的約束條件為

式中，Ipk_offset為組網(wǎng)單元之間的峰值電流差；ΔIpk為峰值電流差約束范圍；Ipk_step為峰值調(diào)節(jié)步長，在實際DSP運算中相當(dāng)于在峰值電流差大于約束范圍時，對Ipk_offset進行PI調(diào)節(jié)，主要目的是保證電流幅值的平滑調(diào)節(jié)。上述過程即為組網(wǎng)過程中的無功調(diào)幅過程。

同理，組網(wǎng)單元從機的參考電流相位Iref2_θ由D-DPLL輸出相位Ipll_θ和從機輸出電壓相位U2_θ共同決定，具體調(diào)節(jié)方式為

式（7）的約束條件為

式中，Iθ_offset為組網(wǎng)從機單元鎖相輸出相位與實際輸出電壓相位差；ΔIθ為相位差約束范圍；Iθ_step為相位調(diào)節(jié)步長，在實際DSP運算中相當(dāng)于在相位差大于約束范圍時，對Iθ_offset進行PI調(diào)節(jié)，主要目的是保證相位的平滑調(diào)節(jié)。上述過程即為組網(wǎng)過程中的有功調(diào)相過程。

由式（5）和式（7）可得組網(wǎng)從機單元的電流環(huán)參考表達式

推廣到第n臺組網(wǎng)單元電流環(huán)參考表達式為

式中

上述算法保證了組網(wǎng)系統(tǒng)電流峰值和相位的平滑調(diào)節(jié)，模式切換平滑控制算法還必須遵循以下原則：開關(guān)動作期間避免引起較大的負載端電壓尖峰和電流沖擊；SSS閉合前，保證組網(wǎng)單元輸出電壓在幅值、相位及頻率上與電網(wǎng)電壓同步匹配。

為此，組網(wǎng)單元由獨立運行到組網(wǎng)運行的平滑控制算法步驟如下：

（1）上位機監(jiān)測由主機構(gòu)成的中頻電網(wǎng)輸出電壓Ugrid是否滿足組網(wǎng)要求，并實時計算Ugrid_pk、Igrid_pk和Igrid_RMS，通過CAN總線將信息傳輸給各組網(wǎng)單元。

（2）組網(wǎng)單元內(nèi)部通過數(shù)字鎖相環(huán)保證輸出電壓對電網(wǎng)電壓的鎖相跟蹤，保證輸出電壓在幅值、相位及頻率上與電網(wǎng)電壓一致。

（3）上位機通過CAN總線發(fā)送組網(wǎng)指令UpCmd_1，從機單元一旦確認并網(wǎng)指令，首先閉合MS，將輸出控制模式從MDLPR控制轉(zhuǎn)換為單電流環(huán)控制，組網(wǎng)從機單元輸出電流給定初值Irefn_pk。

（4）在電網(wǎng)電壓過零點處閉合SSS。

（5）通過式（5）和式（7）同步調(diào)整Irefn_pk和Irefn_θ，保證組網(wǎng)單元對電網(wǎng)的同步跟蹤。

同理，組網(wǎng)單元由組網(wǎng)運行到獨立運行的平滑控制算法步驟如下：

（1）上位機實時監(jiān)測組網(wǎng)系統(tǒng)電壓Ugrid和Igrid，判斷電網(wǎng)的運行狀態(tài)，并通過CAN總線發(fā)送脫網(wǎng)指令UpCmd_0。

（2）一旦確認脫網(wǎng)指令要求，為了減小SSS分斷時饋入電網(wǎng)電流Ig的沖擊，組網(wǎng)從機單元首先將輸出電流Irefn_pk降為本地負載電流。

（3）在電網(wǎng)電壓過零點處分斷SSS。

（4）模式開關(guān)MS斷開，組網(wǎng)從機單元從單電流環(huán)控制模式轉(zhuǎn)換為MDLPR控制模式，給本地負載不間斷供電。

4　仿真與實驗分析

為了更加清楚地說明文中暫態(tài)分析的正確性以及驗證模式切換暫態(tài)過程控制的有效性，本文采用三臺容量為100kV·A，輸出電壓115V/400Hz三相四線制中頻電源進行了仿真和實驗分析。其中一臺作為主機運行于MDLPR控制模式，由其首先構(gòu)建中頻電網(wǎng)。

圖10為靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)過程中不帶本地負載的組網(wǎng)仿真過程。圖10a為組網(wǎng)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓、電流及組網(wǎng)從機輸出電流波形。從圖中可以看出，組網(wǎng)過程從20ms處開始，組網(wǎng)主機電壓Ugrid在30ms處（即10ms內(nèi)）恢復(fù)正常，主機電源電流i11（即Igrid）由297A降為單機運行時的1/3左右，穩(wěn)態(tài)輸出電流100A；兩臺組網(wǎng)從機電源輸出電流i11亦經(jīng)過10ms調(diào)整，穩(wěn)態(tài)輸出電流分別為97.6A和99.4A。圖10b為組網(wǎng)系統(tǒng)A、B和C各相環(huán)流，從圖中可以看出，各相環(huán)流的瞬時最大峰值均小于100A，穩(wěn)態(tài)環(huán)流為3.5A，滿足組網(wǎng)系統(tǒng)要求。

圖10　組網(wǎng)過程中不帶本地負載Fig.10　Integration without local load

圖11　帶本地負載情況下，模式切換順序錯誤時組網(wǎng)及脫網(wǎng)暫態(tài)過程Fig.11　Transient process with wrong mode convertion sequence with local load

圖11為靜止式中頻電源帶本地負載情況下模式切換順序錯誤時A相組網(wǎng)/脫網(wǎng)暫態(tài)過程。從圖11a可以看出，SSS于0.02s處閉合，MS于0.03s處閉合（即SSS先于MS閉合）時，電網(wǎng)電壓Ugrid及組網(wǎng)單元輸出電壓UO1的電壓波動次數(shù)較少，但其饋入電網(wǎng)的電流Ig的沖擊太大，形成較大環(huán)流，實際中將導(dǎo)致組網(wǎng)失敗。從圖11b可以看出，MS于0.08s處斷開，SSS于0.09s處斷開（即MS先于SSS斷開）時，饋入電網(wǎng)電流Ig瞬時增大到幾千安培，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓Ugrid及組網(wǎng)單元輸出電壓UO1的電壓發(fā)生嚴重畸變和超調(diào)，實際使用中可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。圖11的現(xiàn)象與前述模式切換暫態(tài)過程分析一致，證明了理論分析的正確性。

圖12　帶本地負載情況下，采用模式切換平滑控制時組網(wǎng)及脫網(wǎng)過程仿真結(jié)果Fig.12　Simulation results of mode conversion with smooth control with local load

圖12為帶本地負載情況下采用模式切換平滑控制（組網(wǎng)時MS先閉合，脫網(wǎng)時SSS先斷開）時，靜止式中頻電源組網(wǎng)及脫網(wǎng)過程，圖中以A相為例，其他類似。圖12a為組網(wǎng)過程，MS在0.02s處閉合，SSS在0.03s處閉合，圖中波形從上到下依次為電網(wǎng)電壓Ugrid、組網(wǎng)從機輸出電壓UO1、主機輸出電流Igrid、組網(wǎng)從機輸出電流IO1、本地負載電流IL和組網(wǎng)從機饋入電網(wǎng)電流Ig。組網(wǎng)前主機帶滿載運行Igrid為290.6A，從機帶本地負載（半載）運行IO1為145.3A。當(dāng)MS閉合SSS斷開時（0.02～0.03s），由于從機電源并未與主機連接，因此，Ugrid及Ig沒有變化；在0.02s處UO1、IO1及IL開始出現(xiàn)增幅波動，但增幅逐步衰減，這是由于組網(wǎng)從機單元由MDLPR控制切換為單電流環(huán)控制，電流環(huán)給定值突變?yōu)榻M網(wǎng)參考電流，IO1全部流入本地負載所致，同時UO1受直流側(cè)的約束增幅受限，與前述理論分析一致；在0.03s處SSS閉合，UO1降為與Ugrid一致進入穩(wěn)態(tài)輸出，組網(wǎng)從機輸出電流IO1由145.3A增大為219.2A，其一部分繼續(xù)供給本地負載IL，另一部分饋入電網(wǎng)，給主機減輕負擔(dān)，Igrid由290.6A減小為218.9A，此后Igrid與IO1均分組網(wǎng)系統(tǒng)的電流。圖12a與圖11a相比，雖然Ugrid和UO1的波動次數(shù)增加，但整個暫態(tài)過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且饋入電網(wǎng)電流Ig最大瞬時峰值為230A，沖擊較小，穩(wěn)定運行時Ig為73.6A供給掛網(wǎng)負載。

圖12b為脫網(wǎng)過程，SSS在0.08s處斷開，MS在0.09s處斷開，圖中波形從上到下與圖12a相同。在SSS分斷前，0.078s處組網(wǎng)從機電流環(huán)參考減為本地負載電流，保證SSS分斷時Ig不出現(xiàn)大的沖擊，如圖12b中IO1及Ig的波形所示。當(dāng)SSS斷開MS仍閉合時（0.08～0.09s），Ugrid、IL及UO1沒有出現(xiàn)較大波動，Ig降為0，同時IO1由219.2A減小為145.3A，Igrid由218.9A增大為290.6A。當(dāng)MS斷開后，組網(wǎng)從機單元由單電流環(huán)控制切換為MDLPR控制，繼續(xù)不間斷給本地負載供電。與圖11b相比，整個脫網(wǎng)暫態(tài)過程較為穩(wěn)定，無大的電流沖擊及電壓瞬變。圖12的整個組網(wǎng)及脫網(wǎng)過程證明了模式切換平滑控制的良好性能。

圖13為采用模式切換平滑控制時，靜止式中頻電源組網(wǎng)及脫網(wǎng)過程實驗結(jié)果，圖中以A相為例。圖13a為組網(wǎng)過程，MS先于SSS閉合，且閉合點均在電網(wǎng)電壓過零點處，圖中波形從上到下順序與仿真波形相同。組網(wǎng)前主機帶滿載運行Igrid為289.5A，從機帶本地負載（半載）運行IO1為144.8A。當(dāng)MS閉合SSS斷開時（圖中虛線所示區(qū)域），由于從機電源未與電網(wǎng)主機連接，Ugrid及Ig沒有變化；由于組網(wǎng)從機單元由MDLPR控制切換為單電流環(huán)控制，電流環(huán)給定值突變?yōu)榻M網(wǎng)參考電流，IO1全部流入本地負載導(dǎo)致UO1、IO1及IL出現(xiàn)波動（橢圓形區(qū)域），與仿真結(jié)果一致；當(dāng)SSS閉合后，UO1降為Ugrid進入穩(wěn)態(tài)輸出，組網(wǎng)從機輸出電流IO1由波動狀態(tài)進入穩(wěn)態(tài)，輸出電流有效值由144.8A增大為218.7A，其一部分繼續(xù)供給本地負載IL，另一部分則饋入電網(wǎng)，相當(dāng)于給主機減輕負擔(dān)，Igrid由289.5A減小為219.4A，此后Igrid與IO1均分整個組網(wǎng)系統(tǒng)的電流；饋入電網(wǎng)電流Ig的最大瞬時峰值為239A，較仿真稍大，穩(wěn)定運行時Ig為71.2A饋入掛網(wǎng)負載。

圖13　采用模式切換平滑控制時，組網(wǎng)及脫網(wǎng)過程實驗結(jié)果Fig.13　Experiment results of mode conversion with smooth control

圖13b為脫網(wǎng)過程，SSS先于MS斷開（圖中虛線部分）。在SSS分斷前一個周期（程序設(shè)置）組網(wǎng)從機電流環(huán)參考減為本地負載電流，圖中IO1及Ig波形圓形區(qū)域中出現(xiàn)短時電流波動，在MS切換后波動消失，與仿真結(jié)果一致。在中間暫態(tài)過程中，SSS斷開，Igrid由219.4A增大為289.5A，電網(wǎng)電壓Ugrid稍有跌落（峰值3V）相當(dāng)于突加負載。同時IO1由218.7A減小為144.8A，UO1無明顯變化。當(dāng)MS斷開后，組網(wǎng)從機單元由單電流環(huán)控制切換為MDLPR控制，繼續(xù)不間斷給本地負載供電。

對比圖13和圖12可以看出，實驗與仿真結(jié)果基本一致，進一步證明了理論分析的正確性和模式切換平滑控制在中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)中的有效性。

圖14為三臺100kV·A靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行實驗結(jié)果，組網(wǎng)系統(tǒng)總輸出容量達333kV·A。圖14a為主機各相輸出電壓、電流，可以看出雖然負載不平衡，但輸出電壓平衡度較高，單機輸出容量達111kV·A；圖14b為電網(wǎng)電壓有效值、頻率及前50次諧波分布，從中可以看出電壓頻率為400.5Hz，THD為1.5%，滿足系統(tǒng)輸出要求；圖14c為主、從機三相輸出電流，可以看出即使負載不平衡，但電流均分程度較好；為了更直接地說明各臺電源電流均分程度，將主機A、B和C相輸出電流與從機2A、2B和2C相輸出電流進行對比，如圖14d所示，從中可以看出電流幅值和相位一致性較好，表明組網(wǎng)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)運行性能。

圖14　三臺靜止式中頻電源組網(wǎng)運行穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果Fig.14　Experiment results of integration of three solid-state power supplies

5　結(jié)論

本文通過詳細分析不同開關(guān)順序?qū)o止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)過程的影響，得出組網(wǎng)時MS先閉合、脫網(wǎng)時SSS先分斷為最優(yōu)開關(guān)順序的結(jié)論。同時，結(jié)合該結(jié)論提出一種峰值和相位平滑調(diào)節(jié)的組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換控制策略，并給出具體實施步驟。從仿真和實驗結(jié)果可以看出，該組網(wǎng)系統(tǒng)在并、脫網(wǎng)過程中電網(wǎng)電壓波動及饋入電網(wǎng)電流沖擊均較小，穩(wěn)態(tài)運行時電流均分程度較好，證明了文中理論分析及控制方法的正確性。

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Control of Mode Conversion Transient Process of
Medium Frequency Solid-State Power Supply

Zhu JunjieNie ZilingMa Weiming
（National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology Naval University of EngineeringWuhan430033China）

The mode conversion transient process is very important to the 400Hz solid-state power supply integration system. For this reason，this paper analyzes the principle of network building，its independent operation with or without local loads during the integration process，and the effects of different switching sequences on mode conversion transient process. The conclusion is that the mode switch （MS） must turn on before the solid-state switch （SSS） at the on-grid state，while the SSS must turn off before the MS at the off-grid state. Therefore，a strategy of smooth control for the system which includes some concrete steps is proposed. It can achieve grid connection without shock by the average distribution of peak currents and smooth the adjustments of peak current and phase. Case study has verified the method for smooth control.

Medium frequency solid-state power supply integration system，mode conversion，switching sequence，transient process，smooth control

TM461.5

朱俊杰男，1984年生，助理研究員，博士，主要從事電力電子與電力傳動等研究。

聶子玲男，1975年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力電子與電力傳動等研究。

國家自然科學(xué)基金資助項目（51177170）。

2014-03-10改稿日期 2014-05-16