双向逆变器的并网控制策略研究.pdf

2 0 1 1年第 1期 工业 仪表 与 自动化装置 7 3 双 向逆 变器 的 并 网控 制 策略 研 究 王 兴贵 赵玲霞 卢耀文 兰州理 工大学 兰州 7 3 0 0 5 0 摘 要 介 绍 了一 种基 于 纯交流 母线供 电的风 光 柴互补 发 电 系统 中蓄 电池充放 电的装置 即双向 逆 变器 并对它的并 网运行模式进行 了深入研 究 阐述 了它在并 网运行模式下的拓扑结构 工作原 理 控制方案 在此基础上设计 出一台2 k W 实验样机 实验结果表明该双向逆变器在并 网模式下 可 以实现 能量 的双 向流动 具 有较 高的功率 因数 满足 并 网运行 要 求 关 键词 双 向逆 变器 并 网运行 高功率 因数 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 1 0 0 7 3 0 4 S t ud y o f g r id co nn e ct e d co n t r o l s t r a t e g y o f bi dir e ct io na l inv e r t e r W ANG Xin g g u i ZHAO Lin g x ia LU Ya o we n L a n z h o u U n i v e r s i t y of T e ch n o l o g y L n n z h o u 7 3 0 0 5 0 C h i n a Abs t r a ct Thi s p a p e r in t r o d u ce s a d e v ice ca lle d b i di r e ct i o n a l in v e r t e r wh ich ca n b e u s e d in ch a r g in g o r di s ch a r g in g s t o r a g e b a t t e r y in a win d s o la r d ie s e l h y b r i d p o we r s y s t e m b a s e d o n p u r e AC b u s ma k e s f u r t h e r s t ud y in t o it s g r id c0 n n e ct e d o p e r a t io n mo d e a n d d e s cri b e s i t s t o p o l o g y s t r u ct u r e o p e r a t i o n pri n c i pl e a n d c o n t r o l s c h e me i n g r id co n n e ct e d o p e r a t io n mo d e On t hi s ba s is a 2 k W e x p e r ime n t a l p r o t o t y p e h a s b e e n de s ig n e d Th e e x p e r ime n t a l r e s u lt s s h o w t h a t t h e b i d ir e ct i o n a l in v e rte r e a n a ch ie v e b i d ir e ct i o n a l fl o w o f e ne r gy h a s h ig h p o we r f a ct o r a n d me e t s t h e n e e d o f g r id co n n e ct e d o p e r a t io n Ke y wo r d s b i di r e ct i o n a l i n v e r t e r g r id co n n e ct e d o p e r a t io n h ig h p o we r f a ct o r O 引言 基于交 流母线并 接技术 的风光 柴互补发 电系 统 具有各发电设备功率可叠加 运行简单 可靠性 高 扩展方便等优点 为远离公共 电网或电网不稳定 地区的供 电问题提供 了非常好 的解决方案 目前 国内对该技术的研究正处于起步阶段 该文研究的双向逆变器就是基于交流母线并接 技术即纯交流母线型 的风光 柴互补发 电系统 其 主要功能为实现蓄电池与交流母线之间交直流的转 换和能量的双向流动 文 中从双向逆变器的功能出 发 研究了它在并网运行模式下主电路拓扑结构 工 作原理及控制方案 并研制了一台实验样机 以单片 机 D S P I C 3 0 F 3 0 1 1为控 制核心 实现 了双 向逆 变器 在并 网运行模式下的整流 和逆变控制 以及高功率 因数运 行 同时 为抑制并网充 放电过程 中电网电压波动 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 3 作者简介 王兴贵 1 9 6 3 男 甘肃甘谷人 教 授 研究方 向为 电 力 电子技术及运动控制 和负载扰动的影响 提高系统的动态 响应速度和抗 干扰性 在双向逆变器 的控制中 引入了模糊 自适应 P I 控制 使系统具有较好 的适应性和动静态性能 1 基 于纯 交流母 线型 的风 光 柴 互补 发 电 系 统及双 向逆 变器 的运行模 式 基于纯交流母线供 电的风光柴互补发电系统结 构框 图如图 1 所示 公 电 l 删 交流母线 图 1 风光柴互补发 电系统结构框 图 由图 1可知 系统主要 由风力发电单元 光伏发 电单元 蓄电池单元 柴油发 电机等构成 且所有单 元都并接在交流母线上 便于系统容量的扩展 该系 7 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1 年第 1 期 统既可独立运行也可并 网运行 在该系统 中 蓄 电 池和柴油发电机均为后备供电单元 当风光资源充 足时 由风力或光伏发 电单元为交流负载供电 并通 过双向逆变器整流向蓄电池充 电储能 一旦风光发 电单元的输出功率不足 以供给负载 或有公共电网 存在且公共电网出现故障的情况下 首先 由蓄电池 通过双向逆变器将直流逆变为交流给负载供电 为 防止蓄电池过放 在放电过程中对蓄电池端电压不 断进行检测 当达到放电终止电压时 应启动柴油发 电机给负载供 电 并对蓄电池进行充 电 在系统运行过程中 双 向逆变器主要有并 网运 行模式和独立逆变运行模式 该文主要研究 了并网 运行模式及该模式下的整流和逆变控制 在并网运 行模式下 双向逆变器需要协调 自身的电压和频率 与电网电压 频率保持一致 同时还需控制蓄电池的 充放电电压 电流的大小及方向 直流侧滤波 电容 c 等构成单相 电压型 P WM整流 电路 由1 r 5 T 6 V D 5 V D 6 L 1 等构成双向 D C D C直 流斩波电路 其 中 T L V D 为降压斩波电路 L T 6 V D 为升压斩波电路 当双向逆变器对蓄电池 充电时 P WM整流器工作于整流状态 D C D C变换 器工作于降压斩波状态 蓄电池放 电时 P WM 整流 器工作于逆变状态 D C D C变换器工作于升压斩波 状态 辩 D 3 J 3 l L 圭Ud z C2 圭 q D 2T 图 3 并 网双向逆变器主电路结构图 2 双 向逆变器 的构成及工作原理 3 系统控 制策 略 根据双向逆变器的功能 其主电路构成 主要有 2种方案 一种是由变压器与 P WM整流器构成 另一种是 由 P WM整流器与 D C D C直流斩波电路 构成 与前一种方案相 比 后一种方案由于没有 使用变压器而是通过在直流侧加入 D C D C变换 从 而提高了系统工作效率 因此 文中双 向逆变器 的 主电路结构采用第 2种方案 控制芯片采用单片机 D S P I C 3 0 F 3 0 1 1 控制系统结构如图 2所示 单相 厂 L C I l P WM 电源 U 滤波 LJ 整流器 DC DC 变换器 H H 懈毫 l l l 流 检 测 图 2 双 向逆变器系统结构框 图 双向逆变器主要包括 主电路 和控制 电路 2部 分 主电路包括 L C滤波 P WM整流器 D C D C变 换器等 控制电路包括交流量和直流量 的检测 以 及 过 压 过 流 保 护 等 控 制 系 统 以 单 片 机 D S P I C 3 0 F 3 0 1 1 为 核心 通 过对 P WM 整 流器 的控 制 实现双向逆变器在并 网运行模式下 的整流和逆 变运行 通过对 D C D C变换器的控制实现对蓄电池 充放电电压 电流大小和方向的控制 4 系统主电 路结 构如 图 3所 示 图中 由交流侧滤波电感 L 开关器件 T 一T 在并网运行模式下 对双向逆变器 的控制一方 面要满足并 网运行 条件 即网侧 电流 i 波形无 畸 变 且与电网电压 u 同频同相 功率因数接近于 1 同时能够对交流侧电流进行快速调节 另一方面 应 根据具体的蓄电池充放 电方法对充电电压 电流进 行控制 对上述两方面的控制要求分别通过 P WM 整流器和 D C D C直流斩波控制来实现 3 1 P WM 整 流器 的控制 当系统稳定运行时 根据整流器交 直流侧功 率平衡原理 忽略损耗有 U d I d 1 其 中 u 分别为交流侧 电压 电流的有效值 由式 1 可得 2 式中 K 为整 流器交流侧与直 流侧 的电流传 递系 数 根据 图3有 cl 3 由式 2 和式 3 可知 通过控制内环交流 便 可控制直流侧滤波电容 C 的电流 进 而控制其 电 压 为保持直流电压的稳定 外环采用直流电压环 常规的双闭环控制中外环采用 P I 调节 而在实际的 风光柴互补发电系统 中 当蓄电池充 放电时 由于 负载的投切 网侧电压波动及蓄电池充放电电压 电 2 0 1 1年第 1期 工业仪 表与 自动化装置 7 5 图 4 P WM整流器控制 电路结构 图 流的变化都会使直流侧 电压产生波动 使得双 向逆 变器无法同时满足动 静态特性 的要求 因此 外环 调节器采用模糊 自适应 P I 调节器 以提高系统 的抗 干扰性 鲁棒性 改善系统的动 静态性能 根据 以 上分析 可得 P WM整流器的双闭环控制结构如图 4 所示 在图 4所示的双 闭环控制结构 中 外环为直流 电压环 以保持直流侧电压的稳定 内环为交流电流 环 采用 P调节器 以提高 电流跟随的快速性 其工 作原理如下 直流电压外环 的给定值 与反馈值 的偏差信号经模糊 P I 调节器调节后与锁相环输 出的电网电压同步正弦信号相乘 其结果作为 内环 的交流电流给定值 i 通过 电流内环对 电流给定 的 跟随控制 使得 P WM 整流器交 流侧 电流为与 网侧 电压同频 同相的正弦波 使双向逆变器满足并网运 行要求 3 2 模 糊 自适应 P I 控制 模糊 自适应 P I 控制是在 P I 算法基 础上 首先 通过从系统的稳定性 响应速度 超调量和稳态精度 等方面找 出 P I 参数 和 并分析其对系统输 出 特性 的影响 建立 K 和 K 与误差 e和误差变化率 e c 之间的模糊关系 在系统中不 断检测 e 和 e c 再 根据模糊控制规则进行模糊推理 查询模糊矩阵表 对 和 K 进行在线调整 以满足不 同 e和 e c 时对 P I 控制参数的 自整定要求 从而使被控对象具有 良 好的动静态性能 其结构如图 5所示 图 5模 糊 自适 应 P 1 控 制 器 结 构 模糊逻辑控制器根据输入变量和模糊控制规则 确定合适的输出 模糊控制规则包含了专家对如何 达到 良好控制的语言描述 推理机制评估与当前有 关的控制规则 通过去模糊化将评估结果转换为数 字量控制输出 模糊控制规则如表 1和表 2所示 3 3 DC DC变 换器 的控 制 构 如 图 6所 示 蓄电池充 电采用先恒流 后恒 压 的两 阶段 充 电 法 二 者根据蓄电池的充 电电压进 行切 换 放 电 时采 用 恒 流 放 电法 根 据 蓄 电池 充 放 电 方法 D C D C变换 器 采 用 双 闭环控制结构 控制 电路结 表 1 的模糊控制规则表 举榧 图 6 DC DC直 流斩 波器 控 制 结 构 图 从图 6可以看 出 直流电压外环和电流内环均 采用 P I 调节器 当蓄电池进行恒压充 电时 外环为 直流电压环 以保持蓄电池充电电压的恒定 内环为 直流电流环 当蓄电池以恒流充电或放 电时 电压外 环不起作用 只有电流内环起作用 电流给定值与反 馈值 比较后 其差值送 电流环 P I 调节器 调节器的 输出经隔离驱动后控制直流斩波电路中开关管的开 通与关断 以保持充 放电电流的恒定 4实验结果 根据上述分析 搭建了硬件平台 实验主要参数 如下 交流侧输入 电压为 2 2 0 V 频率 5 O H z 交流侧 7 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1 年第 1期 滤波电感 2 m H 中间直流电压 3 1 0 V 直流侧滤波 电容 4 5 0 V 4 7 0 I x F 开关器件选用 I G B T 开关频率 为 1 0 k H z 蓄 电池 电压 为 2 4 0 V 图 7蓄 电池充电时网压与交流输入电流波形 图 7为蓄电池充电时网侧 电压与交流输入电流 波形 由图可见 双 向逆变器整流时 电网电压 与 P WM整流器交流输入电流的相位 频率基本一致 功率因数接近于 1 能量由电网流向蓄电池 图8为直流斩波电路恒压充电波形 由于蓄电池 电压为2 4 0 V 均充时其充电电压值一般为 2 7 6 2 8 2 V左右 文中选2 8 0 V 通道 1为P WM整流桥滤波后 的直流电压输出波形 通过双闭环控制使其稳定在 3 1 0 V附近 通道 2为降压斩波电路输 出侧 的直流电 压波形 通过斩波控制 将整流后的直流输出电压降 低到 2 8 0 V对蓄电池充电 并使其保持恒定 一 一 一 一 一 士一 一 一 一 一 1 一 2 r0 1 一 5 2 2 27 二 0 0 0 一 毒 2 i 一 l 叶 叶 中 p p i p 1 I I l 士 l j 七 l 一 j 妻 一 i I J i i 图 8 恒压充 电时 D C D C输入输出侧直流电压波形 图 9 图 1 0分别给出了并网逆变时的桥臂触发 信号波形 以及交流侧电网电压与逆变输 出电流波 形 由图 l0可知 在并网运行模式下 当蓄电池放 电时 电网电压与逆变输出电流的相位相反 功率因 数接近于一 1 能量从蓄电池流向电网 5结 语 实验结果表明 该方案下 的双向逆变器在并网 图 9 单管 S P WM 驱动信号波形 图 1 0 蓄电池放电时网压与逆变输出电流波形 运行模式下 通过适当控制可以实现能量的双向流 动 整流时 直流输出电压保持恒定 不受电网电压波 动及负载投切的影响 具有较高 的控制精度和稳定 性 逆变时 逆变输出电流接近正弦波 并且具有较高 的功率因数 对电网谐波污染小 满足并网运行要求 参考文献 1 A h m a d A g u s S e