低压微电网中并网逆变器的工程实现

2014-07-25吴冬春阚加荣吴云亚顾春雷王昆凡

电源技术 2014年10期

关键词：计时器锁相环工频

吴冬春，阚加荣，吴云亚，顾春雷，王昆凡

（盐城工学院，江苏盐城224051）

低压微电网中并网逆变器的工程实现

吴冬春，阚加荣，吴云亚，顾春雷，王昆凡

（盐城工学院，江苏盐城224051）

逆变器侧电流反馈具有稳定性强、单闭环控制、参数设计简单和系统成本较低的优点，但是它属于电网电流间接控制，导致并网功率因数较低，并且电网电流中还包含由电网电压引起的低次谐波电流。为保留其优点并克服其缺点，提出了一种适用于逆变器侧电流反馈LCL并网逆变器的完全电网电压前馈控制策略，该策略能完全消除电网电压对电网电流的影响，并且并网功率因数得到了很大的提升。该控制策略在工程实现的过程中，任何一个环节上出现的误差都会导致并网电流波形质量的下降。结合在工程实践中遇到的问题，主要从锁相环、工频周期的检测和逆变器输出电压频率的调节方面提出了改进措施。实验结果表明，所提控制策略正确，工程实现改进措施有效。

并网逆变器；LCL滤波器；低次谐波电流；电网电压前馈；工程实现

化石能源危机使得分布式发电(DG)并网技术越来越受到重视，但是由于其分散性，难以将它们综合进行管理，增加了不确定因素，降低了发电效率。而微电网是从系统的角度将多台DG与负载组成单一的可控单元，只有一个接口与大电网相连[1]。与单个DG相比，微电网更能充分发挥DG的各项优势，实现大规模并网，同时向用户提供不间断电源(UPS)服务。

由于微电网包含本地负载，不论电网供电是否正常，都要对微电网范围中的敏感负载持续供电，即微电网运行有并网运行模式和孤岛运行模式[2-3]。微电网中，作为连接分布式发电装置与交流电网接口的逆变器主要有三种控制方式：直接电流控制方式[4-5]，直接功率控制方式[6-7]，间接电流控制方式（即频率/幅值调节方法）[8-12]。为了获取较好的电网电流和较快的暂态响应，在并网运行模式下，逆变器常采用直接电流控制方式或者直接功率控制方式，但是逆变器在孤岛运行模式下必须采用电压控制方式，逆变器在控制方式转换过程中必须要解决无缝切换的问题，这给控制增加了很大的困难。由于间接电流的并网控制中，逆变器采用电压控制方式，从而负载电压能够实现在不同并网模式下的平滑转换，其中频率和幅值下垂控制[11-12]以其无互联控制线的优点而受到研究人员的青睐。

采用下垂控制时，在并网运行模式下需要检测电网频率作为逆变器的参考频率，因此该频率的检测精度直接决定了控制效果，但是由于处理信号的模拟器件参数存在温漂以及电子开关引起的电磁干扰的影响，该检测值存在很大的波动，这相当于对系统引入了扰动。下垂控制的内容之一就是对逆变器输出电压频率的调节，频率调节的精度也直接影响到控制的效果。采用复杂的控制方法可实现较高精度的控制，但会造成控制可靠性的降低，所以工程上往往采用最基本的控制方法。因此，为保证控制精度，工程上必须保证检测量和可调节参数的精度。

关于并网逆变器在工程实现方面的参考资料较少，本文在实验调试的过程中，基于TMS320F28335DSP提出了快速锁相环、高精度电网电压频率检测方法和逆变器输出电压频率调节方法。实验结果证明所提方法正确、有效。

1 下垂控制并网逆变器基本原理

图1 并网逆变器等效电路

图2 逆变器双闭环控制策略

瞬时电流内环、电压外环控制的电压型逆变器可以等效为一个受控电压源与逆变器等效输出阻抗相串联，因此，单相全桥型逆变器作为并网接口装置的等效电路如图3所示。图3中，+为逆变器等效输出阻抗与逆变器、电网之间线路阻抗之和。

图3 并网逆变器等效电路

图4给出了并网逆变器单位功率因数时电压电流的矢量图。下面从不同的角度来描述图3所示的并网逆变器等效电路。

图4 单位功率因数时的矢量图

根据图3中所示各量，得进网电流为：

在电流环积分参数较大时，逆变器等效输出阻抗中阻性分量很小，且由于逆变器与电网间串接的电感，可近似认为≈0。则进网的视在功率大小为：

其中：对式(3)进行微分，得：

在时间内，逆变器和电网之间的相位差变化为：

将式(7)代入式(6)，得：

同理对式(4)进行微分可得：

从式(8)和式(9)可以看出，调节逆变器的频率可以调节电网吸收的有功功率，调节逆变器的幅值就可以调节电网吸收的无功功率。因此，目前电压控制型并网逆变器常用的一种控制方法就是下垂控制法，采用的控制方程和示意图如式(10)和图5所示。

图5 逆变器并网下垂控制示意图

根据式(10)可知，并网逆变器能够实现有功功率和无功功率基准值的跟踪。基于以上分析，提出了基于下垂的有功调节逆变器频率、无功调节逆变器幅值的电压控制型并网逆变器方案，整体系统框图如图6所示。

图6 电压控制型并网逆变器系统框图

图6中，在逆变器并网以前，首先通过锁相环(PLL)使逆变器相位跟踪上电网电压，两者相位差在允许范围内时，闭合开关S。由电网电压和进网电流计算出逆变器向电网输出的有功功率和无功功率，将这两个量分别作为有功功率下垂和无功功率下垂的反馈量，而这两个闭环的基准*和*则由对前级Boost电路输出电压的控制得到逆变器电压基准所需补偿的频率Δ和幅值Δ，将Δ和Δ与检测到的电网电压频率和幅值相加，就得到逆变器基准电压的频率和幅值，经正弦波发生器就可以得到逆变器基准电压的基波ref。为使逆变器具有较快的动态特性，逆变器采用电感电流瞬时值内环、输出电压外环的控制方式。本系统的控制全部在DSP中实现。

2 电压控制型并网逆变器方案的工程实现

在图6所示的控制框图中，任何一个环节的误差都会导致并网电流波形质量的下降，本文结合在工程实践中遇到的问题，主要从锁相环、工频周期的检测和逆变器输出电压频率的调节进行说明。

2.1 基于基准相位的锁相环

在静态开关S闭合实现逆变器并网之前，必须保证逆变器输出电压的相位接近电网电压的相位，然后再通过下垂控制实现逆变器的并网控制。在两者相位差较大的情况下，直接闭合S会导致较大的冲击电流，甚至损坏系统。为保证系统稳定可靠地实现并网，必须保证锁相环的精度和稳定性。传统锁相环采用如图7所示的控制方法。检测电网电压和逆变器之间的相位差，根据该相位差实现对逆变器输出频率的调节，保证逆变器输出电压平滑，但是该方法中需要检测两个信号的相位，从而得到电网电压和逆变器输出电压之间的相位差。

图7 传统锁相环控制示意图

采用DSP控制时，逆变器电压的基准值是存放在数组中的多个数，例如本文采用TI公司生产的TMS320F28335，时钟频率150 MHz，逆变器开关频率为15 kHz，载波为连续增减计数模式的计时器，其周期为5000，每个载波周期实现两次调制信号的计算，即逆变器输出电压的基准值总共有600个数据，则每两个数据之间的相位差为0.6°，这个相位差完全能适应锁相精度的要求。

本文中，逆变器的控制方式采用电感电流内环、输出电压外环，在设计电压和电流闭环控制参数时，必须保证逆变器的输出电压紧紧跟随基准值的变化，即逆变器输出电压的相位与其基准值相位基本相同。因此，只要检测电网电压的相位，并将该相位值与逆变器电压基准值的位置相比较，就能够得出两者之间的相位差，具体的锁相环实现流程如图8所示。

图8中，Deg(sin)为基准正弦表的序号，在0＜Deg(sin)＜5时，可以认为电网电压与逆变器输出电压之间相位差很小，足以保证并网时系统的安全。

图8 改进锁相环控制示意图

2.2 工频周期高精度电网频率检测

电网频率的检测是通过将电网电压检测到的交流信号转换成方波信号，然后通过DSP的信号捕获端口(ECAP)实现频率值的检测。图9为正弦信号转换为方波信号的电路图。图9中，经运放芯片U8A实现对电网电压的跟随，比较器芯片U11实现正弦信号的过零比较，就可以将正弦信号转变为方波信号，反相器芯片U10B、U10C将有一定上升沿坡度的信号整形，得到上升沿陡峭的方波信号。

图9 交流信号转变为方波信号的电路图

将图9中ECAP1信号连接至DSP的捕获端口，则捕获端口在第一次检测到上升沿时启动DSP的计时器，在捕获端口第二次检测到上升沿的时刻记录下计时器的数据，就可以得到方波信号的周期，从而得到电网电压的周期和频率值。但是由于图9中模拟电子器件存在温漂等一系列影响参数特性的因素，因而每次检测到的频率值会存在一定的误差，从式(10)可以看出，电网频率值检测不准确直接影响到逆变器输出功率的大小，造成输出功率随检测值的变化而变化。

通过实验发现，虽然检测到的电网频率值存在较大波动，但是有一个明显的特征，就是频率的波动存在一定的规律，即波动基本上在电网电压频率的上下按照一次大、一次小的规律，如果将几次（本文编程时选择8次）检测到的频率值求平均，那么得到的电网电压平均值基本稳定。但随之而来的问题是，如果每8个工频周期得到1个电网电压的频率值，那么在电网频率变化时，就不能及时检测出电网电压的变换，因此，本文提出一种新的检测电网频率值的方法，具体流程如图10所示。

图10中，per_a存放8次检测到的电网电压的周期值之和，deg_cap为检测电网电压周期的序号，范围为0～8，per_i [deg_cap]存放本次检测到的电网电压的周期值，ECap2Regs. CAP1为DSP的ECAP模块在检测到信号上升沿时得到的电网电压周期值相关的一个数据，per_b将per_a的值除以8，即得到8次电网电压周期的平均值。在实验过程中，per_a始终都是存放最近8个工频周期内检测到的周期值之和。

图10 新的电网频率检测方法

与常用的直接以8个周期为1个循环求平均值相比，本文所采用的检测方法能够快速检测出电网电压频率波动。例如以第1～8个周期为第1个循环，电网电压频率在第9周期发生了变化，那么传统的检测方法要等到第16个周期才能检测出变化了的周期值；而本文中，由于每个工频周期都得到1个周期平均值，因此在发生电网电压的第9个周期后，就能得到反映频率变化的周期平均值，因此可以提高下垂控制的精度。

2.3 逆变器输出电压的频率调节

DSP中，由于时钟较高，因此检测到的对应电网电压周期可以很大，如果电网电压频率正好等于50 Hz，那么通过设置DSP中计时器的分频系数，得到图10中ECap2Regs.CAP1的值为3×106。如果将计算得到的per_b转换成对应的频率值，再经过式(10)所示的频率计算公式得到逆变器输出电压基准值的频率，那么最终还是需要将频率值转换成相应的周期，如此大费周折的转换必将在整个过程中造成控制精度的降低。如果式(10)中频率不参与计算，直接采用电网电压周期和逆变器输出电压周期进行计算，没有中间环节的频率/与周期相互转换，则计算过程简单、计算结果精度高。本文采用的调频方法如下文所述。

由于DSP中CAP口检测到的对应一个周期0.02 s的值为3×106，为进一步提高计算效率，将式(13)变换为：

式中：1200=4×10－4×3×106，如此就可以直接利用CAP口检测到的数据进行计算，而不必大费周折进行一系列的转换。

本文采用与采样电网电压频率类似的方法计算逆变器输出的有功功率和无功功率，1个工频周期内可得到30个有功功率和无功功率值，因此可以适当缩短调节频率的周期，本文中选择60个载波计时器周期调节1次逆变器输出电压的频率，即1个工频周期内分5次调节频率值。频率调节流程如图11所示。

图11 频率调节流程示意图

图11中，每60个工频周期进行1次频率调节。首先根据式(14)计算得到逆变器输出周期所对应的DSP时钟周期的数量1；然后执行per_1=1/600，per_1为整数，余数省略，得到的数值作为载波计时器的周期；执行peri_2=((1－((int32) peri_1*600))*0.1)后，得到60个载波周期中两个周期值的分配比例；执行EPwm1Regs.TBSTS.bit.CTRDIR==0为判断载波计时器是否处于减计时，在减计时的情况下，执行载波计时器周期值的改变，在增计时的情况下，载波计时器周期值不变；ji_shu60为对载波时钟的序号，其范围是0～60，当ji_shu60的范围不同时，计时器的周期值也不一样；EPwm1Regs. TBPRD=k_per+1程序为对计时器的周期进行赋值。举例来说，当1=3010121，则per_1=5016，peri_2=52，根据流程图，60个载波周期中，有52个载波周期EPwm1Regs.TBPRD= 5017，有8个载波周期EPwm1Regs.TBPRD=5016。如果1个工频周期中，5次调频均采用这种控制方法，则有：(52×5017+8×5016)×2×5=3010120，与上述1个工频周期内调节1次时的情况相同，但本文采用方法的调频间隔缩小，可大大提高系统的动态特性。

3 实验结果及分析

并网逆变器通过升压变压器(110VAC/220VAC)实现并网，控制逆变器输出有功功率500 W，无功功率0Var。图12给出了并网逆变器软启动、锁相、并网的过程波形，可以看出系统能够实现各个过程的平稳转换。图13给出了并网逆变器在稳定状态下的电网电压、逆变器输出电压和并网电流的波形，可以看出并网电流质量较好，而且所含低次谐波分量较少。

图12 系统动态波形

图13 系统稳态波形

4 结论

本文提出了一种应用于逆变器侧电流反馈LCL并网逆变器的电网电压全反馈控制策略，该系统具有稳定性强、控制参数易设计、成本较低、并网功率因数高等一系列优点。实验结果证明所提策略控制下的LCL并网逆变器具有优良性能，同时证明工程实现改进措施有效。

[1]LASSETER R H，PAIGI P.Microgrid：a conceptual solution[C]// Power Electronic Specialists Conference.Aachen，Germany：IEEE，2004：4285-4290.

[2]王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析[J].电力系统自动化，2008，32(7)：98-103.

[3]CHEN C,WANG Y,LAI J,et al.Design of parallel inverters for smoothmode transfermicrogrid applications[J].IEEE Trans Power Electron,2010,25(1):6-15.

[4]许津铭，谢少军，肖华锋.LCL滤波器有源阻尼控制机制研究[J].中国电机工程学报，2012，32(9)：27-33.

[5]WANG X H,RUAN X B,LIU S W，et al.Full feedforward of grid voltage for grid-connected inverter with LCL filter to suppress current distortion due to grid voltageharmonics[J].IEEE Trans Power Electron，2010，25(12)：3119-3127.

[6]SERPA LA，PONNALURI S，BARBOSA P M，et al.Amodified direct power control strategy allowing the connection of three-phase inverters to the grid through LCL filters[J].IEEE Trans IA，2007，43(5)：1388-1400.

[7]JAIMEALONSO-MART′INEZ，JOAQU′IN ELOY-GARC′IA C，ARNALTES S.Table-based direct power control:a critical review formicrogrid applications[J].IEEE Trans Power Electronics，2010，25(12)：2949-2962.

[8]AHN S J，PARK J W，MOON S I，et al.Power-sharingmethod ofmultiple distributed generators considering controlmodes and configurations of amicrogrid[J].IEEE Trans on PD，2010，25(3)：2007-2016.

[9]GUERRERO J M，VÁSQUEZ J C，MATAS J，et al.Control strategy for flexiblemicrogrid based on parallel line-interactive UPS systems [J].IEEE Trans on IE，2009，56(3)：726-736.

[10]GUERRERO J M,VASQUEZ J C，JOSÉ MATAS，et al.Hierarchical control of droop-controlledAC and DCmicrogrids-a general approach toward standardization[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2011，58(1)：158-172.

[11]LI Y W,KAO C N.An accurate power control strategy for powerelectronics-interfaced distributed generation units operating in a low-voltagemultibusmicrogrid[J].IEEE Trans Power Electronics，2009，24(12)：2977-2988.

[12]吴云亚，阚加荣，谢少军.适用于低压微电网的逆变器控制策略设计[J].电力系统自动化，2012，36(6)：39-44.

Engineering realization of grid-connected inverter in low voltagemicrogrid

WU Dong-chun,KAN Jia-rong,WU Yun-ya,GU Chun-lei,WANG Kun-fan

Stronger stability,single-current loop,easy design for control parameters and low cost were the advantages of the LCL grid-connected inverter.However,the grid current was controlled indirectly,then the the power factor at grid-side was low.Moreover,the grid current was contained a lot of low-orderharmonic,which results low-orderharmonic in grid voltage.A full grid-voltage feed-forward was proposed to overcome its shortcomings and reserve itsmerits,which can cancel out the effect of grid voltage to grid current and the power factor at grid-side was approximately equal to 1.During the process of the engineering realization for the control strategy,whichever errors would result in a decline in the quality of the current waveform.With the problems in the engineering practice, improvementmeasures were proposed,which were for phase-locked loop,for the detection of frequency cycle,and for the regulation of the frequency of the inverter output voltage.Experimental results verify that the control strategy is excellent and the improvementmeasures of the engineering realization is valid.

grid-connected inverter;LCL filter;low-orderharmonic current;grid voltage feed-forward;engineering realization

TM 464

1002-087 X(2014)10-1917-05