CN104767220A

CN104767220A - 并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法

Info

Publication number: CN104767220A
Application number: CN201510180779.4A
Authority: CN
Inventors: 尧永; 方宇; 王明龙; 郑金燕
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Jiangsu Hongxin Energy Technology Co ltd
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: CN104767220B

Abstract

本发明涉及并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法。本发明将信号均连接到调理电路，接AD采样输入端，接离网电压基准前馈、电网电压前馈模块、电流控制器和电网电压前馈模块；离网电压基准分别接电压控制器，并网电流基准接电流控制器，电压控制器和电流控制器输出接模式开关，其输出接电流调节器，电流调节器输出接加法器，离网电压基准前馈和电网电压前馈接选择开关，选择开关的输出再连接到加法器，加法器的输出连接到PWM发生器，再连接到驱动电路，驱动电路的输出连接到逆变器。本发明克服了产生突变和难以测定电网电压缺陷。本发明抑制了逆变器在并网运行和独立运行两模式切换时的电量冲击，实现所述两模式的平滑切换。

Description

并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器，属于电力电子与电工技术领域，特别涉及逆变器的一种并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法。

背景技术

分布式发电系统与电网和负载的接口常采用逆变器，该系统通常有并网运行和独立运行两种模式。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。在并网运行模式下，一般需要电流控制器对并网电流进行有效的控制，即为电流型控制方式；而在独立运行模式下，逆变器输出对负载来说相当于一个电压源，需采用电压控制器对逆变器的电压进行控制，即为电压型控制方式。

在这两种模式切换过程中，可能产生较大电压/电流冲击(电量冲击)，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，独立运行模式和并网运行模式的平滑切换控制被提出并成为研究热点。

在本发明之前，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，即如何最好地实现两种控制模式转换，从而最大限度的减小电压/电流的突变。

其存在的缺陷

一是：当并网切换时，并网之前，控制逆变器的输出电压不断跟踪电网电压的幅值、相位；脱网切换到独立运行时，控制系统以断网前负载电压的相位、幅值作为电压参考信号，从而实现无缝切换。虽然在一定程度上解决了随意切换所带来的问题，但该方法忽略了在电网出现故障时，并网开关(通常采用双向晶闸管)只有在入网电流完全过零后才能断开，这样从故障发生到并网开关断开这段时间里，控制环节仍为电流型的控制方式，所以本地负载两端的电压仍然会受到故障电网电压的影响，并且会产生突变，进而会对某些敏感负载在一定程度上带来安全隐患。

二是：为了解决上述问题，并网开关的关断信号由控制系统给出的同时，控制环节由电流型控制方式转为电压型控制方式，间接地通过控制此时逆变器输出电压的幅值、相位来加快并网开关的关断速度，进而改善上述问题。但该方法欠妥，因为在电网发出故障的时刻，很难测定电网电压，加速关断这一控制思想很可能不成立，甚至会在一定程度上延长了关断时间。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制并网运行模式和独立运行模式切换控制的前馈控制方法。

本发明的技术方案是：

并网运行模式和独立运行模式切换控制电路，直流电源连接逆变器，逆变器的输出接负载，再经并网开关连到电网，其主要技术特征在于直流电源的输入直流电压、逆变器中滤波电感上的电流检测信号、负载电压检测信号、并网电流检测信号和电网电压检测信号均连接到调理电路，调理电路的输出连接到控制芯片的AD采样输入端，AD采样输出分别将对应的信号连接到离网电压基准前馈和电网电压前馈模块、电流调节器、电压控制器、电流控制器和电网电压前馈模块；离网电压基准分成两路分别连接到电压控制器和离网电压基准前馈模块，并网电流基准连接到电流控制器，电压控制器和电流控制器的输出均连接到模式开关，模式开关的输出连接到电流调节器，电流调节器的输出连接到加法器；离网电压基准前馈和电网电压前馈均连接到选择开关，选择开关的输出再连接到加法器，加法器的输出连接到PWM发生器，再连接到驱动电路，驱动电路的输出连接到逆变器。

所述当逆变器处于并网运行模式下，模式开关选择电流控制器实现电流型控制模式，同时选择开关选择电网电压前馈，并送往加法器与电流调节器的输出信号相加得到调制波信号，其中电网电压前馈量经PWM发生器产生相应的预置占空比。

所述当逆变器处于独立运行模式下，模式开关选择电压控制器实现电压型控制模式，同时选择开关选择离网电压基准前馈，并送往加法器与电流调节器的输出信号相加得到调制波信号，其中离网电压基准前馈量经PWM发生器产生相应的预置占空比。

所述逆变器在并网运行模式和独立运行模式下分别选择电网电压前馈和离网电压基准前馈产生预置占空比，所述两种模式下前馈量的产生方法，和所述两种模式进行切换时选择开关与模式开关的同步切换：

(1)在逆变器处于并网运行模式时，电网电压前馈由电网电压采样值除以直流电源输入电压采样值计算得到，即u_acs/V_dcs，其中u_acs是电网电压的采样值，对应电网电压，V_dcs是逆变器的直流电源输入电压采样值，对应直流电源输入电压：

(2)在逆变器处于独立运行模式时，离网电压基准前馈由离网电压基准除以直流电源输入电压采样值计算得到，即u_{ac_ref}/V_dcs，其中u_{ac_ref}是独立运行时逆变器输出电压的离网电压基准，V_dcs是逆变器的直流电源输入电压采样值，对应直流电源输入电压；

(3)在所述两种模式进行切换时，选择开关和模式开关同步切换，具体步骤是：当逆变器由独立运行模式切换至并网运行模式时，①调整逆变器的输出电压，实现电网的锁相；②切换模式开关，控制模式由电压型控制转为电流型控制，同时选择开关选择电网电压前馈；③闭合并网开关，电流给定值缓慢增至并网电流基准；当逆变器由并网运行模式切换至独立运行模式时，①断开并网开关，记录此时的电网电压瞬时值并作为独立运行时的初始离网电压给定值；②切换模式开关，控制模式由电流型控制转为电压型控制，同时选择开关选择离网电压基准前馈；③按离网电压基准进行调整以实现负载所要求的正弦交流电。

所述逆变器处于并网运行模式时的预置占空比，会在逆变器桥臂中点间产生接近于电网电压的交流基波电压，逆变器滤波电感上电压差很小，基本维持滤波器上的能量平衡，此时电流调节器产生的占空比用来控制流向电网和负载的电流；逆变器处于独立运行模式时的预置占空比会在逆变器桥臂中点间产生接近于离网电压基准的交流基波电压，此时电流调节器产生的占空比用来控制流向负载的能量。

本发明优点在于逆变器运行在所述两种模式下时，通过选择开关和模式开关的同步切换，可实现并网运行模式下的电网电压前馈，产生预置占空比，和独立运行模式下的离网电压基准前馈，产生预置占空比。抑制了逆变器在并网运行和独立运行两模式切换时的电量冲击，实现所述两模式的平滑切换，从而缓解对负载、电网及逆变器的损害。优点还在于从控制理论角度来说，加入前馈控制，可以减轻调节器的负担，加快控制系统的动态响应速度。

本发明的优点还在于可通过数字控制芯片实现控制策略，选择开关与模式开关属逻辑开关，选择开关与模式开关的切换容易实现同步，不额外增加控制成本。

本发明的效果就在于逆变器进行所述两模式的切换时，由选择开关实现前馈量与模式开关的同步切换，且在切换暂态过程中预置占空比接近相等，从而避免了逆变器中滤波器上的能量突变而带来的电压/电流冲击。

相比于本发明之前的控制方法，本发明减少了控制的复杂程度，控制参数易优化，可在任意时刻实现所述两种模式的切换，确保了切换的快速性，并提高了可靠性，可实现并网开关的任意时刻开闭，以实现逆变器的并网运行模式和独立运行模式的平滑切换。

本发明的其他具体优点和效果将在下面继续说明。

附图说明

图1——本发明的系统组成示意图。

图2——本发明实现电路构成示意图。

图3——本发明实现前馈量的产生方法示意图。

图4——本发明实现所述两种模式切换过程的控制流程图。

图5——本发明实施电路构成示意图。

图6——本发明中并网运行模式向独立运行模式切换的实验波形示意图。

图7——本发明中独立运行模式向并网运行模式切换的实验波形示意图。

图中各标号表示对应的部件名称如下：

直流电源1、逆变器2、负载3、并网开关4、电网5、调理电路6、AD采样7、离网电压基准8、并网电流基准9、电压控制器10、电流控制器11、模式开关12、电流调节器13、离网电压基准前馈14、电网电压前馈15、选择开关16、加法器17、PWM发生器18、驱动电路19、前馈控制20、控制芯片21。

图2中的符号名称：

C_dc	直流母线电容	V_dc	直流输入电压
				S₁～S₄	开关管	v_ab	逆变器桥臂中点电压
L_s	滤波电感	C_ac	滤波电容
				R_L	负载	K	并网开关
i_L	滤波电感中的电流	i_c	滤波电容中的电流
				i_Lo	负载中的电流	i_ac	并网电流
u_ac	电网电压	v_dr1～v_dr4	S₁～S₄的驱动信号
				V_dcf	调理电路输出直流输入电压	V_dcs	直流输入电压采样值
i_Lf	调理电路输出滤波电感电流	i_acf	调理电路输出并网电流
				i_Ls	滤波电感电流采样值	i_acs	并网电流采样值
v_o	负载电压	v_of	调理电路输出负载电压
				v_os	负载电压采样值	u_acf	调理电路输出电网电压
u_acs	电网电压采样值	u_{ac_ref}	离网电压基准
				i_{ac_ref}	并网电流基准	i_{L_ref}	滤波电感电流基准
v_reg	电流调节器输出信号	v_{reg_fo}	前馈量
				v_{reg_c}	调制波信号	d_ab	占空比
D_pre	预置占空比	d	调节器占空比
				i_Lo	负载电流

图6和图7中的t表示时间。

名词术语：

V2G：Vehicle to Grid，电动汽车向电网。

具体实施方式

本发明的基本思路是：

逆变器处于并网运行模式时的预置占空比，会在逆变器桥臂中点间产生接近于电网电压的交流基波电压，逆变器滤波电感上电压差很小，基本维持滤波器上的能量平衡，此时电流调节器产生的占空比用来控制流向电网和负载的电流；逆变器处于独立运行模式时的预置占空比会在逆变器桥臂中点间产生接近于离网电压基准的交流基波电压，此时电流调节器产生的占空比用来控制流向负载的能量。相比较而言，在所述两种模式中的预置占空比都比电流调节器生成的占空比大得多。因电网电压u_ac与离网电压基准u_{ac_ref}近似相等，从而在所述两种模式切换的瞬间，逆变器的实际占空比近似相等，即逆变器在所述两种模式切换的过程中，开关管上的占空比不会出现突变，故逆变器中的输出滤波器不会产生过大的电压和电流冲击，即实现了所述两种模式的平滑切换。

因此，本发明是针对逆变器并网运行模式和独立运行模式切换的平滑控制要求，提出了一种基于选择开关和模式开关同步切换的前馈控制方法。

下面具体说明本发明内容。

如图1、图2和图3所示：

本发明由如下部件构成，直流电源1、逆变器2、负载3、并网开关4、电网5、调理电路6、AD采样7、离网电压基准8、并网电流基准9、电压控制器10、电流控制器11、模式开关12、电流调节器13、离网电压基准前馈14、电网电压前馈15、选择开关16、加法器17、PWM发生器18、驱动电路19、前馈控制20和控制芯片21构成。其中离网电压基准前馈14、电网电压前馈15和选择开关16构成前馈控制20；AD采样7、离网电压基准8、并网电流基准9、电压控制器10、电流控制器11、模式开关12、电流调节器13、离网电压基准前馈14、电网电压前馈15、选择开关16、加法器17和PWM发生器18均由控制芯片21实现。

如图2所示：

直流电源1连接逆变器2，逆变器的输出接负载3，再经并网开关4连到电网5构成功率电路；直流电源1的输入直流电压V_dc、逆变器2中滤波电感Ls上的电流检测信号i_L、负载电压检测信号v_o、并网电流检测信号i_ac和电网电压检测信号u_ac均连到调理电路6，调理电路6的输出连到控制芯片21的AD采样7，AD采样7中的AD0、AD1、AD2、AD3和AD4分别输出直流输入电压采样值V_dcs、电感L_s上的电流采样值i_Ls、负载电压采样值v_os、并网电流采样值i_acs和电网电压采样值u_acs，将这些采样值分别送往离网电压基准前馈14和电网电压前馈模块15、电流调节器13、电压控制器10、电流控制器11和电网电压前馈15模块；离网电压基准u_{ac_ref}分成两路分别连到电压控制器10和离网电压基准前馈14，并网电流基准i_{ac_ref}送到电流控制器11，电压控制器10和电流控制器11的输出均连到模式开关12，模式开关12的输出i_{L_ref}送到电流调节器13，电流调节器的输出v_reg送到加法器17；离网电压基准前馈14和电网电压前馈15均连到选择开关16，选择开关16的输出v_{reg_fo}送到加法器；加法器的输出v_{reg_c}连到PWM发生器18，再连到驱动电路，驱动电路的输出v_dr1、v_dr2、v_dr3、和v_dr4送到逆变器2中的开关管，通过控制逆变器2中开关管的开通与关断输出交流电量并得到桥臂中点电压v_ab。

本发明是通过采用相应的传感器(图中未画出，省略)来检测并得到直流电源的输入直流电压V_dc、逆变器2中滤波电感L_s上的电流检测信号i_L、负载电压检测信号v_o、并网电流检测信号i_ac和电网电压检测信号u_ac，这些传感器在图1、图2和图3中只用示意表示。

在本发明中，当逆变器处于并网运行模式下，模式开关12选择电流控制器11实现电流型控制模式，选择开关16与模式开关12同步切换并选择电网电压前馈15作为前馈量v_{reg_fo}；当逆变器处于独立运行模式下，模式开关12选择电压控制器10实现电压型控制模式，选择开关16与模式开关12同步切换并选择离网电压基准前馈14作为前馈量v_{reg_fo}。选择开关16得到的前馈量v_{reg_fo}经加法器17实现v_{reg_fo}与电流调节器的输出信号v_reg相加，进而得到调制波信号v_{reg_c}，即v_{reg_c}＝v_{reg_fo}+v_reg，这个调制波信号v_{reg_c}再经PWM发生器18调制后产生占空比控制信号d_ab，且d_ab＝D_pre+d。由叠加定理知占空比控制信号中包含两个分量，一个分量是预置占空比D_pre，是调制波信号v_{reg_c}中的分量v_{reg_fo}经PWM调制后得到的占空比分量，另一个分量是调节器占空比d，是调制波信号v_{reg_c}中的分量v_reg(是电流调节器13的输出信号)经PWM调制后得到的占空比分量。这样逆变器并网运行时前馈量由电网电压前馈15模块提供，独立运行时前馈量由离网电压基准14模块提供，并产生相应的预置占空比D_pre。

由图2和图3知所述的两种模式下前馈量的产生方法如下：

(1)在逆变器处于并网运行模式时，电网电压前馈15模块由电网电压采样值u_acs除以直流电源输入电压采样值V_dcs计算得到，即u_acs/V_dcs，其中u_acs对应电网电压，V_dcs对应直流电源输入电压；

(2)在逆变器处于独立运行模式时，离网电压基准前馈14模块由离网电压基准u_{ac_ref}除以直流电源输入电压采样值V_dcs计算得到，即u_{ac_ref}/V_dcs，其中u_{ac_ref}是独立运行时逆变器输出电压的离网电压基准，V_dcs对应直流电源输入电压。

前面的描述知本发明提出的前馈控制方法中涉及选择开关16和模式开关12两部件，在本发明的方法中，逆变器进行并网运行模式与独立运行模式切换时，选择开关16与模式开关12需同步切换，具体所述两种模式切换控制的具体步骤结合图4描述如下：

(1)当逆变器由独立运行模式切换至并网运行模式时，①调整逆变器的输出电压v_o与电网电压u_ac同步；②切换模式开关K，控制模式由电压型控制转为电流型控制，与此同时，选择开关K选择电网电压前馈；③闭合并网开关K，电流给定值缓慢增至并网电流基准(i_{ac_ref})；

(2)当逆变器由并网运行模式切换至独立运行模式时，①断开并网开关，记录此时的电网电压瞬时值并作为独立运行时的初始离网电压给定值；②切换模式开关，控制模式由电流型控制转为电压型控制，与此同时，选择开关选择离网电压基准前馈；③按离网电压基准(u_{ac_ref})进行调整以实现负载要求的正弦交流电。

本发明实现逆变器的并网运行模式和独立运行模式平滑切换的原理是：逆变器处于并网运行模式时的预置占空比，会在逆变器桥臂中点间产生接近于电网电压的交流基波电压，逆变器滤波电感上电压差很小，基本维持滤波器上的能量平衡，此时电流调节器产生的占空比用来控制流向电网和负载的电流；逆变器处于独立运行模式时的预置占空比会在逆变器桥臂中点间产生接近于离网电压基准的交流基波电压，此时电流调节器产生的占空比用来控制流向负载的能量。相比较而言，在所述两种模式中的预置占空比都比电流调节器生成的占空比大得多。因电网电压u_ac与离网电压基准u_{ac_ref}近似相等，从而在所述两种模式切换的瞬间，逆变器的实际占空比近似相等，即逆变器在所述两种模式切换的过程中，开关管上的占空比不会出现突变，故逆变器中的输出滤波器不会产生过大的电压和电流冲击，即本发明能实现所述两种模式的平滑切换。

本发明的一个具体实施例子如下：

实施图如图5所示，采用单相逆变器，直流输入电压V_dc＝400V，L_s＝1.3mH，C_ac＝4.7F，电网电压有效值230Vac，功率3.3kW，负载R_L＝20Ω，开关管选用仙童I GBT FGH40N65UFD(40A/650V)，开关频率f_s＝20kHz，直流侧电容C_dc用两只2200uF并联，并网开关先用泰科继电器，型号是T92P11D22-12V。控制芯片21选用TI公司DSP TMS320F28035，采用全数字控制，电压控制器和电流控制器均采用PI调节器，电流调节器采用P调节器，模式开关和选择开关都是由程序实现的逻辑开关。采用如图3的前馈控制，和如图4的切换控制方法，得到实验波形如图6和图7。图6所示是逆变器由并网运行模式向独立运行模式切换的波形，表明在电网出现故障时，系统能够立即切换至独立运行模式工作，负载电流i_Lo连续，没有冲击，实现了平滑切换，保证了负载不掉电运行；图7所示是电网从故障中恢复过来，需要重新并网运行，逆变器由独立运行模式向并网运行模式切换，此时需等待逆变器输出电压与电网同步，一旦锁相完成后逆变器的状态由电压型控制转变成电流型控制，为防止电流冲击的出现，并网电流幅值缓慢变大。

从以上的描述可知，本发明提出了一种适用于逆变器并网运行模式和独立运行模式平滑切换的前馈控制方法，在并网运行模式下通过选择开关和模式开关的同步切换选择电网电压前馈，而在独立运行模式下通过选择开关和模式开关的同步切换选择离网电压基准前馈。本发明的思路也适用于三相逆变器并网运行模式和独立模式的平滑切换控制。本发明有助于交流微网中并网运行模式和孤岛运行模式实现平滑切换。可获得如下好处：

1)控制简单，动态响应速度快，控制参数易整定，不额外增加成本

2)能实现逆变器并网运行模式和独立运行模式的平滑切换；

3)本发明的思路同样适用于三相逆变器。

4)在电动汽车双向充电机的V2G应用中可实现应急电源功能，适用于微网的并网/孤岛运行模式切换。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法，直流电源连接逆变器，逆变器的输出接负载，再经并网开关连到电网，其特征在于直流电源的输入直流电压、逆变器中滤波电感上的电流检测信号、负载电压检测信号、并网电流检测信号和电网电压检测信号均连接到调理电路，调理电路的输出连接到控制芯片的AD采样输入端，AD采样输出分别将对应的信号连接到离网电压基准前馈和电网电压前馈模块、电流调节器、电压控制器、电流控制器和电网电压前馈模块；离网电压基准分成两路分别连接到电压控制器和离网电压基准前馈模块，并网电流基准连接到电流控制器，电压控制器和电流控制器的输出均连接到模式开关，模式开关的输出连接到电流调节器，电流调节器的输出连接到加法器；离网电压基准前馈和电网电压前馈均连接到选择开关，选择开关的输出再连接到加法器，加法器的输出连接到PWM发生器，再连接到驱动电路，驱动电路的输出连接到逆变器。

2.根据权利要求1所述的并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法，其特征还在于当逆变器处于并网运行模式下，模式开关选择电流控制器实现电流型控制模式，同时选择开关选择电网电压前馈，并送往加法器与电流调节器的输出信号相加得到调制波信号，其中电网电压前馈量经PWM发生器产生相应的预置占空比。

3.根据权利要求1所述的并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法，其特征还在于当逆变器处于独立运行模式下，模式开关选择电压控制器实现电压型控制模式，同时选择开关选择离网电压基准前馈，并送往加法器与电流调节器的输出信号相加得到调制波信号，其中离网电压基准前馈量经PWM发生器产生相应的预置占空比。

4.根据权利要求1或2或3所述的并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法，其特征在于逆变器在并网运行模式和独立运行模式下分别选择电网电压前馈和离网电压基准前馈产生预置占空比，所述两种模式下前馈量的产生方法，和所述两种模式进行切换时选择开关与模式开关的同步切换∶

(1)在逆变器处于并网运行模式时，电网电压前馈由电网电压采样值除以直流电源输入电压采样值计算得到，即u_acs/V_dcs，其中u_acs是电网电压的采样值，对应电网电压，V_dcs是逆变器的直流电源输入电压采样值，对应直流电源输入电压；

(2)在逆变器处于独立运行模式时，离网电压基准前馈由离网电压基准除以直流电源输入电压采样值计算得到，即u_{ac_ref}/V_dcs，其中_{uac_ref}是独立运行时逆变器输出电压的离网电压基准，V_dcs是逆变器的直流电源输入电压采样值，对应直流电源输入电压；

5.根据权利要求1或4所述的并网运行模式和独立运行模式切换的前馈控制方法，其特征在于逆变器处于并网运行模式时的预置占空比，会在逆变器桥臂中点间产生接近于电网电压的交流基波电压，逆变器滤波电感上电压差很小，基本维持滤波器上的能量平衡，此时电流调节器产生的占空比用来控制流向电网和负载的电流；逆变器处于独立运行模式时的预置占空比会在逆变器桥臂中点间产生接近于离网电压基准的交流基波电压，此时电流调节器产生的占空比用来控制流向负载的能量。