單相逆變器并網(wǎng)工作原理分析與仿真設(shè)計

1、. . . . 第2章 基于定頻積分的逆變器并網(wǎng)控制2.1 引言本章探索了一種基于定頻積分控制的可選擇獨(dú)立工作和并網(wǎng)運(yùn)行兩種工作模式的光伏逆變器控制方案，對其工作原理以與并網(wǎng)電流紋波影響因素進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)了控制方程，并給出了計算機(jī)仿真分析結(jié)果。2.2 逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計如本文第一章所述，并網(wǎng)型逆變器主要應(yīng)用在可再生新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)中，因此，對逆變器并網(wǎng)控制方案的研究也必須結(jié)合新能源發(fā)電的特點(diǎn)，達(dá)到最大限度的利用可再生資源。作者設(shè)計了一種既可以控制逆變器工作在并網(wǎng)送電狀態(tài)，又可以控制逆變器工作在獨(dú)立帶載狀態(tài)的逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)。逆變器的具體工作模式由工作場合和用戶需求決定，系

2、統(tǒng)具有多功能。本系統(tǒng)采用以定頻積分為核心的控制方案。逆變器并網(wǎng)工作時采用基于定頻積分的電流控制方案；獨(dú)立工作時，在并網(wǎng)電流控制方案的基礎(chǔ)上加入電壓PI外環(huán)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓控制。定頻積分控制不僅將并網(wǎng)輸出電流控制和獨(dú)立輸出電壓控制有機(jī)地融合在一起，而且使系統(tǒng)在兩種工作模式下都具有良好的性能。2.3 定頻積分控制的一般理論所謂定頻積分控制是指保持電路工作的開關(guān)頻率不變，而通過積分器和D觸發(fā)器來控制開關(guān)器件在每個周期的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間。圖2-1所示為定頻積分控制的一般原理圖。定頻積分控制是基于單周期控制的一種控制方法4345。單周期控制是一種非線性控制技術(shù)，該控制方法的突出特點(diǎn)是：無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)

3、，它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關(guān)周期，有效的抵制電源側(cè)的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，比如脈寬調(diào)制、諧振、軟開關(guān)式的變換器等。下面具體從理論上分析基于單周控制的定頻積分控制的一般原理和特點(diǎn)。-+-+比較器積分器積分復(fù)位信號開關(guān)信號圖2-1 定頻積分控制的工作原理圖Fig.2-1 Schematic diagram of unified constant-frequency integration control假設(shè)開關(guān)運(yùn)行開關(guān)頻率為，開關(guān)函數(shù)為：(2-1)式中為開關(guān)導(dǎo)通時間，為開關(guān)關(guān)斷時間，。在

4、每一開關(guān)周期，開關(guān)導(dǎo)通時間為，關(guān)斷時間為，占空比為，給定信號，開關(guān)輸入信號為，輸出信號為，它是由輸入信號經(jīng)開關(guān)斬波后形成的信號，因此又稱為開關(guān)變量。與，三者之間的關(guān)系如下：(2-2)假設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入信號與給定信號的頻率，即在一個開關(guān)周期，、均認(rèn)為是常數(shù)。對于傳統(tǒng)控制而言，占空比由給定信號線性調(diào)制而成，可寫為：(2-3)式中為常數(shù)。因此輸出信號的平均值為：(2-4)上式表明：應(yīng)用傳統(tǒng)電壓反饋控制，輸出信號是輸入信號與給定信號的乘積。因此，輸入信號的變化必然導(dǎo)致輸出信號的變化，開關(guān)是非線性的。對于單周控制，其原則是保證在每一開關(guān)周期，輸入信號的積分值恰好等于給定信號，即：(2-5)將式(2-

5、1)、(2-3)代入上式整理得：(2-6)由于開關(guān)周期固定，則輸出信號在每一個開關(guān)周期的平均值等于給定信號，即為：(2-7)式中為常數(shù)。因此，開關(guān)輸出信號只需在一個開關(guān)周期便可跟蹤給定信號，基于這種思想的非線性技術(shù)稱為單周期控制技術(shù)，采用這種控制技術(shù)，開關(guān)輸出信號只與給定信號有關(guān)，即：(2-8)開關(guān)輸出完全抑制了輸入干擾，線性的再現(xiàn)了給定信號，因此，基于單周期控制技術(shù)的定頻積分控制可以將一個非線性開關(guān)變成一個線性開關(guān)。這種控制可以有效抑制輸入信號的擾動，使得系統(tǒng)的輸出迅速跟蹤輸入給定的變化，系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗擾動性和跟隨性能。2.4 基于定頻積分的并網(wǎng)控制方案2.4.1 并網(wǎng)工作原理分析與控制方

6、程推導(dǎo)本文選擇電壓源型全橋逆變器作為研究對象。圖2-2所示為電壓源電流控制模式下的單相逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的等效電路示意圖。逆變器并網(wǎng)控制的目標(biāo)是：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的、與電網(wǎng)同頻同相的正弦波，也就是實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)送電。本文采用定頻積分控制實(shí)現(xiàn)逆變器的并網(wǎng)控制。逆變器輸出波形調(diào)制采用雙極性調(diào)制策略。所謂雙極性調(diào)制指的是逆變器橋路兩橋臂交叉對應(yīng)開關(guān)V1和V4、V2和V3分別各由一個信號控制，兩個信號相位相反。并網(wǎng)控制方程的推導(dǎo)過程如下。-V3V2V1V4-+圖2-2 單相全橋逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路Fig.2-2 Single phase grid-connected full-br

7、idge inverter system為簡化分析，首先作如下假設(shè)：(1)直流側(cè)電壓保持恒定。(2)開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率和逆變器輸出電流的頻率。設(shè)開關(guān)頻率為，開關(guān)周期為，開關(guān)導(dǎo)通占空比為，為逆變器輸出濾波電感上的電壓，為直流側(cè)電壓，為電網(wǎng)電壓，為逆變器電感電流，由于逆變器采用雙極性調(diào)制，一個開關(guān)周期，電感兩端的電壓滿足：在<<期間，器件V1、V4導(dǎo)通，V2、V3關(guān)斷，有： (2-9)在<<期間，器件V2、V3導(dǎo)通，V1、V4關(guān)斷，有： (2-10)在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)情況下，根據(jù)一個開關(guān)周期電感的伏秒平衡原則有： (2-11)由式(2-11)可得： (2-12)逆變器并網(wǎng)工作時

8、，要求逆變器輸出的正弦波電流，且要求該電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相，因此可以引入兩個常量、，且、都大于零，由和共同來決定逆變器輸出功率的大小。用來限定逆變器的最大輸出電流，用以控制輸出功率的大小。則逆變器并網(wǎng)工作時，輸出電流可以由下式表示： (2-13)假設(shè)為電流檢測電阻，則式(2-13)可以寫成如下： (2-14)將式(2-12)帶入式(2-14)的得到下面方程： (2-15)假設(shè)： (2-16)可看成控制輸出功率大小的控制量，則與開關(guān)占空比有關(guān)的控制表達(dá)式可以通過積分電路對一個常量的積分來實(shí)現(xiàn)，具體如下： (2-17)其中為積分器積分時間常數(shù)，當(dāng)取積分時間常數(shù)為開關(guān)周期的一半，即時，式(2-1

9、7)成立。由式(2-15)和式(2-17)可得到系統(tǒng)的控制方程如下： (2-18)因此，逆變器并網(wǎng)工作時，只需一個電流環(huán)就能滿足控制方程式(2-18)，使逆變器輸出正弦電流與電網(wǎng)電壓嚴(yán)格保持一致，達(dá)到單位功率因數(shù)并網(wǎng)。2.4.2 并網(wǎng)電流紋波分析流入電網(wǎng)電流的紋波大小直接影響回送電網(wǎng)功率的質(zhì)量。紋波越小，高次諧波的污染越小，饋送電能的質(zhì)量越高；反之，諧波污染越大，饋送電能的質(zhì)量越差。因此系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該盡量減小并網(wǎng)電流紋波的大小。由于流入電網(wǎng)的電流就是流經(jīng)電感的電流，所以討論紋波的大小就是研究電感上電流的紋波大小。加在逆變器輸出濾波電感兩端的瞬時電壓產(chǎn)生的電流稱為紋波電流，在逆變器并網(wǎng)控制中，要求

10、輸出的紋波電流在一定的圍之。假設(shè)為電網(wǎng)電壓有效值。下面將推導(dǎo)出本文所研究的基于定頻積分的逆變器并網(wǎng)控制的并網(wǎng)電流紋波表達(dá)式。從逆變器并網(wǎng)的動態(tài)過程來分析，有： (2-19)其中是PWM脈寬的瞬時值，是按正弦規(guī)律變化的非線性量。設(shè)為開關(guān)頻率，根據(jù)式(2-12)有： (2-20)將式(2-20)帶入式(2-19)，變形得： (2-21)由式(2-21)可以看出，與、與的選擇有關(guān)，、越大，越小，越大，越大。對式(2-21)求導(dǎo)，可得： (2-22)由于逆變器輸出并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，因此由式(2-22)可見，在電網(wǎng)電壓的峰值點(diǎn)，也就是并網(wǎng)電流的峰值點(diǎn)，有cost=0，且根據(jù)單變量函數(shù)的極值定理

11、可以判斷出該點(diǎn)為極小值點(diǎn)，紋波電流在該點(diǎn)取最小值；在電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)，也就是并網(wǎng)電流的過零點(diǎn)，有sint=0，且根據(jù)單變量函數(shù)的極值定理可以判斷出該點(diǎn)為極大值點(diǎn)，紋波電流在該點(diǎn)取最大值。本章后面的仿真結(jié)果以與第五章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了這一點(diǎn)。2.4.3 電感、直流電壓的選擇在并網(wǎng)工作模式下，逆變器輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相，電感量的大小影響電流的變化速度。電感越小，輸出電流變化越快；電感越大，輸出電流變化越慢。假設(shè)為穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的并網(wǎng)輸出電流有效值，根據(jù)下述兩個條件確定電感量L的選擇圍。(1)為了保證流入電網(wǎng)的電流的相位、頻率能夠迅速的跟蹤電網(wǎng)電壓，必須使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)足夠快，也即電流跟蹤

12、的速度必須要大于期望輸出電流變化率的最大值。因此L也就不能太大，于是有下式： (2-23)從而有： (2-24)(2)雖然減小L可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，但同時也會增加輸入電網(wǎng)電流的脈動，從式(2-21)可以看出L越小，并網(wǎng)電流的紋波越大，增大了系統(tǒng)的損耗，因此電感量L不能取的太小。假設(shè)允許的最大紋波電流為并網(wǎng)電流有效值的10%，則由式(2-21)得： (2-25)又因?yàn)椴⒕W(wǎng)輸出電流在電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)紋波達(dá)到最大值，因此有： (2-26)式(2-24)和式(2-26)規(guī)定了L的取值圍。當(dāng)開關(guān)頻率確定后，的選擇與之間存在了相互制約關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中需要折中進(jìn)行考慮。2.5 獨(dú)立工作原理分析本文研究的

13、逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)具有多種功能。既可以控制系統(tǒng)工作于并網(wǎng)，又可以控制系統(tǒng)獨(dú)立帶載工作。逆變器獨(dú)立運(yùn)行時，只需在并網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個電壓外環(huán)，控制逆變器輸出電壓即可。與逆變器并網(wǎng)工作時相比，基于定頻積分電流環(huán)的控制參數(shù)不變，系統(tǒng)的檢測量不變，仍是逆變器輸出端電壓和電感上流過的電流。增加的電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。獨(dú)立運(yùn)行控制框圖如圖2-3所示。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時，逆變器輸出電壓達(dá)到參考電壓。逆變器輸出橋路PWM電路逆變器輸出電感電流電壓給定PI定頻積分控制+-逆變器輸出電壓圖2-3 獨(dú)立運(yùn)行控制框圖Fig.2-3 Block diagram of stand-alone work mod

14、e2.6 并網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)研究為了驗(yàn)證本文所提出的基于定頻積分的逆變器并網(wǎng)/獨(dú)立控制系統(tǒng)原理的正確性和控制方法的可行性，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)采用目前國廣泛使用的PSpice14.0。2.6.1 并網(wǎng)工作模式仿真實(shí)驗(yàn)研究基于上述推導(dǎo)出的控制方程式(2-18)，進(jìn)行了并網(wǎng)系統(tǒng)的PSpice仿真試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)式(2-18)的電路原理圖如圖2-4所示。整個控制器由積分器，D觸發(fā)器，比較器與時鐘組成，其中D觸發(fā)器的時鐘信號周期等于逆變器開關(guān)周期，積分器的積分時間常數(shù)為開關(guān)周期的一半，也即滿足。逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器直流輸入側(cè)的電壓必須大于電網(wǎng)電壓峰值，直流側(cè)的能量才有可能饋送至電

15、網(wǎng)側(cè)。因此，在此先假設(shè)直流側(cè)電壓為180 V，高于交流電網(wǎng)電壓峰值156 V(有效值110 V)。逆變器正式開始圖2-4 基于定頻積分控制的并網(wǎng)系統(tǒng)仿真電路Fig.2-4 The simulation circuit of grid-connected system base on UCI control工作前，橋臂的四個開關(guān)管均處于反向電壓阻斷狀態(tài)，其輸出端可以直接連至電網(wǎng)，而不會引起電網(wǎng)電流回灌。如圖2-5所示為并網(wǎng)系統(tǒng)中定頻積分控制的控制邏輯流程圖。開關(guān)管1、4導(dǎo)通，2、3關(guān)斷，積分器開始積分開關(guān)管2、3導(dǎo)通，1、4關(guān)斷，積分器清零積分值是否滿足控制方程？NY開始Y時鐘信號到否？N圖2-

16、5 定頻積分控制整體流程Fig.2-5 Flow chart of UCI control基于定頻積分的并網(wǎng)電流控制過程簡述如下：當(dāng)逆變器連接至電網(wǎng)之后，一開始逆變橋上的開關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)，電感上的電流為零，而此時檢測到的電網(wǎng)電壓值不為零，也就是并網(wǎng)電流的參考量不為零，當(dāng)D觸發(fā)器的時鐘信號到來時，積分器開始積分，逆變橋開始正向?qū)?，電感電流開始增大，積分器的輸出值不斷增大，當(dāng)電網(wǎng)電壓、逆變器輸出電感電流的采樣值和積分器輸出電壓值滿足控制方程式(2-18)時，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，逆變橋正向橋關(guān)斷，負(fù)向橋?qū)ǎ瑫r積分器復(fù)位，等待下一周期重新積分，控制器完成一個開關(guān)周期的控制。圖2-6所示為控制系統(tǒng)

17、時鐘信號、定頻積分控制信號以與各開關(guān)驅(qū)動信號的仿真實(shí)驗(yàn)波形。時鐘信號開關(guān)管V1、V4驅(qū)動信號開關(guān)管V2、V3驅(qū)動信號積分控制信號電感電流圖2-6 定頻積分控制開關(guān)驅(qū)動波形Fig.2-6 Drive signals with UCI control圖2-7所示為基于定頻積分的逆變器并網(wǎng)控制的輸出并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的仿真波形。圖2-7 電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流仿真波形Fig.2-7 Simulation waveforms of grid voltage and output grid current仿真結(jié)果表明運(yùn)用定頻積分控制能控制輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓的同頻率、同相位，

18、達(dá)到單位功率因數(shù)并網(wǎng)。圖2-8所示為輸出電流=11 A，輸出濾波電感和直流側(cè)電壓取不同值時的并網(wǎng)輸出電流波形。(a) 直流電壓 V，電感 mH(a) Direct voltage V, inductance mH(b) 直流電壓 V，電感 mH(b) Direct voltage V, inductance mH (c) 直流電壓 V，電感 mH (c)Direct voltage V, inductance mH圖2-8 不同情況下并網(wǎng)輸出電流仿真波形Fig.2-8 Simulation waveforms of grid current under different situation對

19、比圖2-8的仿真結(jié)果(a)、(b)可以看出，電感越大，并網(wǎng)電流紋波越??；對比仿真結(jié)果(a)、(c)可以看出，直流側(cè)電壓越大，并網(wǎng)電流紋波越大。另外，從圖2-8(a)、(b)、(c)三個仿真結(jié)果都可以看出，在并網(wǎng)電流過零點(diǎn)處電流紋波最大，電流峰值點(diǎn)處紋波最小。驗(yàn)證了本章2.4節(jié)的理論分析結(jié)果。本文中，逆變器并網(wǎng)輸出正弦電流的大小由、來決定，見式(2-13)。因此并網(wǎng)電流的大小可以通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓采樣系數(shù)和直流積分量大小來決定。圖2-9所示為通過直流電壓采樣方式給定時，直流側(cè)電壓突變情況下的輸出并網(wǎng)電流仿真波形。圖2-9 采樣獲得時直流側(cè)電壓突增情況下并網(wǎng)輸出電流仿真波形Fig.2-9 Simul

20、ation waveforms of grid current with sampling when DC voltage increases當(dāng)、選定時，若直流積分量由逆變器直流側(cè)電壓采樣而來，則當(dāng)直流側(cè)電壓波動時，如圖2-9所示在仿真時間 ms，直流側(cè)輸入電壓從180 V突增至250 V時，逆變器輸出的并網(wǎng)電流基本保持不變，只是因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓的增大使得并網(wǎng)電流紋波變大，此時該并網(wǎng)逆變器具有單周控制的快速抑制輸入信號擾動的特點(diǎn)。圖2-10所示為通過恒值給定方式給定時，直流側(cè)電壓突變情況下的輸出并網(wǎng)電流仿真波形。當(dāng)、選定時，若直流積分量為一個直接給定與直流側(cè)額定電壓相關(guān)的常量，而非直接采樣得到時

21、，直流側(cè)電壓的波動將不會改變直流積分量大小。此時，若實(shí)際工作中逆變器直流側(cè)電壓降低，而控制系統(tǒng)中直流積分量不變，則相當(dāng)于增大了，則逆變器輸出正弦電流會自動減小；反之，當(dāng)逆變器直流側(cè)電壓升高時，則相當(dāng)于減小了，逆變器輸出正弦電流增大。同樣令仿真時間 ms時，直流側(cè)輸入電壓從200 V突減至180 V，在 ms時，直流側(cè)輸入電壓從180 V突增至250 V，從仿真結(jié)果可以看到，系統(tǒng)具有根據(jù)輸入電壓大小自動調(diào)節(jié)輸出并網(wǎng)電流的能力，達(dá)到最大限度的利用直流側(cè)可再生新能源提供的電能。因此并網(wǎng)控制時采用常量進(jìn)行積分更有利于優(yōu)化系統(tǒng)性能。圖2-10 恒值給定時直流側(cè)電壓突增情況下并網(wǎng)輸出電流仿真波形Fig.2

22、-10 Simulation waveforms of grid current with constant when DC voltage increases圖2-11和圖2-12所示為電網(wǎng)電壓突降時電網(wǎng)電壓和逆變器輸出并網(wǎng)電流仿真實(shí)驗(yàn)波形。圖2-11 電網(wǎng)電壓突降時并網(wǎng)輸出電流仿真波形Fig.2-11 Simulation waveforms of grid current when grid voltage drops逆變器并網(wǎng)工作時，若電網(wǎng)出現(xiàn)故障，如電網(wǎng)發(fā)生接地短路，斷路器跳閘，故障線路被電網(wǎng)自動切除，并網(wǎng)逆變電源處在被切除線路段時，則發(fā)生了孤島現(xiàn)象，此時，若逆變器輸出端電網(wǎng)電壓突降，由圖2-11和圖2-12所示仿真結(jié)果可以看出：基于定頻積分的并網(wǎng)系統(tǒng)也能自動依據(jù)電網(wǎng)電壓減小輸出電流，抑止電網(wǎng)對逆變器的沖擊電流，從而減小電網(wǎng)故障時的孤島問題等對逆變器造成的危害。圖2-12 電網(wǎng)電壓突降為零時并網(wǎng)輸出電流仿真波形Fig.2-12 Simulation waveforms of grid current when grid