電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)無縫切換控制策略

李建霖，唐 欣，陳 勝（.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 4004；2.珠海萬力達電氣自動化有限公司，珠海 59075）

電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)無縫切換控制策略

李建霖1，2，唐 欣1，陳 勝1
（1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410014；2.珠海萬力達電氣自動化有限公司，珠海 519075）

摘要：逆變器在獨立/并網(wǎng)模式切換瞬間容易出現(xiàn)過電壓和過電流問題。為此，本文提出電流外環(huán)、電壓內(nèi)環(huán)的控制策略，保證模式切換時控制指令的穩(wěn)定性；同時為了減小控制誤差引入前饋控制，最終達到減小系統(tǒng)的過渡時間和改善供電電壓質(zhì)量的目的。為驗證此控制策略的有效性，本文利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立雙模式供電系統(tǒng)模型，對所提切換控制策略與傳統(tǒng)模式切換進行了仿真比較。仿真結(jié)果表明，所提出的切換控制策略能有效抑制獨立/并網(wǎng)模式相互切換引起的暫態(tài)沖擊，達到無縫切換的目的。

關(guān)鍵字：逆變器；前饋控制；暫態(tài)沖擊；模式轉(zhuǎn)換；無縫切換

由于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不僅能將多余電能輸送給大電網(wǎng)，而且還能在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時給本地負(fù)載獨立供電，因而被廣泛應(yīng)用于新能源開發(fā)。然而，逆變器在獨立/并網(wǎng)模式切換瞬間容易出現(xiàn)過電壓和過電流問題，這直接影響分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)供電質(zhì)量和可靠性。

逆變器有兩種工作模式：獨立運行模式和并網(wǎng)運行模式。在傳統(tǒng)模式下，獨立運行模式采用電壓控制；而在并網(wǎng)運行模式采用電流控制［1-2］，通過在并獨網(wǎng)切換時轉(zhuǎn)變控制策略，從而滿足并獨網(wǎng)工作模式下供電靜態(tài)穩(wěn)定性。為了達到無縫切換的目的，文獻［3］在獨立模式下采用電感電流內(nèi)環(huán)和輸出電壓外環(huán)；并網(wǎng)模式下采用電流控制，以控制并網(wǎng)逆變器輸出電流的幅值和相位。文獻［4］引入間接電流控制，即電流外環(huán)控制并網(wǎng)運行時的輸出電流，而電壓內(nèi)環(huán)保證網(wǎng)側(cè)負(fù)載電壓的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，文獻［5-6］提出并網(wǎng)模式下的雙電流控制模式，在并網(wǎng)運行時逆變器通過控制電感電流和并網(wǎng)電流來保證輸出功率的穩(wěn)定性，在獨立運行時采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)保證重要負(fù)荷的供電電壓質(zhì)量。其后，加權(quán)控制策略［7-8］和三環(huán)控制策略［9-10］均被提出。以上方法在并網(wǎng)時采用電流控制模式（可理解為逆變器的輸出電壓間接控制），而在獨立模式采用電壓控制模式（可理解為逆變器的輸出電壓直接控制），在模式切換過程中電壓控制器結(jié)構(gòu)的變化，會導(dǎo)致暫態(tài)過電壓和電流的問題。

針對逆變器模式切換的中間模式引起的暫態(tài)過電壓問題，結(jié)合現(xiàn)有逆變器典型控制方法［11］和前期所做的研究工作［12］，本文提出了一種新穎的電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)控制策略，以抑制切換過程中的沖擊電壓，減小過渡時間，提高供電電壓質(zhì)量。在PSCAD/EMTDC中通過仿真結(jié)果對比表明本文所提控制策略的有效性。

1 控制原理

并網(wǎng)逆變器等效電路如圖1所示。其中R、L1為逆變器等效輸出電阻和電感，L2、C是根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計的濾波電感和電容，Z1為逆變側(cè)重要負(fù)載的阻抗值，Ic2為逆變器輸出電流，Is2為逆變器并網(wǎng)電流，Ig為負(fù)載電流，Vcf為濾波電容電壓，Vs2為并網(wǎng)電壓（負(fù)載電壓），Vg為電網(wǎng)電壓，SW為并網(wǎng)開關(guān)。

圖1 逆變器并網(wǎng)控制等效電路Fig.1 Equivalent circuit of inverter in grid-connected mode

式中：P*、Q*為系統(tǒng)有功功率、無功功率參考值；V、V為電網(wǎng)電壓實際值Vg的d-q分量；V、V為電流在電感L2上電壓降的d-q分量。

圖2為逆變器并網(wǎng)等效電路的簡化工作原理矢量圖。并網(wǎng)電流Is2與并網(wǎng)電壓Vs2同頻同相，通過控制電容電壓Vcf間接調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流Is2從而調(diào)節(jié)輸出功率。

圖2 逆變器并網(wǎng)等效電路工作原理矢量圖Fig.2 Vector diagram of operating principle for inverter in grid-connected mode

2 雙模式控制策略

針對雙模式切換中由于控制器結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致的暫態(tài)過電壓和過電流問題，本文提出的雙模式控制框圖如圖3所示，其由電流外環(huán)、電壓內(nèi)環(huán)組成。在電壓內(nèi)環(huán)控制器引入電壓前饋［13］，電流外環(huán)控制器引入電流限制器。其中電壓內(nèi)環(huán)控制器用于獨立模式和并網(wǎng)模式，電流外環(huán)控制器只用于并網(wǎng)模式。I、I可由式（1）和式（2）求得，其通過與逆變器實際輸出電流I、相比較經(jīng)過PI環(huán)節(jié)得到電容電壓參考值，V、V為電容電壓實際值Vcf的d-q分量。輸出電壓Us2與并網(wǎng)電流Is2的相角差為α。

圖3 電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)控制策略框圖Fig.3 Diagram of control strategy for outer current and inner voltage

2.1 獨立模式

本文提出的控制策略在電網(wǎng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)會自動切換到獨立運行模式，如圖4所示。此時，以濾波電容電壓為控制量，采用定電壓定頻率控制方式保證逆變側(cè)重要負(fù)載的供電電壓質(zhì)量。

2.2 并網(wǎng)模式

并網(wǎng)模式下的控制框圖如圖5所示，其相當(dāng)于在圖4中的參考電容電壓V、V中添加了一個分量，而這個分量即電感電流外環(huán)。

圖4 獨立模式下控制器設(shè)計Fig.4 Design of controller in stand-alone mode

圖5 并網(wǎng)模式下控制器設(shè)計Fig.5 Design of controller in grid-connected mode

2.3 模式切換

在獨立模式下，通過電壓內(nèi)環(huán)使輸出電壓保持在額定值，同時在回路中加入電壓前饋以減小模式切換對電壓造成的沖擊。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)故障消除后，電網(wǎng)電壓在正常工作波動范圍內(nèi)，光伏逆變器可以通過重新并網(wǎng)將多余的能量通過大電網(wǎng)輸送至用戶端，此時，就存在獨立模式向并網(wǎng)模式切換的過程［2-3］。此過程只需在并網(wǎng)開關(guān)SW投上去的時候切換一下參考電容電壓值，不存在中間暫態(tài)過程。

在并網(wǎng)模式下，通過電流外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)控制器控制逆變器輸出電壓Vs2，通過改變期望功率值P*、Q*，進而改變參考電流I、I，從而最終實現(xiàn)逆變器輸出功率的改變。并網(wǎng)電流調(diào)節(jié)逆變器的輸出功率。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或者某些需要脫網(wǎng)運行的情況發(fā)生時，光伏供電系統(tǒng)需要立即從大電網(wǎng)脫離進入獨立運行模式。在脫網(wǎng)過程中，并網(wǎng)開關(guān)SW斷開，輸出功率下降，電容電壓參考值切換到獨立模式下的值，此過程最終能夠保證逆變器本地負(fù)荷供電可靠性。

3 仿真研究

利用PSCAD/EMTDC建立了一個光伏雙模式供電系統(tǒng)模型。仿真系統(tǒng)參數(shù)［14-15］：相電壓220 V；直流側(cè)由兩個350 V的直流電源串聯(lián)形成700 V直流電壓；相電阻0.007 Ω；相電抗器1.6 mH；濾波電容20 μF；濾波電感1 mH；Kp1、Ki1為2.380 9、0.000 2，Kp2、Ki2為0.952 4、0.079 36；本地重要負(fù)載2.9 Ω；系統(tǒng)頻率50 Hz，開關(guān)頻率5 kHz。設(shè)計了一個傳統(tǒng)控制器，與本文所提控制策略進行比較。傳統(tǒng)控制器在獨立模式下，僅采用了一個輸出電壓環(huán)實現(xiàn)定電壓定頻率控制；在并網(wǎng)模式下，采用一個電感電流環(huán)。

圖6 獨立模式切換至并網(wǎng)模式的電壓、電流波形Fig.6 Voltage and current waveforms during a switch from stand-alone mode to grid-connected mode

3.1 獨立模式切換至并網(wǎng)模式

圖6給出了逆變器由獨立模式切換至并網(wǎng)模式的過程中電壓和電流的波形，其中圖6（a）、（c）是在傳統(tǒng)控制策略下的電壓、電流波形，而圖6（b）、（d）是在本控制策略下的電壓、電流波形。在1 s時向并網(wǎng)開關(guān)SW發(fā)出閉合指令，系統(tǒng)由獨立模式切換到并網(wǎng)模式，輸出有功功率由50 kW上升到80 kW。在傳統(tǒng)控制策略（控制器1）的作用下，獨立模式向并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時存在電壓控制結(jié)構(gòu)變化影響，并網(wǎng)電流的峰值達到181.5 A，是正常電流（166 A）的1.09倍。而本文的控制策略（控制器2）通過僅切換電容電壓參考值，幾乎沒有過電流現(xiàn)象，而且不會帶來其他問題。

圖7 并網(wǎng)模式切換至獨立模式的電壓、電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms during a switch from grid-connected mode to stand-alone mode

3.2 并網(wǎng)模式切換至獨立模式

圖7給出了逆變器由獨立切換至并網(wǎng)過程中電壓和電流的波形，其中圖7（a）、（c）是在傳統(tǒng)控制策略下的電壓、電流波形，而圖7（b）、（d）是在本控制策略下的電壓、電流波形。假定在2 s時刻大電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障，并網(wǎng)開關(guān)SW正斷開，系統(tǒng)由并網(wǎng)模式切換到獨立模式，在傳統(tǒng)控制策略（控制器1）的作用下，并網(wǎng)模式向獨立模式轉(zhuǎn)換時存在電壓控制結(jié)構(gòu)變化影響，輸出電壓峰值可能會達到357.8 V，是正常相電壓峰值的1.15倍。而本文的控制策略（控制器2）通過僅切換電容電壓參考值，供電電壓和電流均實現(xiàn)了平滑過渡。

在本文所提出的控制策略下，內(nèi)環(huán)電壓控制器電容電壓的參考值V、V直接影響切換效果，圖8給出了電容電壓參考值在0～3 s時間段的波形。

圖8 V、V的波形Fig.8 Waveforms ofVandV

根據(jù)系統(tǒng)要求，在獨立模式下，分布式光伏逆變器只要保證輸出電壓的穩(wěn)定，其輸出功率由負(fù)荷側(cè)的需求決定（預(yù)先設(shè)定功率是50 kW）；在并網(wǎng)模式下，根據(jù)調(diào)度需要，決定向電網(wǎng)輸送有功功率30 kW，即逆變器輸出的總有功功率為80 kW，在0～3 s的仿真過程中，整個系統(tǒng)的功率輸出曲線如圖9所示，其中Ps2代表有功功率，Qs2代表無功功率。由圖可見，逆變器的輸出功率基本上也能穩(wěn)定在預(yù)期的范圍之內(nèi)。

圖9 輸出功率波形Fig.9 Waveforms of output power

4 結(jié)語

分布式發(fā)電逆變器并網(wǎng)時采用電流控制模式，而在獨立模式采用電壓控制模式，因而在模式切換過程中電壓控制器結(jié)構(gòu)會變化，從而引起暫態(tài)過電壓和電流的問題。本文在引入前饋控制的基礎(chǔ)上，提出電流外環(huán)、電壓內(nèi)環(huán)的控制策略，在模式切換時只需改變電壓控制參考值，因而有效解決由電壓控制器結(jié)構(gòu)變化引起的暫態(tài)沖擊電壓和電流。

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李建霖（1988—），男，碩士，助理工程師，研究方向為新能源分布式發(fā)電技術(shù)。Email：linmin418@foxmail.com

唐 欣（1975—），男，博士，教授，研究方向為新型高壓直流輸電、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email：csutangxin1@ 163.com

陳 勝（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電能質(zhì)量控制技術(shù)。Email：604512475@qq.com

中圖分類號：TM46

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-8930（2016）07-0007-05

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.002

作者簡介：

收稿日期：2014-09-12；修回日期：2015-12-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51577014）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2015B362）

Control Strategy for Seamless Switch of Outer Current and Inner Voltage

LI Jianlin1，2，TANG Xin1，CHEN Sheng1
（1.College of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410014，China；2.Zhuhai Wanlida Electric Automation Co.，Ltd，Zhuhai 519075，China）

Abstract：Overvoltage usually occurs when an inverter switches between stand-alone and grid-connected modes.This paper presents a control strategy for outer current and inner voltage to ensure the stability of switching control instruc?tion.At the same time，feed-forward control is introduced to reduce control error，and ultimately reduce the system tran?sition time and improve the quality of power supply voltage.Finally，a dual-mode power supply system is built based on electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC.Simulation results verify that the proposed strategy can effectively suppress the transient rush caused by the switching between modes of voltage control structure and realize seamless switch.

Key words：inverter；feed-forward control；transient rush；mode switching；seamless switch