单周控制并网逆变器在云南电网中的应用

沈鑫，王昕，丁心志，赵艳峰，刘清蝉

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

1 前言

可再生能源，如风力，太阳能以及微水电，都需要并网逆变器(GTI)，以实现功率从电源侧到电网侧的流动。因此，GTI是可再生能源发电的关键性因素。单周控制技术(OCC)是在开关放大器的PWM控制基础上发展起来的一种大信号非线性控制技术。单周控制在有源电力滤波器上的应用已经趋于成熟，但还没有很好的应用到统一电能质量调节器当中，本文对采用一种新型非线性控制方法——单周技术应用于的并网逆变器的控制策略，能在一个开关周期内进行补偿优化。仿真结果验证了基于单周期控制的并网逆变器(OCC－GTI)具有一定实用价值和推广性。

OCC－GTI技术速度快、精确度高、谐波失真低、体积小、可靠性高，另外还可提供高速和高精度控制的无功补偿模块。是增加可再生能源发电和实现智能电网的理想解决方案。

2 基于单周控制的并网逆变器原理

单周期控制(OCC)是一种非线性的脉宽调节方法。与传统 PWM方法［1－2］所不同的是，单周期控制通过调节一个周期内的锯齿波的斜率来实现PWM控制和快速非线性控制。单周期控制的实现电路非常简单。如图1是单周期控制的基本控制原理图。通过时钟产生一个周期的脉冲序列，这些序列可以在每个开关周期开始时对相应的参数进行设置。V2作为一个整体接到积分电路的输入端，输出值是相对V1而言的。当比较器的两输入端的信号彼此接近时，比较器会改变它的状态，从而使触发器复位和积分电路停止工作。相应的操作可以通过下式来表示:

图1 单周期控制原理图

式中:T代表开关周期，d表示占空比，R和C分别表示积分电路的电阻和电容。通过这个式子可以重新设置开关周期。在单周期控制电路中，通过控制占空比可以使V2的斩波信号在每个开关周期都等于V1或与V1成比例。在不失一般性的前提下，如果选择放大系数等于开关周期，那么V2在每个开关周期的斩波信号都等于V1。换句话说就是占空比有如下关系:

通过这个式子可以求得(1)式中的d。UCI的研究者已经证明了大多开关转换器的控制功能［3－18］，如 GCIs、PFC、APFc 和一些 FACTS 组件的控制都是第一个多项式方程矩阵，因此它们都可以通过单周期控制电路来实现。进一步说，许多OCC控制器都可以一般化为一个通用的OCC控制器。通过这个通用的OCC控制器，电力设备的标准化设计将会成为现实。

以图2所示单相升压变流器为例，单周期控制可实现功率因数校正(PFC)功能，且其控制简单。升压变流器V0和输入电压Vg的关系为:

图2 单相OCC－PFC升压变流器

假设PFC得到较好实现，则PFC变流器输入电流ig一定完全跟踪输入电压Vg，即两者无相位差，则升压变流器输入电感电流为:

当升压电路做为PFC整流器运行时，其输入等效电阻Re为线性的，其值由负载决定的。由方程(3)和(4)可以导出下面的核心控制方程，这是关于占空比d的一阶多项式函数。

由于前面的边缘调制，该控制的复杂性最小。其中，电流受开关关断时间影响，因此输入电流ig等于二极管电流id。考虑到感应电流id通常经感应电阻Rs转换为电压信号。上述操作使核心控制方程变为下式:

在表达式(6)中，输出电压通常是不变的，感应电阻是固定的常值，而等效输入电阻 Re是负载的函数。在一个典型的应用中，与电流环的控制速度相比，负载电流的变化率较低，因此，Vm的最终值是由反馈控制回路自动、动态地决定的。因此，最终的核心控制方程为:

采用OCC控制方法可以很容易实现此核心控制方程，因为它解决了通用的一阶多项式方程(2)。带有典型OCC控制模块的实现电路如图2所示，OCC控制模块的输入电压V2=Vm，V1=idNRs，其中N为CT的增益。

对已建成了一个评估OCC控制性能的试验样机，升压变流器可以获得与实验测量相同的波形，如图3所示，其中OCC调制作用下占空比d波形，Vm－2dVm=Rsis。显然，OCC以非线性模式调制占空比d，从而保证了升压变流器的单位功率因数运行。

图3 OCC－PFC升压变流器的实验波形

通常三相变流器通过d/q变换控制，而这也是在微型控制器及数字信号处理器速度有所改善的近几年才变为可能。而三相变流器的控制通常要求数个几十万行代码实现，这就导致电路的响应速度，精度和可靠性受到计算复杂性的影响。

由于OCC技术控制电路简单，速度快，精度高和可靠性高等显著特点，给三相电力变流器带来了巨大转变。图4为一个三相变流器。为获得的输入输出关系，推导出其等效电路如图5所示:

图4 三相逆变器

图5 三相逆变器的等效电路

与单相升压变流器控制方法相似，可以从此等效电路中推的输入输出量关系，其关系可以用矩阵形式表示。由于该矩阵是奇异的，其解决方案并不唯一。以下为两个解决例案:

这两种解决方式分别有两个核心控制方程:

两式同为一阶多项式方程组，可以方便得使用OCC芯片解出这些方程，这就使得电力变流器控制的简单、有效和精致。

3 仿真与试验结果

3.1 仿真实验模型

试验原理如图6所示。直流电压通过开关接入OCC－GTI的直流端OCC－GTI的三相输出由自耦调压器接入电网。FLUKE功率分析仪用来检测OCC－GTI的输出。有功及无功控制信号由OCC控制合产生并输入到OCC－GTI。

图6 三相逆变器的等效电路

3.2 试验结果

3.2.1 稳态性能试验

1)超前无功补偿模式

表1 超前无功补偿模式

CH1:IA黄色;CH4:UA绿色;CH5:IB紫色;CH6:IC蓝色

图7 超前无功补偿三相电流及A相电压

图8 超前无功补偿模式A相电压电流曲线

图8为滤去B、C相电流，只保留A相电流、电压曲线，可以看出，在超前无功补偿模式下，OCC－GTI向380 V交流电网注入电流，并且电流相位超前电压相位90°。

2)滞后无功补偿模式

表2 滞后无功补偿模式

图9 滞后无功补偿模式三相电流及A相电压

从表2及图9可以看出，OCC－GTI向交流电网提供无功电流，进行滞后无功补偿，电流相位滞后电压相位90°，由于只提供无功补偿，所以功率因数接近于零。而且注入电网的电流谐波畸变率为2%左右，波形接近正弦。

3)并网逆变模式

表3 并网逆变模式

图10 并网逆变模式波形图

在并网逆变模式下，OCC－GTI向电网提供纯有功功率，三相功率因数都在0.99左右，并且电流谐波畸变率很小，波形正弦程度很高。从图10可以看出，电压与电流方向相反，也说明了功率是从OCC－GTI流向三相电网。

3.2.2 并网逆变模式暂态性能

1)有功功率从有到无

图11 并网逆变模式有功功率从有到无过程

图12 有功功率从有到无过程波形放大图

2)有功功率从无到有

图13 有功功率从有无到有过程图

图14 有功功率从无到有过程波形放大图

在并网逆变模式下，无论有功功率从有到无，还是有功功率从无到有的暂态过程，OCC－GTI都能在500μs以内完成跟踪，动态性能好。

3.2.3 低电压穿越性能测试

在50 A满负载电流下，分别测试220 V、165 V、110 V、85 V相电压下电流波形，由于设备欠电压保护阈值一般设置为85 V左右，本次未对更低电压进行穿越性能测试。

图15 200 V相电压下A相电压电流波形

1)165 V相电压

图16 165 V相电压下A相电压电流波形

图17 110 V相电压下A相电压电流波形

2)85V相电压

图18 85 V相电压下A相电压电流波形

从图15、16、17、18可以看出，当通过交流侧调压器调整OCC－GTI输出电压分别为额定电压的75%、50%、36%时，OCC－GTI输出电流依然维持在50 A满负载电流。

4 结束语

本文推导了基于单周控制并网逆变器控制方程，并进行了实验验证，试验结果分析表明基于单周控制的并网逆变器能够有效地对电力系统暂态和稳态进行补偿，具有如下特点:

1)单周控制并网逆变器(OCC－GTI)可以以0.99的功率因数向380 V交流电网输送有功功率，且电流畸变程度很小，为2%左右;同时，OCC－GTI还能起到无功补偿的作用;

2)OCC－GTI设备的动态跟踪能力很强，在无功的超前滞后及有功的有无切换过程中，均能在500μs的时间内完成。

3)OCC－GTI有很强的低电压穿越能力，在新能源并网领域有很强的实用性，其应用于电力系统将具有较大的经济效益和广阔的推广前景。

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