基于LCL滤波器的单相逆变器独立并网双模式运行平滑切换控制策略研究

+
(5)
C iC
Ugrid
L2 C
(a) 独立运行等效模型图 (b) 并网运行等效模型图 图 2 单相逆变器等效模型图
d 2 ig dt 2
+
L2 di g + ig = R dt U1 sin(ξt + θ ) R (6)
I 1 sin(λt + β ) − CU 1ξ cos(ξt + θ ) −
电压源，需采用电压型控制方式，控制其输出电 压。在这两种模式切换过程中，可能产生较大电 压、电流冲击，这对逆变器、负载和电网都是不 利的，控制系统必须准确、快速地实现两种控制 方式的转换，保证切换时刻，本地负载电压突变 尽可能要小，以减少其（特别是敏感性负载）损 害，同时入网电流要控制得当，以免过流对电网 设备造成影响。基于此类情况，双模式运行平滑 [2] 切换控制被提出 ，继而成为研究热点。 关于独立运行与并网运行间的平滑切换，大 多数的控制方法均有相似之处，相关文献[3][4][5][6] 的研究重点也都在如何最好的实现两种控制方式 的转换，以最大限度的减小电压、电流的突变。
系统要实现逆变器与电网的切换，一方面需 要并网开关来控制逆变电路与电网的连接和断 开，另一方面控制部分也要有逻辑开关控制逆变 器在电压控制模式和电流控制模式之间切换。 基于暂态分析，并参考现有控制策略，可以
图 5 平滑切换控制仿真模型图
LCL 滤波器参数同前， 电感阻尼电阻为 0.1Ω， 直流侧电压值为 400V，负载为 4.84Ω的纯阻性负 载，系统于 0.04s 由独立运行切换至并网运行。 由图 6(a)可见， 入网电流由 0 值在 3 个周期内 缓慢上升至期望值，实现了电流的缓启动，且入 网功率因数较高，PF>0.998，满足电网要求。
5 系统仿真与分析
论文根据上述切换控制策略，对基于 LCL 滤 波器的单相逆变器独立并网双模式运行平滑切换 控制进行了仿真实验，独立运行至并网运行切换 的系统仿真模型如图 5 所示。 为获得较好的控制效果，独立运行模式采用 负载电流前馈的双闭环控制，以改善独立运行时 负载抗扰动性能；并网运行模式采用并网电流和 电容电流双闭环控制策略[10]，以抑制谐振发生， 并增强系统稳定性，提高动静态性能。
图 4 逆变器双模式运行切换示意图
将独立运行切换至并网运行的控制方式归纳如 下：①调整逆变器输出电压幅值、频率、相位与 电网电压一致；②切换模式开关，控制模式由电 压型控制转为电流型控制；③闭合并网开关，电 流给定值缓慢增至期望值，即实现电流的缓启动 [9] ，并调整输出电流与电网电压同频同相。同理， 可归纳并网运行切换至独立运行的控制方式：① 断开并网开关，延迟约 0.2ms（电流过零，STS完 全关断）记录电网电压瞬时值作为独立运行电压 控制模式的初始给定值；②切换模式开关，控制 模式由电流型控制转为电压型控制；③调整输出 电压给定值，直至满足负载要求的正弦交流电。
图 3 负载电压UC暂态变化对比图
由图 3 可见，有必要在并网前将逆变器的输 出电压调整至与电网电压同频、同相，否则会产 生较大的暂态分量，对负载造成一定损害。另外， 根据此类分析方法，还可以仿真出不同切换时刻 的选取对切换过程暂态分量造成的影响，进而确 定最佳切换方式，限于篇幅，此处从略。
4 平滑切换控制
L1 iL
Isin(λt+β)
其中， ϕ = arctan[
′ = i L / C − U C /( RC ) 且有：U C
(5)
根据式(3)、(4)、(5)三式，可求出特定值为独 立向并网切换微分方程中的UC提供初始值。 同样按照上述分析，设电网电压为：
U grid = U1 sin(ξt + θ )
Abstract：The distributed generation system which using the renewable energy has two operation modes： stand-alone mode and grid-connection mode. It is necessary to achieve a smooth switch between the two modes to reduce the voltage and current mutation，thereby to relief the damages to the load，power grid and even the inverter. Paper discussed the double mode operation of single-phase inverter with LCL filter，analyzed the switching transient，created a system simulation model based on the smooth-switch control，verified the feasibility of the control theory through the result of the simulation experiment，and also provides a reference for the further experiment and application. Key words：LCL filter；single-phase inverter；double mode operation；Smooth-switch
(3)
iL =
U 1 / R 2 + C 2ω 2 sin(ωt + α − ϕ ) (1 − L1Cω 2 ) 2 + ( L1ω / R) 2
L1ω (1 − L1Cω 2 ) R ]
(4)
3 切换暂态分析
一般所研究的平滑控制策略均从控制算法出 发来研究减小切换电流、电压冲击的方法，却没 有以电路为基础分析切换过程中引起电流、电压 变化的原因及影响因素。 文献[8]应用电路分析原理 中的基本方法，建立了分布式发电并网切换电路 微分方程，并从时域角度对并网暂态入网电流与 负载电压响应进行了分析，但其分析过程未考虑 两种控制方式（电压型控制与电流型控制）之间 的转换。为更好的体现并网暂态不同控制方式间 的切换所造成的影响，可对两种运行模式建立等 效电路模型进行分析。 3.1 等效状态电路分析[8]
图 1 双模式运行单相逆变系统结构示意图
器不同的是：图中的L1、C主要是滤除逆变器输出 平衡电网电压和 电压纹波， L2滤除进网电流纹波， [7] 逆变器输出电压 。STS为控制并网切换的静态开 关，可选用双向晶闸管，其特点为在电流过零后 才会完全关断。由图可知，直流电经逆变桥后变 为交流电送入滤波环节，STS关断时，系统运行于 其输出相当于传统的 独立模式， 由于L2不起作用， LC滤波器，滤波器输出直接连接本地负载；STS 闭合时，系统进入并网运行模式，交流电经 LCL 滤波后送入电网。
可以得到并网时刻关于 UC、ig 的微分方程，见式 (5)、(6)，并可求出其通解，同理，其解包含暂态 分量与稳态分量，这里仅对暂态分量进行分析。
i g L2
R iR
L2 dU C +UC = R dt dt L2 Iλ cos(λt + β ) + U1 sin(ξt + θ ) L2 C
2
d 2U C
(2) 其中，τ、 ω ′ 、A、B 为与电路参数相关的常量。 独立模式运行至稳态时，暂态分量为 0，可得 出稳态分量的UC、iL(电感电流)的表达式：
U C = A cos ωt + B sin ωt =
U sin(ωt + α − ϕ ) (1 − L1Cω 2 ) 2 + ( L1ω / R) 2
1 引言
随着能源供需矛盾的日渐突出，新型可再生 能源分布式发电技术成为关注重点。该技术采用 风能、太阳能等新能源的分布式发电系统，通过 电力电子变换装置将新能源转化为符合国家电能 质量标准的交流电。该系统通常有独立发电与并 网发电两种运行模式，能源充足时，系统工作于 并网模式，一方面保证本地负载正常工作，另一 方面将多余的电能输送给电网，提高能源利用率； 反之，系统则切换至独立模式，仅为本地负载供 电。分布式发电系统与电网或负载的接口常采用 [1] 逆变器，其控制系统的设计会影响系统的性能 ， 因此，研究逆变器控制具有重要的实际意义。 在并网运行模式下，逆变器输出电压被电网 电压钳位不可控，需要控制器对入网电流进行有 效的控制，即此时为电流型控制方式；而在独立 运行模式下，逆变器输出对负载来说相当于一个
2 系统结构
如图 1 所示为双模式运行单相逆变系统结构， Cdc为直流母线输入电容，Q1-Q4为逆变桥开关管， 系统输出端采用LCL滤波器，与传
+
L1 dU C + U C = U sin(ωt + α ) (1) R dt
U C = e - τt (C1 sin ω ′t + C 2 cos ω ′t ) + A cos ωt + B sin ωt
系统并网前，逆变器以独立模式运行对本地 负载供电，故可将逆变桥等效为交流电压源，并 忽略隔离变压器， 等效电路如图 2(a)所示， 同理可 得出并网运行等效电路如图 2(b)所示。为简化问 题，论文以逆变器输出的基波分量为例进行分析。 根据图 2(a)由基尔霍夫电压定律和电流定律以和 电路元件的伏安特性，可得关于UC（负载电压） 的微分方程，经整理可得（1）式，通过计算可得 出UC的解，见（2）式。
基于 LCL 滤波器的单相逆变器独立/并网 双模式运行平滑切换控制策略研究
陈亚爱，金雍奥，温春雪 （北方工业大学 电力电子与电气传动北京市高等学校工程研究中心，北京，100144）
摘要：采用可再生能源分布式发电系统存在两种运行模式：独立运行与并网运行。两种模式之间需实现平滑切换， 以减小电压、电流的突变，从而缓解对负载、电网及逆变器的损害。论文讨论了基于 LCL 滤波器的单相逆变器双模式运 行方式，并对其切换暂态进行分析，针对平滑切换控制，建立了系统仿真模型，进行仿真实验，结果验证了该控制理论 的可行性，为实验研究及工程应用提供一定参考。 关键字：LCL 滤波器；单相逆变器；双模式运行；平滑切换 中图分类号：TM464，TN86 文献标识码：A