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直流微电网三相双向逆变器的直流母线电压控制
T.-F. Wu，C.-H.Chang，L.-C Lin，Y.-C. Chang
摘要：介绍了一种用于直流微电网应用的三相双向逆变器的直流母线电压控制。双向逆变器可以实现并网和功率因数校正的整流方式。提出的控制方法包括两种方法，一种是单线周期调节法(OLCRA)，另一种是六分之一线周期调节法(OSLCRA)，考虑直流母线电容，调节直流母线电压，跟踪直流母线电压与逆变电感电流的线性关系。利用单线周期调节法，逆变器可以在每一个线路周期内准确地将直流母线电压调至所需电压，减少了工作模式变化的频率和电流畸变。六分之一线周期调节法每六分之一线路周期调整一次电流命令，以适应直流母线电压的突变。这两种方法可以在不增加直流母线电容的情况下，防止直流母线电压的急剧变化，提高直流微网的可用性。本文还介绍了直流母线电容的测定方法。在10kVA三相双向逆变器上的实验结果验证了所讨论控制方法的可行性。
关键词：逆变器，电压控制，电容，电感，双向控制，电容器，电感
0 引言
基于两级结构的并网系统已经得到了广泛的研究。近年来，逐渐形成了直流分布式发电系统[1]，如图1所示。可最大限度地从可再生能源中获取电能，并将其注入统一功率因数的电网;也可对交流电源进行整流，以补充和调节直流母线。因此，直流母线电压的控制是直流微网设计的一个重要问题。
图1 直流微电网应用系统的配置。
在以往的研究中，提出了基于增益调度的电压控制方案[2][3][4]，采用下垂的概念设计合适的直流增益。在此基础上，讨论了将增益调度与模糊控制相结合的一些尝试，即采用模糊控制和调节直流电压参考来平衡潮流。然后，其他直流母线电压控制，如鲁棒控制、自适应控制和混合控制[7][8][9]，以提高系统的稳定性。然而，直流微电网需要一种电源管理方案来提高系统的可用性[10];即允许并网和整流方式都有一定范围的直流母线电压变化。当系统在并网模式下运行时，需要较高的直流母线电压，以防止由于直流负载阶跃增加而使电压急剧下降到下限以下。相反，需要较低的直流母线电压来扩大整流模式下的电压摆动范围。在文献中，实现快速脱总线电压动力学的方法主要集中在无直流负载[11][12]的系统上，而对于直流负载突变的双向逆变系统则没有控制。
在我们先前的研究[13],数字预测控制10 kVA 3ϕ双向逆变器和大电感变化一直是设计和实现。在此基础上，提出了两种基于线性电源管理方案的直流母线电压调节方法:一种是线路周期调节方法(单线周期调节法)，另一种是六分之一线路周期调节方法(六分之一线周期调节法)。单线周期调节法在指定相位过零时，每行循环更新一次当前命令，可以显著降低操作模式改变的频率和电流畸变。六分之一线周期调节法将每隔六分之一的线路周期更新一次电流命令，以避免直流负载突变造成的直流母线电压过/欠压故障，这可以在不增加直流母线电容的情况下提高直流微电网的可用性。通过这两种控制方式，双向逆变器可以通过调节电流指令和两种工作模式来平衡潮流，实现逆变器电流与直流母线电压的线性关系。此外，本文还讨论了直流母线电容的设计，因为这两种方法都考虑了直流母线电容来推导控制律。直流母线电容可以最小化，以减少系统的尺寸和成本。实验结果测量从10 kVA 3ϕ双向逆变器提出了确认提出的方法。
1 直流母线电压控制
讨论的三相双向逆变器系统框图如图2所示。它可以同时适用于三角形连接和y型连接的交流电网。本设计样机采用瑞萨微芯片RX62T实现系统控制器，该控制器具有1.65 MIPS，包括浮动计算和划分。通过考虑大电感变化的[13]，逆变器可以稳定运行，特别是在大电流的应用场合。但是，该系统需要采用脱总线电压控制方案来平衡潮流。这些概念包括线性电源管理方案、单线周期调节方法和六分之一线周期调节方法。
图2 提出的三相双向逆变器系统框图
- 线性电源管理方案
图3为实现电感电流与直流母线电压之间的线性关系所提出的线性功率管理方案的示意图直流母线电压的工作范围是380plusmn;20 V。逆变器在并网运行(售电)时，工作范围为380 ~ 400V，保证了足够的电压水平，以适应直流负荷的突然增加。另一方面,在整流逆变器操作模式(购买力),低电压范围,380 Vsim;360 V,可以增强模式稳定直流负载降低时快。
图3 提出了一种线性功率管理方案，实现了电感电流之间的线性关系和直流母线电压。
图3还显示了并网方式下直流母线电压调节序列的轨迹。在时间 ，逆变器保持在工作点((nminus;1),(nminus;1)载重线,在那里 是可调电流命令，它是调整与单线周期调节法每行周期。当存在功率不平衡时，操作点将从负载线移动到另一个点((n),(nminus;1))。然后，控制器将更新当前命令(nminus;1) (n)在hellip;hellip;的开头 线路周期，将直流母线电压调节到新的设定值电压(n 1)根据线性电源管理方案。逆变器到达工作点时((n 1),(n)) ，控制器将当前命令更改为 (n 1)，保持直流母线电压为了一个新的功率平衡。经过一段时间后，系统将在新的稳态下运行 .它的控制律将在下一节推导出来。
B．单线周期调节方法
图4为功率不平衡发生时单线周期调节法的示意图。在图4中，功率不平衡发生在时间 上， 直流母线电压将从 (n-1)到(n)。在时间 时，直流母线电容电流变化Delta; 可以被确定为:
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(1) |
图4 功率不平衡逆变器的单线周期调节法到直流母线电压调节示意图
然而,时间 是不可预测的，最初的猜测是 ;因此，新的当前命令 (n)时间间隔[,]可根据前一个电流确定 (n-1):
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(2) |
是一个周期,(n 1)为设定值电压，根据图3所示关系可得:
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(3) |
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(4) |
在上式中， (n)常用于将直流母线电压调节到设定值电压 (n 1)根据图3、图4所示的控制图。当前命令 (n)将在每一个线路周期进行调整，以维持直流母线电压 (n)到负载线上的期望电压。逆变器控制器将更新当前命令 (n)一个周期接一个周期;也就是说, (i)等于 (i-1)在行循环开始时确定新当前命令之后。在图4中，如果功率不平衡发生在(曲线1)或者另一个发生在(曲线2)，逆变器将调校当前命令 不断,直到 (n)回到图3所示的负载线上，实现直流母线上的功率平衡。总体控制框图如图5所示。
图5 单线周期调节法的控制框图
- 六分之一行周期调节方法
当直流负载突然变化时，单线周期调节法不能立即调节直流母线电压，需要快速的动态电流控制来平衡潮流。在三相逆变器系统中，由于直流母线电压纹波的频率不同，因此选择六分之一的线路周期作为快速调节间隔为六倍线频，如图6所示。从图6中可以看出，直流母线电压在6个区域的起始点是相同的，我们可以不考虑直流母线电压纹波来实现控制方案。此外，逆变器输入等效电流的纹波 ,约0.134(= 1.0minus;0.866)，比单相逆变器系统小得多，在控制律推导中甚至可以忽略，如图7所示，曲线1所示。
图6 三相线电流图示,和，逆变器输入电流 ，和直流母线电压纹波
图7 功率不平衡情况下逆变器的六分之一线周期调节法到直流母线电压调节图
图7展示了拟议六分之一线周期调节法的当前调优过程。使用六分之一线周期调节法，逆变器将更新当前命令在每一个六分之一线路周期的开始，驱动直流母线电压到设定值电压(n 1).因此，根据直流母线电压变化，可以得到电流指令控制律如下:
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(5) |
此时i= 1,2,hellip;,5,
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(6) |
电压变化Delta;包括两部分:一是六分之一周期之间的变化(),另一个是之间的平均差异和当前点()。第一个变化是由于功率突然不平衡，其中直流母线电压会偏离负载线。通过在六分之一的周期内将这种变化添加到电流命令中，逆变器可以基本平衡潮流，但直流母线电压还没有达到它的设定值。因此，第二个 对电压 (n 1)已决定在n线周期的开始,如(3)所示。补偿的两个部分,直流母线电压会回到功率不平衡后的载重线发生在 (曲线2)或 (曲线3),如图7所示。可以看出，当直流母线电压在 (曲线2)处骤降后，逆变器控制器在处更新电流命令，但由于时间的不可预估，逆变器控制器会判断错误的电流命令，直到下一条六分之一线路, 直流母线电压才会被调节到正确的电压值。如果一个新的功率不平衡发生在(曲线3)，同样的调节过程会再次发生。也就是说，逆变器将使用正确的当前命令将解总线电压调节到设定值电压。
此外,当前命令 (n)必须修改以确定命令 (n 1)由于六分之一行周期命令的变化，在新周期开始时，等于[,]。当前命令的确定 (n)可以改写为:
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(7) |
2 直流母线电容的设计
由于电流指令控制律中包含直流母线电容参数，两种方法都可以将直流母线调节到所需电压。首先需要确定直流母线的电容。直流母线电容与注入电容的电流和直流母线电压变化有关，可以表示为
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(7) |
此时是电容电流变化随着时间的间隔t，直流母线电压是否变化。为直流母线电容。图8为直流母线电容的示意图。与直流母线电压变化在最大功率变化为10kw和六分之一线路周期内;Delta;电容电流变化= 26.3(10 kW / 380 V)的时间间隔 / 6中t得。对于系统可用性，直流母线电压不允许在上限电压上变化。因此,电压变化必须低于20 V(400 V -380 V或380 V- 360 V)在六分之一线周期,和12 470mu;F电容可以选择适合适当的范围的直流母线电压变化，10sim;15 V。实验中使用了这组电容器。
图8 直流母线电容图与直流母线电压变化 在10kw的突变和六分之一的线路周期内。
3 实验结果
提出的直流母线电压控制方案已在直流配电系统中通过一台10kva三相双向逆变器进行了验证。根据上述规范和分析，功率级的设计如表1所示。直流母线电压范围为360 - 400 V。名义3ϕ行线电压是220 直线频率是60hz。逆变电感随2 mH - 300mu;H每阶段和开关频率是20 kHz。功率二极管采用碳化硅实现，不需要反向恢复时间。设计的双向逆变器如图9所示。
图9 设计的三相双向逆变系统样机照片
表1所设计逆变器样机系统参数
从之前的研究[13]可以看出，图10和图11分别给出了在考虑和不考虑大电感变化的数字预测控制下逆变器的电感电流波形。试验是基于并网方式运行的逆变器进行的。在5kw功率级下，如图10所示，可以看出在不考虑电感变化的情况下，峰值电流存在一定的畸变，但差异并不显著。然而，当逆变器工作在10kw时，从控制图11中可以看出，不考虑大电感变化的电感电流在峰值附近存在较大的畸变，在相位R处存在发散，如图11所示。
图10 测量的三相电感电流波形(a)带和(b)不考虑5 kW并网方式下的大电感变化。
图11 测量的三相电感电流波形(a)带和(b)不考虑10kw并网方式电感变化较大的情况下。
- 使用单线周期调节方法进行测试
针对所提出的电压调节试验，采用所提出的三相逆变器样机，将10 kW光伏阵列、3个最大功率点跟踪器(MPPT)和直流负载(电阻负载)相结合，实现了一个光伏系统。整流
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资料编号：[1553]
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