大功率并网逆变器冲击电流的抑制

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大功率并网逆变器冲击电流的抑制

ＤＯＩ１０．７４９５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－３４８６．２０１３．０６．０２０大功率并网逆变器冲击电流的抑制收稿日期２０１３－０６－２０；修回日期２０１３－０８－２６。作者简介王潜（１９７３－），男，讲师，硕士，主要研究方向为电力电子与电能变换技术，Ｅ－ｍａｉｌｗａｎｇｑｉａｎ＿ｈｇ＠ｓｉｎａ．ｃｎ。王潜１，张晓琳２，张宇２，王多平３（１．海军工程大学科研部，武汉４３００３３；２．华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉４３００７４；３．中国舰船研究设计中心，武汉４３００６４）摘要针对大功率并网逆变器启动时刻存在冲击电流的问题，在ｄｑ坐标系下建立数学模型，分析了冲击电流产生的原因。通过对电压矢量控制策略的改进，实现了对并网逆变器启动冲击电流的抑制，并在５００ｋＶＡ并网逆变器上进行实验，其结果验证了该改进控制策略的有效性。关键词并网逆变器；冲击电流；ＰＩ控制中图分类号ＴＭ４０２文献标志码Ａ文章编号１００９－３４８６（２０１３）０６－０１０９－０４Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｉｍｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒＷＡＮＧＱｉａｎ１，ＺＨＡＮＧＸｉａｏ－ｌｉｎ２，ＺＨＡＮＧＹｕ２，ＷＡＮＧＤｕｏ－ｐｉｎｇ３（１．ＯｆｆｉｃｅｏｆＲｅｓｅａｒｃｈ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ＮａｖａｌＵｎｉｖ．ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ４３００３３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖ．ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｈｉｎａＳｈｉｐＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＤｅｓｉｇｎＣｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ４３００６４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｅａｖｙｉｍｐａｃｔｃｕｒｒｅｎｔａｔａｔｉｍｅｗｈｅｎｔｈｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｍａｋｅｓａｓｔａｒｔ－ｕｐ，ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｉｎｖｅｒｔｅｒｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅ，ｆｏｒｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｃａｕｓｅｓｏｆｉｍｐａｃｔｃｕｒｒｅｎｔ．Ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｉｍｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔｗｈｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔａｒｔｓ．Ａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏａｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈａｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆ５００ｋＶＡｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｉｍｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔ；ＰＩｃｏｎｔｒｏｌ三相ＰＷＭ并网逆变器可实现任意功率因数向电网馈送能量，因此随着可再生能源并网发电技术的发展，三相大功率并网逆变器控制技术已成为研究的热点之一。但是在实际运行中，大功率并网逆变器存在启动瞬间冲击电流过大的问题，滤波电感电流过大易造成电感饱和，从而导致电路中电流激增进而引起保护装置误动作，甚至损坏开关器件。文献［１］针对间接电流控制下的三相并网逆变器，提出了改进型幅相控制策略，有效地改善了启动时刻的动态性能。文献［２］针对并联型有源滤波器，在推导了并网冲击电流和投入时刻关系的基础上，提出了装置最佳点投入电网补偿的柔性并网方案。文献［３］提出在ｄｑ坐标系下采用前馈解耦的方式，减小三电平ＶＳＲ启动冲击电流。由于采样误差、建模误差等原因，引入电网电压前馈很有可能会引入谐波或者高频干扰［４－６］，文中针对ｄｑ两相旋转坐标系下不引入电网电压前馈的控制系统，提出了并网改进控制方案，并在５００ｋＶＡ并网逆变器上进行实验验证。结果表明该方案使系统在任何时刻均可实现无冲击并网。第２５卷第６期２０１３年１２月海军工程大学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＶＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．２５Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０１３１电路主拓扑结构与控制策略为适应大功率的要求、降低母线电压，三相ＰＷＭ并网逆变器采用三相组合式并网逆变器，输入端接蓄电池，直流侧并联大电容，网侧采用ＬＣ滤波结构，通过Ｙ／ｙ型变压器隔离并网，其拓扑结构如图１所示。并网逆变器启动前，各桥臂开关管的ＰＷＭ脉冲信号被封锁；并网启动后，通过控制电流实现单位功率因数并网。图１三相并网逆变器拓扑结构Ｆｉｇ．１Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｔｏｐｏｌｏｇｙ根据拓扑电路图，得到ｄｑ坐标系下三相并网逆变器交流侧的数学表达式Ｌｄｉｄｄｔ＝－Ｒｉｄ＋ ω Ｌｉｑ－ｕｄ＋ｖｄ；（１）Ｌｄｉｑｄｔ＝－Ｒｉｑ－ ω Ｌｉｄ－ｕｑ＋ｖｑ。（２）式中ｉｄ、ｉｑ为经ｄｑ坐标变换后的电感电流；ｕｄ、ｕｑ为ｄｑ坐标系下市电电压；ｖｄ、ｖｑ为ｄｑ坐标系下逆变器交流侧电压。文中电感电流为电流环的控制量，采用ｄｑ旋转坐标系ＰＩ控制，经单级倍频ＳＰＷＭ的调制方式驱动开关管，其控制框图如图２所示，其中ｕａ、ｕｂ、ｕｃ为三相市电电压，ｉａ、ｉｂ、ｉｃ为三相电感电流。为便于分析，不考虑逆变桥的等效增益，对各变量进行归一化处理。图２三相并网逆变器控制框图Ｆｉｇ．２Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ２启动时刻产生冲击电流的原因以ｄ轴为例，对冲击电流产生的原因进行分析，其等效电路图如图３所示。逆变桥输出电压与电网电压共同作用在滤波电感与等效电阻上，产生正弦并网电流。等效电阻比较小，此处忽略等效电阻ｒ的影响，可以得到ｉｄ变化率的表达式ｄｉｄ／ｄｔ＝（ｖｄ－ｕｄ）／Ｌ。（３）对ｄ轴电流环进行分析，控制环如图４所示，可以得到逆变桥输出电压ｖｄ的表达式０１１海军工程大学学报第２５卷ｖｄ＝（ｋｐ＋ｋｉＳ）（ｉｄｒｅｆ－ｉｄ）。（４）图３ｄ轴等效电路图Ｆｉｇ．３Ｄ－ａｘｉｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ图４ｄ轴电流环控制框图Ｆｉｇ．４Ｄ－ａｘｉｓｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ并网逆变器启动时，采用指令缓启动的方法，ｉｄｒｅｆ在某相电流每个周波的正过零点由零开始逐渐增加。启动时刻，ｉｄ＝０，ｉｄｒｅｆ＝０，使得ｖｄ＝０，由于大功率逆变器滤波电感值较小，导致ｄｉｄ／ｄｔ＜０，且绝对值非常大，电感电流以非常大的变化率减小；随后ｉｄ＜０，ｖｄ＞０，由于ＰＩ调节器的作用，ｖｄ开始增大，未增至ｕｄ大小时，ｄｉｄ／ｄｔ仍然小于零，ｄ轴电感电流继续负增长，产生冲击电流，直至ｖｄ ≈ ｕｄ。另外，由于ＰＩ调节器的调节能力有限，误差太大时ＰＩ控制器会饱和，不能够对电流进行快速调节，从而对冲击电流不能有效地进行抑制。实际应用中ＰＩ控制器数字实现时，式（４）离散化可变为ｖｄ（ｋ）＝ｖｄ（ｋ－１）＋ｋｐ［ｉｄｅｒｒ（ｋ）－ｉｄｅｒｒ（ｋ－１）］＋ｋｉＴｓｉｄｅｒｒ（ｋ）。（５）式（５）表明数字控制下ｖｄ（ｋ）不仅与ＰＩ参数以及ｋ时刻误差ｉｄｅｒｒ（ｋ）有关，还与ｋ－１时刻的误差ｉｄｅｒｒ（ｋ－１）和ｋ－１时刻控制器的输出ｖｄ（ｋ－１）相关。对于启动瞬间ｋ时刻，ｉｄｅｒｒ（ｋ）＝０。在通常情况下ｖｄ（ｋ－１）、ｉｄｅｒｒ（ｋ－１）的初始值为０，因此数字实现时启动时刻仍会存在冲击电流。从上文分析可以得出，由于控制器的影响，最终导致并网逆变器交流侧电压ｖｄ、ｖｑ与ｕｄ、ｕｑ存在差值，该差值的大小决定了冲击电流的大小与系统进入稳态的调节时间。３减小启动冲击电流的方法为了有效地抑制并网启动时刻的冲击电流，需对控制方案进行改进，以改善系统启动时刻的动态性能。根据式（５）可得，启动ｋ时刻，对ＰＩ控制器输出ｖｄ（ｋ－１）、ｖｑ（ｋ－１）进行赋值ｖｄ（ｋ－１）＝ｕｄ（ｋ－１）；（６）ｖｑ（ｋ－１）＝ｕｑ（ｋ－１）。（７）采用上述方法处理后，由于ｉｄ（ｋ）＝０，ｉｄｒｅｆ（ｋ）＝０，可得ｖｄ（ｋ）＝ｕｄ（ｋ－１）。由于ｄｑ坐标系下，ｕｄ为直流量，故ｖｄ（ｋ）＝ｕｄ（ｋ－１）＝ｕｄ（ｋ）；同理，ｖｑ（ｋ）＝ｕｑ（ｋ）。在控制过程中可以使当前电流变化率为０，接下来通过ＰＩ控制器对系统进行调节，使反馈电流能够很好地跟踪给定，进入相对稳定的动态过程。从某种意义上来讲，对数字ＰＩ控制器赋初值，相当于并网逆变器在初始时刻即进入稳态，不经历过渡过程，实现无冲击平滑地并网。以上方法同样适用于对其他控制策略的改进。４实验结果将改进后的控制方案应用于５００ｋＶＡ并网逆变器样机上进行验证。实验参数如下母线电压７５０Ｖ，网侧相电压有效值２２０Ｖ；变压器变比３８０ ∶ ２５０，滤波电感３５０ μ Ｈ，滤波电容８００ μ Ｆ，开关频率６ｋＨｚ，软件基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２８０８ＤＳＰ芯片实现，系统于Ａ相的１８０相位过零点启动并网，有功电流指令在Ａ相每个周波的１８０过零点增加１Ａ，无功电流指令为零。图５为未进行算法改进的情况下ＡＢＣ三相的电感电流波形图。由于Ａ相为市电电压过零点启动，与逆变桥输出电压基本不存在相位差，Ａ相电感电流无冲击，但Ｂ、Ｃ两相电感冲击电流达３００Ａ。图６为控制算法改进后三相电感电流波形图，由图可见，基本不存在电流冲击，实现了三相电流无冲击１１１第６期王潜等大功率并网逆变器冲击电流的抑制并网。图５控制算法未改进时三相电感电流波形Ｆｉｇ．５Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｉｎｄｕｃｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｗｉｔｈｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ图６控制算法改进后三相电感电流波形Ｆｉｇ．６Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｉｎｄｕｃｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ５结论文中针对数字化大功率三相并网逆变器存在启动冲击电流问题进行分析，建立了ｄｑ坐标系下的数学模型，提出了对并网时刻ＰＩ控制器赋值的方法，改善了并网逆变器启动时刻的动态性能。将改进后的控制策略应用于一台５００ｋＶＡ三相组合式并网逆变器，实验结果表明Ａ、Ｂ、Ｃ三相电感电流不存在冲击，可实现三相并网逆变器电流无冲击并网，验证了该改进后控制策略的正确性与有效性。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］李杰，宋文祥，马炜，等．三相ＰＷＭ并网逆变器在幅相控制下的启动性能改善［Ｊ］．电工技术学报，２００９，２４（４）１５２－１５６．ＬＩＪｉｅ，ＳＯＮＧＷｅｎ－ｘｉａｎｇ，ＭＡＷｅｉ，ｅｔａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓｔａｒｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＰＷＭｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｐｈａｓｅａｎｄａｍｐｌｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２００９，２４（４）１５２－１５６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］张亮，蔡旭，张东．并联型有源电力滤波器设计及并网冲击电流的抑制［Ｊ］．电机与控制学报，２０１０，１４（３）３９－４４．ＺＨＡＮＧＬｉａｎｇ，ＣＡＩＸｕ，ＺＨＡＮＧＤｏｎｇ．Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｍａｔｔｅｒ－ｅｌｅｍｅｎｔｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，１４（３）３９－４４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］雷大双，高阳，郭育华，等．三电平ＶＳＲ的启动过流控制研究［Ｊ］．电力电子技术，２０１０，４４（７）５８－５９．ＬＥＩＤａ－ｓｈｕａｎｇ，ＧＡＯＹａｎｇ，ＧＵＯＹｕ－ｈｕａ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｓｔａｒｔｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌＶＳＲｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，４４（７）５８－５９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］刘飞．三相并网光伏发电系统的运行控制策略［Ｄ］．武汉华中科技大学，２００８．［５］ＴＥＯＤＯＲＥＳＣＵＲ，ＢＬＡＡＢＪＥＲＧＦ，ＬＩＳＥＲＲＥＭ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓａｎｄｆｉｌｔｅｒｓｆｏｒｇｒｉｄｃｏｎ－ｎｅｃｔｅｄｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００６，１５３（５）７５０－７６２．［６］ＳＯＮＧＨＳ，ＫＥＩＬＲ，ＭＵＴＳＣＨＬＥＲＰ，ｅｔａｌ．ＡｄｖａｎｃｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｆｏｒａｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅＰＷＭｒｅｃｔｉｆｉｅｒｉｎｔｒａｃ－ｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／３８ｔｈＩＡＳＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ．Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＵＳＡＩＥＥＥ，２００３．２１１海军工程大学学报第２５卷

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