2012 年 2 月电工技术学报 Vol.27 No. 2 第 27 卷第 2 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2012 三相并网 / 独立双模式逆变器控制策略研究 蒋冀段善旭陈仲伟 ( 华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室武汉 430074) 摘要 提出了一种使三相并网 / 独立双模式逆变器 (TDMI) 在复杂电网故障情况下能够平 滑切换和电网正常时具有很好并网性能的控制策略 针对采用 LC 型滤波器的三相并网 / 独立双 模式逆变器, 提出了一种新的基于 abc 坐标系控制的切换方法, 有效减小了基于 dq 坐标系控制 的切换过程易产生电压电流冲击的问题, 对于严重电网故障也具有良好的切换性能, 实现了双 模式运行的平滑切换 ; 采用了并网模式下引入电容电流补偿的电感电流闭环控制和独立模式下 采用电容电压外环电感电流内环的控制方案, 保证了逆变器在并网模式和独立模式下都具有很 好的控制性能 仿真结果证明了该控制方案的有效性和切换方法的可行性 关键词 : 三相并网 / 独立双模式逆变器电容电流补偿基于 abc 坐标系控制的切换方法 平滑切换 中图分类号 : TM464 Research on Control Strategy for Three-Phase Double Mode Inverter Jiang Ji Duan Shanxu Chen Zhongwei (State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic and technology Abstract Science and Technology Wuhan 430074 China) Huazhong University of This paper proposes a control strategy which makes three-phase double mode inverter(tdmi)transfer seamlessly in complicated grid fault conditions and has a good performance in grid-tied condition when grid is normal. This paper studies the problem of TDMI which uses a LC filter, proposes a new transfer method based on controller in abc coordinates which reduce transient problem caused by controller based on dq coordinate and make transfer seamlessly. It chooses a close loop control of inductire current compensated by capacitor current in grid-tied mode and double feedback loop of capacitor voltage and current in stand-alone mode for inverter with a good property in these two modes. The simulation results show the validity of propose control strategy. Keywords:Three-phase double modes inverter, compensation of capacitor current, transfer method based on controller in abc coordinate, seamless transfer 国家 973 计划资助项目 ( 2010CB227206) 收稿日期 2010-11-01 改稿日期 2011-04-19 1 引言随着可再生能源尤其是风能 太阳能的快速发展, 微网系统将在电力系统中发挥越来越重要的作用 为了使微网系统能够工作于并网运行和独立运 行两种状态且具有较好的切换过程, 双模式逆变器的研究正受到众多学者的关注 [1] 文献[2-6] 针对单相系统提出了相应的控制策略, 取得了较好的切换效果 三相双模式逆变器的切换由于三相电流没有共同的过零点, 因此切换复杂且易产生冲击 文献 [7-9] 提出了针对采用 LCL 型滤波器的双模式逆变器的控制策略, 其中 C 的取值需要兼顾并网运行与独立运行且没有很好的补偿方法, 控制系统的设计
第 27 卷第 2 期蒋冀等三相并网 / 独立双模式逆变器控制策略研究 53 也相对复杂 文献 [10-11] 研究了采用 LC 型滤波器的双模式逆变器的控制策略, 文献 [10] 采用并网模式下电感电流单环控制, 独立模式下电容电压外环电感电流内环控制, 并网开关采用了接触器, 切换过程考虑了电网停电故障时的切换问题 文献 [11] 采用并网模式下并网电流单环控制, 独立模式下电容电压外环电流内环控制, 并网开关采用双向晶闸管, 切换过程采用强制换流切换方法加快并网开关的断开速度, 但没有提及单相短路等三相不平衡电网故障条件下如何有效应用 本文研究了一种适用于采用 LC 型滤波器的三相双模式逆变器的控制策略, 包括并网模式控制器 独立模式控制器和切换控制方法 并网模式下采用引入电容电流补偿的电感电流闭环控制, 独立模式下采用电容电压外环电感电流内环控制, 有效解决了逆变器在并网时由于滤波电容存在导致并网电流 THD 较大和功率因数不为 1 的问题 ; 切换控制采用一种新的基于 abc 坐标系控制的切换控制方法, 提高切换性能的同时使逆变器的切换能够在电网单相断路短路等严重故障情况下正常进行 结果表明该控制策略实现了一种具有很高稳态控制性能和平滑切换能力的三相双模式逆变器 2 并网 / 独立运行模式控制器设计本系统的主电路拓扑如图 1 所示, 直流侧为蓄电池与电容并联, 能够贮存和释放能量 ; 功率开关器件 VT 1 ~VT 6 构成三相 PWM 半桥逆变器 ; LC 为滤波器, r 为逆变器等效阻抗 ; S 1 ~S 3 为由双向晶闸管构成的并网开关 ; R 为本地负荷 进行两种运行模式的转换时进入切换过程, 根据转换目标又分为脱网过程和并网过程, 分别表示逆变器由并网模式转入独立模式运行和由独立模式转入并网模式运行 采用 LC 型滤波器的双模式逆变器可工作在并网和独立两种状态, 但并网条件下的滤波电容会造成并网电流与电网电压不同相, 从而对电网造成污染, 但可以通过电容电流补偿解决这一问题 [12] 2.1 电容电流对并网电流的影响在并网状态下逆变器的单相等效电路如图 2a 所示 图中 u r 为逆变器输出电压, u c 为电容两端电压,u g 为电网电压 ; L R 为逆变器滤波电感及等效阻抗, C R L 为滤波电容和本地负载 ; L g 和 R g 为电网等效感抗和阻抗, 这两个数值由具体的电网和线路决定, 通常是未知的, 如果连接的是理想电网, 则 L g 和 R g 均为零 ; 电网采样电压为电容两端电压 u c 对于采用 LC 滤波器的并网逆变器, 一般采用大电感 小电容的参数设计原则, 以获得较好的电流控制特性, 控制过程忽略电容电流对并网电流的影响, 直接控制电感电流 由于双模式逆变器还要工作在独立运行状态, 为保证电压波形质量, 其 C 的取值不能太小, 再加上本地负载电流的影响, 采用控制电感电流近似并网电流的方法已经不能满足并网要求 假设控制器能够控制电感电流 i L 与电网采样电压同相位, 其电压和电流的相量图如图 2b 所示 (a) 并网状态下的单相等效电路 图 1 三相双并网 / 独立双模式逆变器结构框图 Fig.1 Main circuit of TDMI 双模式逆变器有并网模式 独立模式和切换过程 3 个工作状态 电网正常时逆变器工作于并网模式, 此时并网开关闭合, 逆变器作为电流源型的并网逆变器运行, 输出满足并网要求的并网电流 ; 电网故障或系统调度时逆变器工作于独立模式, 此时并网开关断开, 逆变器作为电压源型的逆变电源运行, 输出满足本地负荷要求的电压 ; 当逆变器需要 (b) 电压和电流相量图图 2 并网状态下的单相等效电路和相量图 Fig.2 Single phase equivalent circuits and vector diagram of grid-tied mode 若电网为理想电网且不考虑电容电流的影响, 则 u c 与 u g 同相,i c 与 i g 同相, 即控制电感电流即可实现控制并网电流的目的 ; 若电网为非理想电网, 则存在相量 u zg 使得 u g 滞后于 u c, 通常 L g 和 R g 是
54 电工技术学报 2012 年 2 月 一个很小的数值, 因此滞后的角度 也很小 ; 若考虑电容电流和本地负载电流的影响, 则并网电流 i g 会滞后于 u c 一定角度, 其数值由式 (1) 决定, 式中电流都是有效值, 电网电压近似等于电容电压 由式 (1) 可见, 当 i g 确定时, 电容值的增大会导致角度 的增大 ; 当 C 确定时,i g 减小会导致角度 的增大 Ic uc C arctan arctan (1) I I u C I L RL 2.2 并网模式控制器并网模式下采用带电容电流补偿的电感电流环来达到间接控制并网电流的目的, 控制器的设计基于 dq 坐标系 对于接入含有谐波的电网且带有确定本地负荷的双模式逆变器, i c 和 i R 中也存在谐波, 导致并网电流 THD 和功率因数不能满足并网要求, 因此需要加入补偿后给定并网电流指令 i * gd, 加入电容电流和负载电流的补偿获得电感电流指令, 当负载确定时, 可以获得补偿函数的表达式 1 Gi d ( s) Gi q ( s) Cs (2) R 补偿函数与电网电压的乘积即为补偿指令, 与并网电流指令相加构成了电感电流的指令 i * Ld, 该指令与反馈信号的差值送入电流控制器得到逆变器交流侧电压的指令值 u * rd, 经过电网电压前馈补偿和解耦补偿后, 指令送入逆变器实现对电感电流的控制 系统的闭环传递函数为 c G kips kii Gi ( s) 2 Ls ( k r) s k ip ii (3) 式中,k ip 与 k ii 分别是电流控制器的 PI 参数 将 k ip =31.12,k ii =176805,L=3mH,r=0.05 代入式 (3), 得到图 3 所示闭环传递函数的幅相曲线 图 3 并网控制器的闭环幅相曲线 Fig.3 System close loop Bode plot in grid-tied mode 2.3 独立模式控制器独立模式下采用电感电流内环与加电容电压瞬时反馈外环的双闭环控制方式, 控制器的设计基于 dq 坐标系, 电流内环扩大逆变器控制系统的带宽, 使得逆变器动态响应加快, 非线性负载适应能力加强, 输出电压的谐波含量减小, 保证负载供电质量 同时电感电流内环的存在使得逆变器作为电压源运行时具有了限流保护功能, 同时减少了切换过程中的电流冲击 系统的闭环传递函数为 G ( k s k )( k s k ) Up Ui Ip Ii u ( s) 4 3 2 LCs ( rc CkIp ) s (1 kupkip CkIi ) s ( kupkii kipkui ) s kuikii (4) 式中,k Up 和 k Ui 是电压控制器的 PI 参数 ;k Ip 和 k Ii 是电流控制器的 PI 参数 将 k Up =0.48, k Ui =332.6,k Ip =31.12,k Ii =175114 代入式 (4), 得到如图 4 所示的闭环传递函数幅相曲线 图 4 表明双闭环系统基波闭环增益接近 1, 系统稳态性能非常好 Fig.4 图 4 独立控制器的闭环幅相曲线 System close loop Bode plot in stand-alone mode
第 27 卷第 2 期蒋冀等三相并网 / 独立双模式逆变器控制策略研究 55 3 切换控制器设计 3.1 切换控制方法为了使逆变器具有很好的动静态性能, 通常选用基于 dq 坐标系的控制器进行并网模式和独立模式的控制 并网开关选择为双向晶闸管以获得较快的响应速度和较小的通态损耗, 由于晶闸管必须在电流过零时才能关断, 这导致脱网过程中三相并网开关不能同时关断 如图 1 所示, 三相半桥逆变器可以等效为 3 个单相半桥逆变器的组合, 当某一相的并网开关断开时, 该相控制对象发生变化使得 3 个单相进入不对称的状态, 因此需要不对称的控制量输出以达到较好的控制效果, 减小切换过程的电压电流冲击 由于基于 dq 坐标系控制器产生的控制量是三相对称的, 并且两个轴控制量间的耦合对于切换也容易产生不利影响, 不能满足平滑切换的要求, 因此在切换过程中引入基于 abc 坐标系建立的控制器 该控制器由 3 个单相控制器构成, 分别给出三相对称的给定, 再由实时监测的三相反馈量构成闭环控制系统, 控制器参数的选取与基于 dq 坐标系的控制器相同, 在切换过程中可以输出三相不对称的控制量来减小电压电流的冲击 控制系统原理如图 5 所示 三相双模式逆变器的控制系统包含 A~D 4 个独立的控制器和两个控制信号 COORDI MODE 以及两个状态标志 FLAG_grid FLAG_switch A~D 控制器分别代表基于 dq 坐标系和 abc 坐标系控制的并网模式控制器和独立模式控制器 ; 控制信号为表示控制器基于 dq(abc) 状态的 COORDI 和表示控制器并网 ( 独立 ) 模式的 MODE; 状态标志为表示电网是 ( 否 ) 正常的 FLAG_grid 和表示并网开关是 ( 否 ) 闭合的 FLAG_switch, 分别用 1 和 0 表示两种情况 状态标志通过检测三相电网电压和并网电流得到, 通过控制相应的控制逻辑决定了控制标志的取值, 控制标志决定控制系统工作于哪一个控制器和是否进行控制器的切换 图 5 控制系统原理图 Fig.5 Schematic diagram of control system of TDMI 3.2 切换过程假设初始时刻电网处于正常工作状态, 并网开关闭合, 则从电网故障导致逆变器脱网到电网恢复逆变器再并网的切换过程为 : (1) 并网模式下 dq 控制器切换到 abc 控制器 t 0 时刻开始电网处于正常状态且并网开关闭合, 逆变器控制系统工作于基于 dq 坐标系的并网模式控制器, 通过电容电流补偿控制的加入, 即使在接入含有谐波的电网情况下系统依然具有很好的控制性能 在 t 1 时刻电网发生故障, t 2 时刻控制系统检测到该故障, 电网状态标志 FLAG_grid 置零同时给出坐标切换信号 COORDI 和并网开关关断信号, 将电网电流的给定置零以加速电网电流的过零, 控制系统切换到基于 abc 坐标系的并网模式控制器, 以此减少 t 2 时刻至三相开关全部关断期间的电压电流冲击 (2) 基于 abc 坐标系的并网模式控制器切换到独立模式控制器 在逆变器处于并网模式时, 需要将电压控制器的误差输入置零, 保证控制器输出不会饱和, 防止出现电压冲击 此阶段控制系统等待三相并网开关全部关断, t 3 时刻状态标志 FLAG_switch 被置零后给模式切换控制信号 MODE, 使电感电流的指令由经过补偿的 i * gd 变为电压控制器的输出, 同时也将电压控制器的输入变为负载电压给定 u * cd 与电压反馈 u cd 的差值, 这样即完成了并网模式向独立模式的转换 负载电压给定的幅值设置为负载额定电压, 以保证敏感负载受电网故障的影响最小, 相位由自身制定的正弦表查询得到, 为了使电压的过渡尽量平滑, 切换后相位延续并网模式时的相位 (3) 独立模式下 abc 控制器切换到 dq 控制器 t 4 时刻控制系统已经稳定工作于独立模式, 此时给出坐标控制信号 COORDI, 令系统重新回到基于 dq 坐标系建立的独立模式控制器, 以获得良好的负载电压, 为重新接入电网做好准备
56 电工技术学报 2012 年 2 月 (4) 基于 dq 坐标系的独立模式控制器切换到并网模式控制器 t 5 时刻系统检测到电网已经恢复, 在 t 6 时刻逆变器得到微网给出的并网指令, 首先调整负载电压的幅值和相位与电网相同, 满足上述条件后给出并网开关的开通信号和模式切换信号, 将电感电流的给定由负载电压给定 u * cd 与电压反馈 u cd 的差值变为经过补偿的 i * gd, 为实现并网电流的平滑过渡, 切换后的电网电流指令置零, 在模式切换后逐步调整并网电流到系统期望值 [2] 由于双向晶闸管的开通条件仅为驱动信号为高, 因此在独立模式转换为并网模式的过程中不存在三相并网开关不同步动作的问题 (a) 接入理想电网的并网电流波形 4 三相双模式逆变器仿真研究 为了对所提控制策略进行验证, 使用 Matlab 仿真平台构建了三相双模式逆变器系统 仿 真参数如下表所示 表 三相双模式逆变器仿真参数 Tab Parameters of simulation 参 数 取 值 额定功率 /kw 5 直流电压 /V 360~390 直流母线电容 / F 4700 电网线电压 /V 110 滤波电感 L/mH 3 滤波电容 C/ F 30 本地负荷 R 20 开关频率 /khz 10 图 6 和图 7 分别为系统稳定工作于并网模式和独立模式时的控制效果图, 其控制器是基于 dq 坐标系建立的 图 6a 是双模式逆变器在接入理想电网运行时的控制效果图, 图中显示的是三相并网电流, 其 THD 约为 1%, 测量其输出的有功功率和无功功率可以得到其功率因数约为 1 图 6b 是双模式逆变器接入含有谐波的电网时的电网电压 并网电流和电感电流波形, 其中电网电压含有较大的三次和五次谐波, 总 THD=6.5%, 并网电流 THD=1.31%, 其功率因数大于 0.99 图 7 是双模式逆变器独立运行状态的负载电压波形, 其 THD 仅为 0.2% (b) 接入含谐波电网的并网电流波形图 6 并网电流波形 Fig.6 Waveforms of grid current 图 7 双模式逆变器独立运行时负载电压波形 Fig.7 Waveforms of load voltage in stand-alone mode 图 8 所示为各种电网故障情况下脱网过程的切换波形, 图中显示了电网电压 并网电流和电容电压即负载电压的波形 其中图 8a 为电网三相对称电压跌落故障情况下的切换波形, 从检测到电压跌落到负载电压恢复的切换时间为 3ms, 负载电压没有冲击 ; 图 8b 为电网三相电压瞬时为零故障情况下的切换波形, 切换时间为 7ms, 负载电压没有冲击 ; 图 8c 为电网单相短路故障情况下的切换波形, 切换时间为 10ms, 负载电压有 10% 的冲击 ; 图 8d 为电网两相短路故障情况下的切换波形, 切换时间为 5ms, 负载电压有 25% 的冲击 ; 图 8e 为电网
第 27 卷第 2 期蒋冀等三相并网 / 独立双模式逆变器控制策略研究 57 单相断路故障情况下的切换波形, 切换时间为 3ms, 切换瞬时负载电压有 2.6 倍的冲击 (d) 电网两相短路时的切换波形 (a) 电网三相对称电压跌落时的切换波形 (e) 电网单相断路时的切换波形图 8 电网故障情况下控制器切换波形 Fig.8 Waveforms of transfer in grid fault condition 图 9 为逆变器在独立运行模式时由 abc 坐标系控制器切换到 dq 坐标系控制器的电压波形, 切换时间为 2ms, 切换过程无冲击 图 10 为电网恢复后逆变器重新并网的切换波形, 切换时间为 2ms, 切换过程无电压和电流冲击 (b) 电网三相电压过零时的切换波形 (c) 电网单相短路时的切换波形 Fig.9 图 9 独立模式下控制器切换时电压波形 Voltage waveforms of transfer in stand-alone mode Fig.10 图 10 控制器转换波形 Single-phase waveforms of transfer from stand-
58 电工技术学报 2012 年 2 月 alone mode to grid-tied mode 5 结论针对采用 LC 型滤波器的三相并网 / 独立双模式逆变器存在的稳态性能难以保证和切换过程容易产生冲击的问题, 设计了一套完整的控制策略, 提出了一种新的基于 abc 坐标系控制的切换控制方法, 实现了在各种复杂电网故障情况下的切换, 有效减小了切换过程的电压电流冲击 ; 采用了并网模式下引入电容电流补偿的电感电流闭环控制和独立模式下电容电压外环电感电流内环控制的控制方案, 获得了良好的并网和独立控制性能 仿真分析表明了上述控制策略的可行性 参考文献 [1] 王成山, 肖朝霞, 王守相. 微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略 [J]. 电工技术学报, 2009, 24(2): 100-107. Wang Chengshan, Xiao Zhaoxia, Wang Shouxiang. Multiple feedback loop control scheme for inverters of the micro source in microgrids[j]. Transactions of China Electrontechnical Society, 2009, 24(2): 100-107. [2] Tirumala R, Mohan N, Henze C. Seamless transfer of grid-connected PWM inverters between utilityinteractive and stand-alone modes[c]. Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002, 2: 1081-1086. [3] Yao Zhilei, Xiao Lan, Yan Yangguang. Seamless transfer of single-phase grid-interactive inverters between grid-connected and stand-alone modes[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(6): 1597-1603. [4] 王赞, 肖岚, 姚志磊, 等. 并网独立双模式控制高性能逆变器设计与实现 [J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(1): 54-59. Zan Wang, Xiao Lan, Yao Zhilei, et al. Design and implementation of a high performance utilityinteractive inverter[j]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(1): 54-59. [5] Gu Herong, Yang Zilong, Wang Deyu, et al. Seamless transfer of grid-connected PWM inverters between utility-interactive and stand-alone modes[c]. Proceedings of the IEEE Power Electronics and Motion Control Conference, 2006: 1-5. [6] 过亮, 许爱国, 谢少军. 间接电流控制独立 / 并网双模式逆变器研究 [J]. 电力电子技术, 2008, 42(4): 36-38. Guo Liang, Xu Aiguo, Xie Shaojun. Research on indirect current control algorithm for grid-connected inverter[j]. Power Electronics, 2008, 42(4): 36-38. [7] Teodorescu R, Blaabjerg F. Flexible control of small wind turbines with grid failure detection operating in stand-alone and grid-connected mode[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(5): 1323-1332. [8] Fatu M, Tutelea L, Teodorescu R, et al. Motion sensorless bidirectional PWM converter control with seamless switching from power grid to stand alone and back[c]. Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2007: 1239-1244. [9] Huang Shengli, Kong Li, Xu Haiping. Control algorithm research on seamless transfer for distributed resource with a LCL filter[c]. Proceedings of the IEEE Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, 2008: 2810-2814. [10] 杨子龙, 伍春生, 王环. 三相并网独立双模式逆变器的设计 [J]. 电力电子技术, 2010, 44(1): 14-16. Yang Zilong, Wu Chunsheng, Wang Huan. Design of three-phase inverter system with double mode of grid-connection and stand-alone[j]. Power Electronics, 2010, 44(1): 14-16. [11] Lei Qin, Yang Shuitao, Peng Fang Z. Multi-loop control algorithms for seamless transition of gridconnected inverter[c]. Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2010: 844-848. [12] 刘飞. 三相并网光伏发电系统的运行控制策略 [D]. 武汉 : 华中科技大学, 2008. 作者简介 : 蒋冀男,1985 年出生, 硕士研究生, 研究方向为分布式发电与储能系统控制方法 段善旭男,1970 年出生, 教授 博士生导师, 研究方向为新能源发电与电能质量控制.