光伏微网系统静态转换开关设计与实现

王镇道，赵亚魁，周齐家

(湖南大学物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082)

光伏微网系统静态转换开关设计与实现

王镇道，赵亚魁，周齐家

(湖南大学物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082)

通过使用静态转换开关（STS），实现光伏微网系统供电连续性和能量管理优化。针对STS的抗干扰能力和切换时间问题，改进了双向可控硅触发电路和dq变化法电压暂降检测方法，并设计了一个基于ST M 32F103V C的3.6 kW静态转换开关模块，改善了STS抗干扰能力，切换时间缩短至2.5m s。该静态转换开关已经成功应用于3.6 kW的光伏微网系统中。实验结果验证了电路的可行性。

静态转换开关（STS）；光伏微网；双向可控硅；电压暂降检测

近年来光伏微网技术被广泛关注，光伏微网的控制、保护以及能量管理调配[1-4]等已成为当今新能源领域的研究重点之一。但光伏发电量具有不确定性和不可控性，且受天气变化影响严重，不能满足用户对稳定电能质量[5]的需求与能量合理调配。而静态转换开关（static transfer sw itch）为电源自动切换开关，能解决光伏微网系统中谐波干扰、电压暂降、电压中断等问题，实现供电连续性和能量管理优化。

国内对STS的研究起步较晚，主要集中于切换策略、电压暂降检测算法[6]和STS系统评估。目前，市面上STS系统的切换时间一般是在4～8ms内。而STS受干扰的现象却一直无法避免，可能产生误动作，使得电源间产生环流现象，严重时甚至烧毁电路。文献[7]设计一种三重抗干扰晶闸管触发隔离输出电路，但电路只适用于单向可控硅，且元件参数匹配复杂。文献 [8-9]阐述一些新型的带LC谐振辅助换流电路的STS，大幅度缩短了STS的切换时间，但设计电路复杂，且LC等储能元件体积偏大，不便于在光伏微网系统中使用。

本文根据光伏微网系统能量管理[10-11]模式需求，设计了一个STM 32F103VCTb控制的3.6 kW静态转换开关模块，通过采用改进dq变换电压暂降检测法和对门极触发电路，改善了STS抗干扰能力，缩短了切换时间，确保了STS切换的快速性、准确性。该静态转换开关已经成功应用于3.6 kW的光伏微网系统中，实现太阳能发电和市电的切换。

1 光伏微网系统中的STS结构

光伏微网系统中，采用能量管理调配策略，实现光伏发电、市电、蓄电池组和负载用电的能量管理，在确保系统安全和蓄电池不过放的条件下，尽可能减小市电用电，实现光伏发电的最大利用。为了实现能量的调配和管理，需要STS，以实现太阳能、蓄电池供电(A路)和市电供电(B路)的切换。当太阳能和蓄电池足够时，由A路给负载供电，当不够且有市电时，由B路供电。另外，当某一路出现电压畸变、或A路过载等情形时，也需要通过STS进行供电回路切换。

STS的结构[12]如图1所示，由双向可控硅及其触发和检测电路、信号处理平台、旁路机械开关三部分组成。双向可控硅是STS的主功率部分，串联在电源与负载之间，通过控制触发信号，实现太阳能、蓄电池逆变回路和市电回路到负载供电的通断控制。信号处理平台采集A路、B路和负载的电压电流信号、并检测电压变化率。当检测到电压暂降、中断或者过功率的发生，迅速、可靠切换对负载的供电回路，以保证对负载供电的连续性和稳定性。同时，实现对两路触发信号的互锁处理，避免两路电源间的环流。机械开关仅在对模块进行维修时使用。

图1 STS模块结构框图

因此，STS的主要功能是在检测到需要切换供电回路时，迅速、可靠地实现切换，这就包括各路电压检测、负载端功率检测和可控硅的可靠触发。

2 光伏微网系统STS的设计

由于光伏、蓄电池供电经逆变后，相位与市电可能不一致，为避免两路供电电源间的环流，采用先断后通的切换方式。而不同负载允许的断电时间有所不同，为了满足敏感负荷对电压的要求，STS的切换时间必须在4ms以内[13]，才能保证供电的连续性，达到“无缝”安全切换的目的。STS的切换总时间为故障出现检测时间和双向可控硅触发切换时间之和。采用改进dq变换电压暂降检测法，迅速的检测电压暂降或中断，将切换时间缩短至2.5ms。

2.1 改进的dq变换电压暂降检测方法

为加快电压暂降的识别，针对dq变换法中主要存在的延时问题，在dq变换法中加入求导环节，用求导的方式构造出三相电压Ua、Ub、Uc，由于构造中没有经过延时，从而明显地加快了检测速度，提高了电压检测的实时性，而且克服了短时扰动现象。该方法通过对单相电压Ua求导，得到电压的余弦信号。设Ua=U sinωt，从而Ua'=Uωcosωt。根据三相电压的特点，利用Ua和Ua'构造的三相电压为：

变换因子中sinωt和cosωt是与检测电压扰动前电压的正、余弦信号。将所得的Ud、Uq电压中的直流分量Uda和Uqa提取出来，由式（1）得到由于实际检测计算的Uda和Uqa为已知量，故定义检测电压幅值瞬时值Usag和电压扰动的相位跳变角α的计算公式为：

利用MATLAB Simulink中的power system模块建立仿真模型，对幅值为320 V输入电源发生电压暂降现象进行仿真。电源故障波形和其基于改进dq变换法的幅值Usag检测波形如图2所示，图中设置0.07～0.13 s内电源发生电压暂降现象。STS以暂降幅值的80%作为启动阈值，采用普通方法的电压幅值暂降检测所用的时间在2ms左右，而改进法所检测到的幅值从发生暂降到下降到80%只需0.2ms，虽然低通滤波器会给仿真带来一定的延时，但总体来说改善了电压暂降检测的准确性和实时性[14]。

图2 Ua故障波形和改进dq变换法的幅值Usag检测波形

而实际电路应用中，检测出的扰动电压量Ua是离散的数字量。因此，对采样的数字量求差分来代替求导，Ua的差分可表示为当采样周期T较小时，用T代替Δt，故，整理后可得，所产生的误差为：

由式（4）可见，导致的误差不随时间而变化，仅与采样频率有关，采样频率越大，误差越小[15]。

2.2 可控硅触发电路设计

双向可控硅因具有门极过零关断的特性，使双向可控硅导通后，即使在门极触发电流不存在时，也会继续维持导通，直到双向可控硅的电流下降到维持电流（接近于零的一个数值）以下，才能关断。由于集成电路设计工艺的局限，可控硅的过零触发电路输出端不可避免的存在如图3所示寄生电容。图中R2、C和R3构成高通滤波电路。开关动作、电网波动、逆变电磁干扰等造成的谐波干扰，可能通过寄生电容耦合，进入过零触发电路，从而产生触发电流，造成双向可控硅误触发。

图3 双向可控硅驱动电路

低通滤波器是解决谐波干扰的有效办法。在由寄生电容构成的高通滤波电路的前级串联一级RC低通滤波，可以有效地解决开关动作和电网波动造成的谐波干扰问题。而在R4与R2之间串联一个磁珠，对电磁干扰有着很好的抑制效果。在低频段，阻抗由电感的感抗构成，磁芯的磁导率较高，电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制；在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。图4为改进的双向可控硅触发电路，R4、C2与L构成的高频吸收网络，当出现谐波干扰时，高频谐波信号被R4与C2回路滤除掉，而电磁干扰信号能被磁珠有效吸收，剩余的低频信号无法通过电容值很小的寄生电容C对可控硅触发端产生触发电流信号，从而有效避免了谐波造成可控硅误触发的现象。

图4 改进的双向可控硅触发电路

图5 谐波干扰时双向可控硅触发信号与负载波形图

图5为双向可控硅输入端出现谐波干扰时，触发电路改进前后的波形图，CH1为触发信号，每格1 V，CH2为负载端电压，每格100 V，时间轴每格5ms。如图所示，当出现谐波干扰时，触发电路改进前，通过寄生电容耦合，双向可控硅触发端产生了触发电流，致使双向可控硅导通，负载端出现小于半个周期的端电压；触发电路改进后，高频吸收网络有效地滤除了谐波干扰，从而双向可控硅触发端没有出现耦合触发信号，有效地防止了由于谐波干扰造成的双向可控硅误触发，避免了两路电源间的环流现象。

3 STS实现及实验结果

模块采用了高性能的微处理器芯片STM 32F103VCTb作为模块采样控制核心，保证了采样精度和实时性，采用改进的dq变换法，迅速检测出采样电压的幅值并进行对应的切换处理。

改进的双向可控硅触发电路中，由于增加了谐波吸收网络，故触发电路的触发信号相应的会出现相位滞后，与改进前电路的相位差为θ=arctan(ωR4C2)。经过实验和仿真后，选取了R4=1.2 kΩ，C2=10 nF，R2=50Ω，R3=330Ω，磁珠为10Ω的铁氧体片式磁珠，双向可控硅选择了峰值电流为 40 A的BTA41-600b，满足了功率需求。并依照这些参数，基于saber软件对改进双向可控硅触发电路触发端进行AC分析，仿真图形如图6所示。结果表明，在频率为50 Hz时，相位几乎没有出现滞后，且增益曲线中的最大值都低于－30 dB，有效地解决了相位滞后和谐波干扰等问题。

设计的3.6 kW的静态转换开关模块已成功应用于3.6 kW的光伏微网系统中，实现系统逆变器供电和市电供电切

图6 双向可控硅触发电路触发端AC分析

换。图7为发生故障时STS的切换波形图，时间轴为每格5 ms。如图所示，切换前为太阳能或蓄电池经逆变供电，切换后为市电供电，切换点为时间轴5ms处，STS的切换时间均在2.5ms内，符合“无缝”安全切换的要求。

图7 电源故障时S T S切换波形图

4 总结

本文设计了一个基于改进dq变换电压暂降检测法和改进双向可控硅驱动电路的静态转换开关模块。与以往的STS系统不同，该模块抗谐波干扰能力强，避免了可控硅误触发现象，且缩短了切换时间，使得STS在2.5ms内实现自动切换，达到“无缝”安全切换的目的。模块电路简单可靠，成本低，现已成功应用于3.6 kW的光伏微网系统中。

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Design and implementation of static transfer sw itch in photovoltaic m icro-grid system

WANG Zhen-dao,ZHAO Ya-kui,ZHOU Qi-jia
(School of Physicsand M icroelectronics Sciences,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

By STS (static transfer switch),photovoltaic micro-grid system for continuous power supplement and energy management optimization was realized. Focusing on the problem of STS anti-jamming capability and switching time, approaches were proposed to meliorate the trigger circuit for silicon controlled rectifier anddq transformation method of voltage sag detection.Based on the analysis,a 3.6 kW static transfer switch module with STM32F103VC controller was designed,and was applied to a 3.6 kW photovoltaic micro-grid system successfully. The STS anti-interference ability was effectively improved, and the switching time was reduced to 2.5 ms. Experiment results ultimately verify the correctness of the model.

static transfer switch;photovoltaic micro-grid;triac;voltage sag detection

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-2009-03

2013-04-18

湖南省科技计划资助项目(2012FJ4264)；湖南大学青年教师成长计划资助项目

王镇道(1974—)，男，湖南省人，博士，副教授，主要研究方向为数字系统设计。