并网与独立模式切换的控制技术优化

时间：2023-06-17 理论教育 版权反馈

【摘要】：图8-10 并网/独立双模式逆变器实验系统构成图8-12a和图8-12b分别是逆变器由独立模式向并网模式切换和由并网模式向独立模式切换的实验结果，切换过程中，电压、电流波形稳定无冲击，表明所研究设计的模式切换控制逻辑是有效的，实现了逆变器并网/独立两种工作模式的平滑切换控制。

并网与独立模式切换的控制技术优化

如前所述，实现逆变器工作模式的可靠切换，需要相应的控制逻辑保证其输出控制方式与并网开关STS动作之间的配合，在逆变器处于电压源输出控制模式时可靠分断STS，避免出现两个等效电压源并联运行的情况。

由于逆变器与电网间的连接阻抗很小，逆变器输出与电网电压存在很小的电压差也会引起比较大的冲击电流。为抑制并网浪涌电流，并网前必须实现逆变器输出电压对电网电压的同步跟踪控制，确保它们在幅值、频率和相位上的一致性。

1.逆变器从独立到并网切换的基本算法

由于独立供电工作模式下，逆变器输出电压是与系统内建基准信号同步的，特别是在电网失电条件下，逆变器不可能从电网获取同步基准，电网恢复正常后，逆变器输出电压的幅值、频率和相位都有可能与电网电压的不一致。所以，在并网开关闭合前，必须首先通过锁相环跟踪控制，使逆变器输出电压在幅值、频率及相位上都与电网电压匹配，否则，并网开关闭合时存在较大的端电压差，从而导致并网冲击电流，同时对逆变器安全造成威胁。

考虑到线路连接电感等影响，应控制电网电流的上升速度，避免引起负载端过电压尖峰或者对负载可能的电流冲击。

由此可得逆变器由独立向并网过渡切换的控制逻辑与步骤：①监测电网是否满足并网条件；②实现逆变器输出电压对电网电压的锁相跟踪，保持在幅值、频率、相位上与电网电压的一致；③一旦确认并网指令，首先将逆变器输出控制模式从电压源输出转换为电流源输出，并以当时负载电流作为逆变器输出电流的给定初值；④控制闭合STS；⑤渐增电流基准幅值至并网电流给定值，同时调整逆变器输出电流对电网电压的同步跟踪。

2.逆变器从并网到独立切换的基本算法

并网工作模式下，逆变器等效为一个电流源馈出电能，其输出电流通常大于本地负载所需电流。接收到脱网调度指令后，在分断STS前，应首先减少逆变器输出电流，否则将导致对本地负载的冲击。

由于STS采用双向晶闸管型静态开关，逆变器发出分断指令后，STS滞后至流入电网的电流为零时自然关断，在此滞后期，应避免使逆变器转换为电压源输出控制模式，否则可能因逆变器输出电压与电网电压不一致而产生浪涌电流冲击。

另外，一旦形成“孤岛”运行时，并网逆变电源应自行脱网转而独立地向本地负载供电。

由此可得逆变器由并网向独立过渡切换的控制逻辑与步骤：①监收脱网调度指令或“孤岛”状态信息；②一旦确认脱网要求，首先将输出电流给定渐减为本地负载电流；③发出分断STS指令；④延时等待STS可靠关断；⑤切换模式开关MS，逆变器输出控制模式从电流源输出转换为电压源输出，控制逆变器输出电压对电网电压（或内部基准电压信号）的同步跟踪。

3.切换开关动作时刻点选择

为避免因工作模式切换过程中的暂态变化而引起对负载和电网的冲击，除采用合理的切换控制逻辑而保证逆变器输出控制方式与STS动作之间的严格配合，切换时刻点的合理选择将有利于进一步抑制可能出现的电压或电流冲击。

逆变器独立供电运行时，输出电流与输出电压间的相位关系与负载有关。负载为阻性时，电流与电压同相位；负载为感性时，电流滞后于电压；负载为容性时，电流将超前于电压。图8-9给出了典型负载条件下输出电流与电压间的相位关系。

显然，阻性负载时，电流与电压同相位，具有相同的过零点，选择在过零点切换逆变器工作模式可以实现无电压冲击或电流冲击。

而当负载为感性或容性时，电流滞后（或超前）于电压一定相位，如果选择在电压过零点切换控制模式，由于电流不为零，难以确定新控制模式下电流给定参考信号的基准。若要避免产生暂态冲击，必须预先准确测得模式切换前电流的相位，并以此相位为基准生成新控制模式下初始的电流参考信号。(www.daowen.com)

如选择在电流的过零点切换控制模式，虽然电压值不为零，但不需要为电流给定参考信号重新定相，模式切换过程中电流是平滑过渡的。这种情况下，并网前STS两端电压可能存在相位差或幅值差，导致并网动作时的电流冲击。若要避免产生这种冲击，必须实现并网前逆变器输出电压对电网电压的准确跟踪，在相位和幅值上尽可能保持一致。

图8-9 逆变器输出电流与输出电压间的相位关系

a）阻性负载 b）感性负载 c）容性负载

图8-10所示为基于DSP（TMS320LF2407A）控制的单相并网/独立双工作模式逆变器实验系统构成。考虑到电网电压稳定特性和负载不确定性，选择在电流过零点切换控制模式，并通过DSP数字锁相功能确保并网前逆变器输出电压对电网电压的准确跟踪。根据逆变器模式切换控制逻辑要求，设计相应切换控制程序流程如图8-11所示。