电流外环电压内环无缝切换控制策略

李建霖，唐 欣，陈 胜（.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 4004；2.珠海万力达电气自动化有限公司，珠海 59075）

电流外环电压内环无缝切换控制策略

李建霖1，2，唐 欣1，陈 胜1
（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410014；2.珠海万力达电气自动化有限公司，珠海 519075）

摘要：逆变器在独立/并网模式切换瞬间容易出现过电压和过电流问题。为此，本文提出电流外环、电压内环的控制策略，保证模式切换时控制指令的稳定性；同时为了减小控制误差引入前馈控制，最终达到减小系统的过渡时间和改善供电电压质量的目的。为验证此控制策略的有效性，本文利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立双模式供电系统模型，对所提切换控制策略与传统模式切换进行了仿真比较。仿真结果表明，所提出的切换控制策略能有效抑制独立/并网模式相互切换引起的暂态冲击，达到无缝切换的目的。

关键字：逆变器；前馈控制；暂态冲击；模式转换；无缝切换

由于分布式光伏并网发电系统不仅能将多余电能输送给大电网，而且还能在电网出现故障时给本地负载独立供电，因而被广泛应用于新能源开发。然而，逆变器在独立/并网模式切换瞬间容易出现过电压和过电流问题，这直接影响分布式光伏并网发电系统供电质量和可靠性。

逆变器有两种工作模式：独立运行模式和并网运行模式。在传统模式下，独立运行模式采用电压控制；而在并网运行模式采用电流控制［1-2］，通过在并独网切换时转变控制策略，从而满足并独网工作模式下供电静态稳定性。为了达到无缝切换的目的，文献［3］在独立模式下采用电感电流内环和输出电压外环；并网模式下采用电流控制，以控制并网逆变器输出电流的幅值和相位。文献［4］引入间接电流控制，即电流外环控制并网运行时的输出电流，而电压内环保证网侧负载电压的稳定性。在此基础上，文献［5-6］提出并网模式下的双电流控制模式，在并网运行时逆变器通过控制电感电流和并网电流来保证输出功率的稳定性，在独立运行时采用电压外环电流内环的双闭环保证重要负荷的供电电压质量。其后，加权控制策略［7-8］和三环控制策略［9-10］均被提出。以上方法在并网时采用电流控制模式（可理解为逆变器的输出电压间接控制），而在独立模式采用电压控制模式（可理解为逆变器的输出电压直接控制），在模式切换过程中电压控制器结构的变化，会导致暂态过电压和电流的问题。

针对逆变器模式切换的中间模式引起的暂态过电压问题，结合现有逆变器典型控制方法［11］和前期所做的研究工作［12］，本文提出了一种新颖的电流外环电压内环控制策略，以抑制切换过程中的冲击电压，减小过渡时间，提高供电电压质量。在PSCAD/EMTDC中通过仿真结果对比表明本文所提控制策略的有效性。

1 控制原理

并网逆变器等效电路如图1所示。其中R、L1为逆变器等效输出电阻和电感，L2、C是根据系统参数设计的滤波电感和电容，Z1为逆变侧重要负载的阻抗值，Ic2为逆变器输出电流，Is2为逆变器并网电流，Ig为负载电流，Vcf为滤波电容电压，Vs2为并网电压（负载电压），Vg为电网电压，SW为并网开关。

图1 逆变器并网控制等效电路Fig.1 Equivalent circuit of inverter in grid-connected mode

式中：P*、Q*为系统有功功率、无功功率参考值；V、V为电网电压实际值Vg的d-q分量；V、V为电流在电感L2上电压降的d-q分量。

图2为逆变器并网等效电路的简化工作原理矢量图。并网电流Is2与并网电压Vs2同频同相，通过控制电容电压Vcf间接调节并网电流Is2从而调节输出功率。

图2 逆变器并网等效电路工作原理矢量图Fig.2 Vector diagram of operating principle for inverter in grid-connected mode

2 双模式控制策略

针对双模式切换中由于控制器结构改变导致的暂态过电压和过电流问题，本文提出的双模式控制框图如图3所示，其由电流外环、电压内环组成。在电压内环控制器引入电压前馈［13］，电流外环控制器引入电流限制器。其中电压内环控制器用于独立模式和并网模式，电流外环控制器只用于并网模式。I、I可由式（1）和式（2）求得，其通过与逆变器实际输出电流I、相比较经过PI环节得到电容电压参考值，V、V为电容电压实际值Vcf的d-q分量。输出电压Us2与并网电流Is2的相角差为α。

图3 电流外环电压内环控制策略框图Fig.3 Diagram of control strategy for outer current and inner voltage

2.1 独立模式

本文提出的控制策略在电网发生故障时，系统会自动切换到独立运行模式，如图4所示。此时，以滤波电容电压为控制量，采用定电压定频率控制方式保证逆变侧重要负载的供电电压质量。

2.2 并网模式

并网模式下的控制框图如图5所示，其相当于在图4中的参考电容电压V、V中添加了一个分量，而这个分量即电感电流外环。

图4 独立模式下控制器设计Fig.4 Design of controller in stand-alone mode

图5 并网模式下控制器设计Fig.5 Design of controller in grid-connected mode

2.3 模式切换

在独立模式下，通过电压内环使输出电压保持在额定值，同时在回路中加入电压前馈以减小模式切换对电压造成的冲击。当电网侧故障消除后，电网电压在正常工作波动范围内，光伏逆变器可以通过重新并网将多余的能量通过大电网输送至用户端，此时，就存在独立模式向并网模式切换的过程［2-3］。此过程只需在并网开关SW投上去的时候切换一下参考电容电压值，不存在中间暂态过程。

在并网模式下，通过电流外环电压内环控制器控制逆变器输出电压Vs2，通过改变期望功率值P*、Q*，进而改变参考电流I、I，从而最终实现逆变器输出功率的改变。并网电流调节逆变器的输出功率。当大电网发生故障或者某些需要脱网运行的情况发生时，光伏供电系统需要立即从大电网脱离进入独立运行模式。在脱网过程中，并网开关SW断开，输出功率下降，电容电压参考值切换到独立模式下的值，此过程最终能够保证逆变器本地负荷供电可靠性。

3 仿真研究

利用PSCAD/EMTDC建立了一个光伏双模式供电系统模型。仿真系统参数［14-15］：相电压220 V；直流侧由两个350 V的直流电源串联形成700 V直流电压；相电阻0.007 Ω；相电抗器1.6 mH；滤波电容20 μF；滤波电感1 mH；Kp1、Ki1为2.380 9、0.000 2，Kp2、Ki2为0.952 4、0.079 36；本地重要负载2.9 Ω；系统频率50 Hz，开关频率5 kHz。设计了一个传统控制器，与本文所提控制策略进行比较。传统控制器在独立模式下，仅采用了一个输出电压环实现定电压定频率控制；在并网模式下，采用一个电感电流环。

图6 独立模式切换至并网模式的电压、电流波形Fig.6 Voltage and current waveforms during a switch from stand-alone mode to grid-connected mode

3.1 独立模式切换至并网模式

图6给出了逆变器由独立模式切换至并网模式的过程中电压和电流的波形，其中图6（a）、（c）是在传统控制策略下的电压、电流波形，而图6（b）、（d）是在本控制策略下的电压、电流波形。在1 s时向并网开关SW发出闭合指令，系统由独立模式切换到并网模式，输出有功功率由50 kW上升到80 kW。在传统控制策略（控制器1）的作用下，独立模式向并网模式转换时存在电压控制结构变化影响，并网电流的峰值达到181.5 A，是正常电流（166 A）的1.09倍。而本文的控制策略（控制器2）通过仅切换电容电压参考值，几乎没有过电流现象，而且不会带来其他问题。

图7 并网模式切换至独立模式的电压、电流波形Fig.7 Voltage and current waveforms during a switch from grid-connected mode to stand-alone mode

3.2 并网模式切换至独立模式

图7给出了逆变器由独立切换至并网过程中电压和电流的波形，其中图7（a）、（c）是在传统控制策略下的电压、电流波形，而图7（b）、（d）是在本控制策略下的电压、电流波形。假定在2 s时刻大电网系统侧发生故障，并网开关SW正断开，系统由并网模式切换到独立模式，在传统控制策略（控制器1）的作用下，并网模式向独立模式转换时存在电压控制结构变化影响，输出电压峰值可能会达到357.8 V，是正常相电压峰值的1.15倍。而本文的控制策略（控制器2）通过仅切换电容电压参考值，供电电压和电流均实现了平滑过渡。

在本文所提出的控制策略下，内环电压控制器电容电压的参考值V、V直接影响切换效果，图8给出了电容电压参考值在0～3 s时间段的波形。

图8 V、V的波形Fig.8 Waveforms ofVandV

根据系统要求，在独立模式下，分布式光伏逆变器只要保证输出电压的稳定，其输出功率由负荷侧的需求决定（预先设定功率是50 kW）；在并网模式下，根据调度需要，决定向电网输送有功功率30 kW，即逆变器输出的总有功功率为80 kW，在0～3 s的仿真过程中，整个系统的功率输出曲线如图9所示，其中Ps2代表有功功率，Qs2代表无功功率。由图可见，逆变器的输出功率基本上也能稳定在预期的范围之内。

图9 输出功率波形Fig.9 Waveforms of output power

4 结语

分布式发电逆变器并网时采用电流控制模式，而在独立模式采用电压控制模式，因而在模式切换过程中电压控制器结构会变化，从而引起暂态过电压和电流的问题。本文在引入前馈控制的基础上，提出电流外环、电压内环的控制策略，在模式切换时只需改变电压控制参考值，因而有效解决由电压控制器结构变化引起的暂态冲击电压和电流。

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李建霖（1988—），男，硕士，助理工程师，研究方向为新能源分布式发电技术。Email：linmin418@foxmail.com

唐 欣（1975—），男，博士，教授，研究方向为新型高压直流输电、电力电子在电力系统中的应用。Email：csutangxin1@ 163.com

陈 胜（1990—），男，硕士研究生，研究方向为电能质量控制技术。Email：604512475@qq.com

中图分类号：TM46

文献标志码：A

文章编号：1003-8930（2016）07-0007-05

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.002

作者简介：

收稿日期：2014-09-12；修回日期：2015-12-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51577014）；湖南省研究生科研创新项目（CX2015B362）

Control Strategy for Seamless Switch of Outer Current and Inner Voltage

LI Jianlin1，2，TANG Xin1，CHEN Sheng1
（1.College of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410014，China；2.Zhuhai Wanlida Electric Automation Co.，Ltd，Zhuhai 519075，China）

Abstract：Overvoltage usually occurs when an inverter switches between stand-alone and grid-connected modes.This paper presents a control strategy for outer current and inner voltage to ensure the stability of switching control instruc⁃tion.At the same time，feed-forward control is introduced to reduce control error，and ultimately reduce the system tran⁃sition time and improve the quality of power supply voltage.Finally，a dual-mode power supply system is built based on electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC.Simulation results verify that the proposed strategy can effectively suppress the transient rush caused by the switching between modes of voltage control structure and realize seamless switch.

Key words：inverter；feed-forward control；transient rush；mode switching；seamless switch