基于定频积分控制的并网逆变器的接口控制和孤岛保护

陆　宇，唐丽婵，汤雪华

(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070)



基于定频积分控制的并网逆变器的接口控制和孤岛保护

陆宇，唐丽婵，汤雪华

(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070)

摘要:新的数字电网接口控制策略不同于一般的SPWM和PLL(锁相环)的控制方法，其具有自动相位跟踪能力，控制简易化和输出功率因数高的优点，它可以根据直流电压和电网电压自动调节其输出。文中提出了光伏并网逆变器新的控制方法，它是基于对电流跟踪的定频积分控制(UCI)；分析了其工作原理，推导了其控制方程，研究了其孤岛保护。

关键词：光伏发电；并网逆变器；DSP

0　引　言

光伏发电系统主要用于较偏远地区的电力系统，作为独立电源供给家电和照明使用。发电量的严重短缺和环境污染使分布式并网光伏发电系统已越来越具有竞争能力。近年来，光伏发电已开始从补偿能源转换为替代能源，从小的偏远独立系统转换为公共接口发电系统。逆变器是光伏发电系统的核心，所以逆变器公共接口控制的研究具有重大意义和重要的应用前景。

并网光伏发电系统通过DC/DC变换器，将太阳能电池板的直流电转换成400 V直流电压。然后通过DC/AC逆变器，获得220 V/50 Hz的交流电。并网系统需要保证逆变器的输出电流和电网电压相位相同，并且达到单位功率因数。目前，大部分的光伏发电系统的逆变器采用了SPWM全桥电路，所以SPWM脉冲发生器和PLL环是必须的，这使得控制复杂，可靠性差，硬件成本高。

本文论述了一种新的数字电网接口控制策略。它选择电网电压作为参考电流信号，让逆变器的输出电流跟踪参考信号。定频积分控制(UCI)由参考电流和反馈电感电流之间的误差信号来实现。该方法具有不含PLL环实现自动跟踪电网电压的特点。该系统可以根据直流输入电压和电网电压，自动调节输出功率，并且具有快速响应和孤岛保护能力。这样，可以实现高功率因数的并网逆变器，且系统的结构比较简单。

1　基于定频积分控制的网络接口控制

1.1　原　理

标准桥式电路单相并网逆变器如图1所示。输入直流电压为UC；电网电压是vS，iS是流向电网的电感电流；UL是电感上的电压。

图1 并网桥式逆变器的示意图

UCI是基于单周期控制的,为了简化分析，假设：

(1) DC输入电压是恒定的；

(2) 逆变器的开关频率远远高于使用频率和输出电流频率。

当0

(1)

当DTS

(2)

在稳态时，根据一个开关周期内的平衡原则，可得到：

(3)

上述等式可简化为：

(4)

当光伏逆变器向电网输出能量时，逆变器的输出电流要求与电网是同相的。因此，流入的电感电流可以表示如下：

(5)

式中，k1是引入的常数，用于限制最大电流；k2是用来控制功率电平的参数；RS是电流检测的等效电阻；iS是流入电网的电感电流；可把式(5)改写成：

(6)

结合式(4)和式(6)的结果，得：

(7)

令Um=RSk2UC

“头脑”又名“八珍汤”，是由黄芪、良姜、羊肉、煨面、羊尾油、藕根、长山药、黄酒等八种食材配制而成。头脑选料讲究，制作精细：羊肉选的是羊腰窝肉，易于煮烂且不腥膻；黄芪选的是质地优良的正北芪。将羊肉切小块，大火煮沸，加上花椒、黄芪、良姜等佐料后，改用小火煮熟后捞出；另将酒糟汁入锅煮沸，加料酒、煨面，煮成面糊汤，再把羊肉块、熟山药、藕片放入碗里，加羊尾油丁，浇上面糊汤便成。此种方法制作出来的头脑，面糊清白，浓黏厚重，喝到嘴里，甜、软、绵、香、热！酒香、药香、肉香，混在一起，一古脑地钻进鼻孔，令人忍不住馋涎滴流，立马抄匙大快朵颐一番！

(8)

Um几乎在每一个周期内都为常数，它用来控制输出功率。表达式RSk2UC(2D-1)包括开关信息D，它可以当做一个积分器,其计算如下：

(9)

Ti是积分器的积分时间常数，Ti=TS/2。结合式(7)和(9)的结果，可得：

(10)

式(10)是控制方程的关键。该系统的单位功率因数可以通过控制电流来满足要求。

1.2　模拟研究

在PSpice 14.0中进行了算法的仿真。该控制器包含一个带复位的积分器，它带有一些线性和逻辑元件。式(10)在图2所示的电路图中体现出来。在模拟实验中，额定直流输入电压为200 V，额定电网电压为110 V。

图2 并网模拟电路

时钟信号、UCI的控制信号和开关驱动信号的模拟结果如图3所示。

图3 驱动信号和控制信号的仿真波形

具体实现如下：把时钟信号周期当做开关周期，使时钟信号触发器——D触发器从零变为正，开关V1、V4断开，V2、V3导通。同时，积分器开始对Um进行积分。当电网电压、电感电流和积分器的输出均满足控制的关键方程，D触发器将得到一个复位信号。然后驱动信号开关和积分器被复位，等待下一个时钟信号，一个开关周期结束。

对所提出控制方法的仿真结果见图4。电网电压US是100 V/div，电网电路iS为25 A/div。可以看出，逆变器输出电流与电网电压同相且呈现正弦波形。

图4 电网电压和流入电网电流的仿真波形

此外，由式(5)可知，输出电感电流的参数由k1和k2决定。因为参考电流是电网电压的采样，流入的电流与电网电压的配置相同，即使电网电压失真，这也能确保其单位功率因数。当k1和Um给定时，如果直流输入电压UC下降而积分参数保持不变，这相当于增大了k2，所以电感输出电流会自动降低。该系统可以按照直流电压自动调节输出功率。在t=25 ms(直流电压UC=100 V/div，电流iS=20 A/div)，直流输入阶跃从180 V～240 V，图5给出了仿真结果。

此外，当逆变器向电网供电时，如果电网电压突然降低，逆变器输出电流将跟随电网电压下降，这很有利于孤岛检测和保护。在t=15 ms和t=45 ms时电网电压波动(电网电压是100 V/div，电流是20 A/div)，图6给出了仿真结果。很明显，该系统具有优良的动态性能。

图5 直流电压突然增大时,直流电压和流入电网电流的波形仿真

图6　电网电压波动时，电网电压和流入电网电流的波形仿真

2　实　验

2.1　基于DSP的硬件设计和软件设计

该系统的硬件结构框图如图7所示。通常，定频积分控制都在模拟电路中进行。然而，本文中该控制方法由数字控制器DSP来实现。

图7 系统硬件结构框图

2.2　实验结果

数字并网实验在低功耗单相逆变器模型上实现。一个DC/AC逆变器通常将直流能量传递给电网。逆变器的输入是180 V直流电压，逆变器的输出是110 V(RMS)交流电压。该控制方法通过变压器将电压降低到110 V(有效值)，并接至逆变器的输出接口。图8为电网电压和逆变器输出电感电流的实验波形。图9为电网电压和逆变器连接到电网时启动电流的实验波形。图10显示了，当变频器的输出功率小于负载额定功率PR时，孤岛保护中的电网电压和流入电流的波形。图11显示了，当变频器的输出功率大于负载额定功率时，孤岛保护中的电网电压和流入电流的波形。

实验结果表明，基于UCI的电网接口控制方法是可行的。逆变器输出电流与电网交流电压同相，确保了单位功率因数。并网系统的动态响应速度快，可以实现孤岛保护。

图8 电网电压和流入电网电流

图9 电网电压和启动时流入电流

图10 孤岛保护下电网电压和流入电流(PO

图11 孤岛保护下电网电压和流入电流(PO>PR)

3　结　论

本文提出了一种新型的单相并网逆变器的控制方法。仿真和实验结果表明，基于定频积分控制的并网逆变器系统具有良好的性能，并能根据直流电压和电网电压自动调节输出功率。它具有自动相位跟踪，输出功率因数高，快速响应和孤岛保护的优点。因此，所提出的并网方法非常适合并网替代能源发电。

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研制开发

Interface Control and Islanding Protection of Grid-Connected Inverter Based on

Unified Constant Frequency Integral Control (UCI)

LU Yu, TANG Li-chan, TANG Xue-hua

(Shanghai Electric Central Research Institute, Shanghai 200070, China)

Abstract:New digital grid interface control scheme that has features of automatic phase tracking, simple control and high power factor is different from the general SPWM and PLL (phase locked loop) control methods, and it can also adjust its output automatically based on the DC voltage and the grid voltage. This paper presents a new control method for photovoltaic grid-connected inverter, which is unified constant frequency integral control (UCI) based on current tracking. Its working principle is analyzed; related control equations are derived and how to realize islanding protection is studied.

Key words:photovoltaic power generation; grid-connected inverter; DSP

中图分类号：

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0035-03

作者简介：陆宇(1988-)，男，上海人，研究方向为嵌入式系统开发。

收稿日期：2014-12-15