一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统

蔡 慧 郭 育 陈卫民 李 青 严 虹

（中国计量学院机电工程学院 杭州 310018）

一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统

蔡 慧 郭 育 陈卫民 李 青 严 虹

（中国计量学院机电工程学院 杭州 310018）

基于网络数据中心（IDC）的三相供电系统，提出一种基于单相逆变器的柔性切换系统。该系统通过调整各个设备组所在电网供电相位置来达到三相平衡配电的目的。分析了该系统的逆变器并网控制策略，对逆变器采用电压控制模式，并提出在负载电压过零点时进行切换，可以避免负载中产生冲击电流。同时分析了逆变器并网过程中，环流产生的原因及其影响。该系统可很好地完成IDC设备在不同电网相位间的无跳动柔性切换。

单相并网逆变器 柔性切换 网络数据中心

0 引言

由于信息产业发展迅速，网络数据中心（Internet Data Center，IDC）已成为庞大的电力用户。为了使IDC能储存更多数据，硬件设施越建越庞大，电能消耗也越来越大，巨大的电能消耗制约了IDC的高效运行。而且标准IDC的机房装修、电气系统、空调通风系统、弱电系统和机房消防系统等工作状态具有不同时性和不一致性，导致IDC三相供电不平衡，这种三相不平衡已使IDC成为一个很大的电能浪费源。现有的IDC通过人工开关切换，使三相不平衡度达到最低。但因为各相电压间存在120°的相位差，切换时相电压跳动，负载中会产生冲击电流，很有可能损坏用电设备。并且切换时若电流不为零，将在开关触点间产生高压，切换设备的安全性也得不到保障。本文以国家标准“GB/T 15543—2008电能质量三相电压允许不平衡”[1]为基准提出一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统，可以在负载正常运行的情况下，完成负载换相，整个过程无冲击电压和电流，用时短且安全可靠。

1 柔性切换系统的设计

1.1系统分组

IDC机房中为了节约空间，服务器一般采用密排并联叠放式机架，每4kW分为一组。为此，本系统按照每组最大满载功率4kW进行分组，图1是柔性切换系统分组示意图。每组负载前安装控制切换器，使其可以在A、B、C三相间自由切换，切换组中有自锁电路，用以保证在切换完成后切换开关的导通或断开。系统通过控制各负载在电网三相间的转换，使三相不平衡度满足国家标准。

图1　柔性切换系统分组Fig.1 Diagram of packet of soft-switching system

1.2切换装置结构设计

图2为柔性切换装置结构，以切换组1为例，切换装置与切换控制组的输入端并联在三相入网电源上，同时输出端并联。

图2　柔性切换装置结构Fig.2 Structure of soft-switching device

切换装置由隔离变压器、柔性切换逆变器、滤波器、并网开关Si、电流采集电路和电压采集电路组成。电压采集电路用于采集A、B、C三相的输入电源信息、逆变器的母线和输出电压，电流采集电路用于收集各个切换组和逆变器的输出电流。采集信号汇总到柔性切换逆变器控制板，控制单相逆变器，使其输出的电压与某相电网电压的幅值和相位相同。因此，单相逆变器与该相电网并网时，不会对负载产生冲击电流。柔性切换装置与切换组相连，输出切换控制信号到切换组的自锁电路。该自锁电路用以控制切换组的各相开关，并保证在切换完成后切换开关的导通或断开。

下文以负载从A相切换到B相为例：①确定负载当前所在相为A相，电压采集电路采集A相电压，进行过零点检测，输入到逆变器控制板；②以A相的电压信号作为参考跟踪A相，以单相逆变器输出电压作为反馈信号，产生PWM的驱动信号，使单相逆变器输出的电压波形经 LC滤波器滤波后产出稳定的正弦波；③当第②步输出的稳定正弦波和A相同步（同频、同幅和同相位）时，闭合逆变器并网开关Si，与A相并网，同时给负载供电；④并网几个周期后，断开A相的切换开关KS13，逆变器对负载独立供电；⑤在单独供电时，通过改变逆变器的频率及幅值调整逆变器输出使其开始逐步跟踪 B相电网；⑥同步后闭合B相切换开关KS12，逆变器与B相并网供电；⑦同理并网几个周期后，断开逆变器的并网开关Si，由B相独立供电，完成整个A相到B相的切换过程；⑧切换完成后，控制自锁电路对电网各相切换开关进行自锁，保持其当前状态。切换装置可以与切换组断开，用于对其他切换组的切换。

因为切换过程中，逆变器与电网先同步再并网，并且独立供电过程时，频率和幅值调节为微调过程，负载完全感觉不到电网的变化，且切换过程迅速，无电流波动，实现了“无跳动柔性切换”。

2 逆变器控制

2.1逆变器结构设计

图3为柔性切换装置中单相并网逆变器结构，逆变器的SPWM控制以及切换控制等均由TMS320LF2407 型DSP实现[2-4]。

Si闭合前，逆变器工作在空载状态，由DSP检测当前电网所在相的电压过零点，由内部数字锁相环等控制算法实现逆变器输出电压与电网当前相电压幅值、频率和相位的跟踪。切换时，通过 IO口输出控制切换信号，同时设计有逆变器过电流、母线过（欠）电压和缺相等保护电路，确保设备安全。

图3　单相并网逆变器结构Fig.3 Diagram of single-phase grid connected inverter structure

2.2逆变器并网控制

考虑到本设计需要在电网供电时，将逆变器与电网进行并网，此时逆变器跟踪电网过程中逆变器处于空载状态，无法使用电流控制模式，因为单电流环控制逆变器在给定电流过小（幅值接近环宽）时，可能出现不稳定，并且输出电流畸变大，因此本文设计逆变器工作时采用电压控制模式[5-7]。

根据逆变器的硬件电路，采用电压控制模式时，必须实现有功电流与无功电流的均分，减小逆变器与电网之间的环流，所以必须对并网逆变器的频率及幅值达到精确的控制，特别是频率的精确程度对环流有很大影响。

图4 逆变器并网结构框图Fig.4 Diagram of grid connected inverter structure

图4为设计的逆变器并网控制结构框图，采用电感电流内环和电压瞬时外环的双闭环控制策略[4]。带有前馈校正的电压外环控制可以使输出电压幅值稳定在给定值，减小系统的稳态误差。将电压给定值与逆变器输出电压Ucd进行比较，经过PI调节后得到的值作为电流内环的给定值[8]。电流内环采用比例调节，反馈电流取逆变器滤波电感L1中的电流。

对控制系统进行校正，忽略某些高次项和微小项后，得到系统的传递函数为

此电压、电流双闭环控制策略可以实现系统高频段快速衰减，较好地实现电流控制；中低频段时系统稳态误差很小[8]。

3 柔性切换并网电流

针对图2所示的柔性切换系统，对负载在切换时是否有冲击电流、切换装置本身安全性和系统能否实现柔性切换三个问题进行理论分析。图5为简化的电源切换电路为电网某相电压为逆变器输出电压为mH级的小电感；r1、r2分别为回路等效内阻；Z0为所需切换负载，一般Z0>> r1和r2；S1、S2为理想开关。

图5　简化的电源切换电路Fig.5 Circuit diagram of simplified power switch

3.1并网冲击电流

开始时S1闭合，电网独立供电，t1时刻S2闭合，负载从电网单独供电到与逆变器同时供电。假设负载为阻性负载，U1和 U2相位差和电压差均为零，则并网时电流为

式中，ip1为只考虑U1时回路Ⅰ中的正弦稳态电流；ip2为只考虑U2时回路Ⅱ中的正弦稳态电流。

式中

在一个周期内任取时间 t1代入上述式中，L1、L2是mH级的电感，又由于该时间常数接近μs级，所以可将冲击电流项忽略不计。因此可将式（1）～式（3）简化为

由此可得，逆变器与电网并网时，只要保证在负载电压过零点时进行切换，则在负载中不会产出电流冲击。同理可得，感性负载和整流型负载在负载电压过零点时进行切换，同样不会产出冲击电流。

根据上文所述，系统需要在电压过零点时进行切换。但继电器和接触器等开关器件吸合时间过长，无法满足过零点切换的要求。图6为切换开关单元结构，由双向快速晶闸管VS和旁路接触器K并联组成。双向快速晶闸管开通时间可达4～8μs，关断时间为10～60μs，满足本设计过零点切换的要求。切换完成后，进行旁路可以减轻晶闸管长期工作的负担。

图6　切换开关单元结构Fig.6 Structure of switch unit

3.2并网环流

理论上，当U1和U2的幅值和相位相等时，在开关切换过程中负载中不会产生冲击电流。实际上，由于控制准确度的问题，逆变器输出U2与U1总是存在很小范围内的偏差。这个偏差会导致在切换时，电网和逆变器中产生环流，影响负载和逆变器的安全运行[9]。

定义环流[10]

根据上述关系，得到如图7所示的并网运行时电压和电流相量关系，其中ϕ为负载功率因数角，为与的相位差。由式（9）结合图 7分析得：①和幅值或相位存在差异即但是线阻r非常小，因此产生较大的环流②环流的相位与幅值仅与有关而与负载大小无关；③在相同环流大小的情况下，负载的阻抗角越大则逆变器与电网输出电流的幅值差越大，纯阻性负载下输出电流的幅值差最小（本设计IDC系统主要是整流型负载，输出电流的幅值差在感性与阻性负载之间）；④环流随相位差Δϕ 的增大而增大，逆变器输出电流的相位也随相位差的变化大幅度变化。

本文设计逆变器工作时采用电压控制模式，因此将出现逆变器以电压源形式与电网并联运行的过渡状态。此时，逆变器处于与电网并联共同分担负载电流的状态。由于负载电压被钳位为U2，电压环PI调节器输出为饱和值，在逆变器以电压形式与电网并联运行情况下，除对负载提供电流外，极易形成电网与逆变器之间的瞬间环流[11]。

因为逆变器采用电压控制模式，逆变器与电网并网瞬间，i02由无到有产生突变，在电压环调节器饱和作用的影响下，逆变器电流环变化量大，导致逆变器承受较大的冲击，甚至可能出现电流环与电网电压相位不一致的情况，导致逆变器能量倒流，对直流侧安全带来威胁（如直流侧电容过电压等），需要做好保护工作。

除了冲击电流外，文献[11]指出，电源输出电流的环流与电路中的感抗成反比，所以选择一个合适的电感L有益于抑制环流。

图7　逆变器并网时电压、电流相量Fig.7 Phase diagram of voltage and current for grid-connected inverter

4 实验结果

基于本文所述柔性切换装置搭建实验平台进行验证。实验系统的主要参数：功率4kW，电网线电压380V，母线电压530V，开关频率10kHz，逆变器滤波L1=8mH，C=1μF，环流抑制电感L2=1.5mH。因为输出电压峰值超出示波器的耐压值，采用分压电路进行分压后测量，所测电压为实际的1/3。

图8为柔性切换装置将负载1从A相切换到B相整个过程中逆变器输出电压和负载的电流情况，负载1为100Ω电阻。由图可以看出，在整个切换过程中，负载没有出现冲击电流，且电流相当稳定，没有出现波动。

图8 负载1切换波形Fig.8 Switching waveforms of No.1 load

图9为逆变器从关闭状态开始跟踪A相电网，然后与A相并网供电，经过6个周期后，断开电网逆变器，开始单独供电。从图9中可以看出逆变器跟踪A相过程相位调整的变化，最后与A相同步。

图9　负载1从A相到逆变器波形Fig.9 Waveforms of No.1 load from phase A to inverter

图10　负载2从A相到并网波形Fig.10 Waveforms of No.2 load from phase A to grid

图11　负载2从并网到B相波形Fig.11 Waveforms of No.2 load from grid to phase B

IDC系统中存在大量整流型负载，下面针对此情况进行分析。负载2为100Ω电阻和一台计算机并联，图10为负载2从A相单独供电到逆变器与A相并网供电过程中负载电流和逆变器电压情况。图11为负载2从逆变器与B相并网供电状态到断开逆变器，B相单独供电过程中负载电流和逆变器电压情况。由图10和图11可以看出，两个过程中，负载2的电流没有出现任何波动和冲击。虽然在此过程中可能出现一个周期整流型负载丢失的情况，但整流型负载都具有大电容，因此其负载不会出现任何故障，能继续正常运行。

以上所述为本文设计柔性切换装置对外输出情况，该设计不但要保证在切换过程中负载在线工作且无冲击电流，还要保证装置自身的安全。图 12为柔性切换装置将负载3从A相切换到B相整个过程中逆变器输出电压和电流情况，负载3为50Ω电阻和一台计算机，约为1 200W，由此观察逆变器本身的工作状况。

图12 负载3切换波形Fig.12 Switching waveforms of No.3 load

图13为本次切换过程中，负载从电网单独供电到并网供电（并网阶段1），然后逆变器单独供电，各阶段逆变器输出电压和电流情况。此并网阶段 1由于电流从无到有发生突变，且经过电感后相位出现偏差，加上幅值差等影响引起环流，因此逆变器输出电流比负载电流略大。图14为逆变器单独供电到并网供电（并网阶段 2）过程中逆变器输出电压和电流情况。此并网阶段2由于逆变器输出电压与电网之间存在微小的相位差和幅值差，且整流型负载会产生谐波等影响，也出现了电流的小量畸变[12-14]。但环流的主要影响因素为相位差和幅值差，与负载大小无关，从以上实验结果看，环流大小在可接受范围之内，逆变器输出电流没有出现太大的冲击与畸变。后期实验将增加环流抑制和谐波补偿加以解决和完善此类问题。

图13　负载3从A相到逆变器波形Fig.13 Waveforms of No.3 load from phase A to inverter

图14　负载3从逆变器到并网波形Fig.14 Waveforms of No.3 load from inverter to grid

综合上述实验结果可知，在负载电压过零点时切换，负载中不会产生冲击电流，能够实现IDC系统的无跳动柔性切换。但是，并网时逆变器中存在环流，需要加以抑制，以保证设备的安全。

5 结论

基于IDC系统三相平衡度的要求，本文提出一种基于单相逆变器的柔性切换系统，指出在负载电压过零点切换时，负载中不会产生冲击电流，可实现其柔性切换要求。同时分析了并网时逆变器中的环流问题，对此，后期实验需要加以解决和完善。本设计解决了人工切换时存在的两个问题，很好地完成了IDC设备在线运行时在不同电网相位间的无跳动柔性切换，使三相平衡度满足国家标准，提高了IDC设备的供电安全和效率。同时该设计也可用于其他需要进行电网相位切换的场所，如农村电网出现三相不平衡时，可用该装置进行电网相位间的切换，且无需断电，给人们的生活带来方便，拥有很好的市场前景。

[1] 国家技术监督局. GB/T 15543—2008 电能质量三相电压允许不平衡[S]. 2008.

[2] 胡雪峰, 龚春英. 光伏并网逆变器的直接预测控制策略及其DSP实现[J]. 电工技术学报, 2011, 26(增1): 102-106. Hu Xuefeng, Gong Chunying. A new predictive control strategy for photovoltaic grid connected inverter and its DSP implementation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(S1): 102-106.

[3] 周皓, 童朝南, 周京华, 等. 单相光伏并网逆变器控制系统的研究[J]. 电力电子技术, 2010, 44(12): 130-131.Zhou Hao, Tong Chaona, Zhou Jinghua, et al. Research on control system of single-phase photovoltaic grid-connected inverter[J]. Power Electronics, 2010, 44(12): 130-131.

[4] 王立乔. 正弦波逆变器脉宽调制技术的调制模型分析[J]. 电力系统自动化, 2008, 32(17): 45-49. Wang Liqiao. Modulated model analysis of pulse width modulation technique for sinusoidal inverters[J]. Automation of Electric Power Systems, 2008, 32(17): 45-49.

[5] 刘波, 杨旭, 孔繁麟, 等. 三相光伏并网逆变器控制策略[J]. 电工技术学报, 2012, 27(8): 64-70. Liu Bo, Yang Xu, Kong Fanlin, et al. Control strategy study for three phase photovoltaic grid-connected inverters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(8): 64-70.

[6] 吴春华, 张翼, 崔开涌, 等. 一种单级式三相升压型并网逆变器的控制策略[J]. 电工技术学报, 2009, 24(2): 108-113. Wu Chunhua, Zhang Yi, Cui Kaiyong, et al. Control strategy for single-stage three-phase boost-type gridconnected inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(2): 108-113.

[7] 丁奇, 严东超, 曹启蒙. 三相电压型 PWM 整流器控制系统设计方法的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(23): 84-87, 99. Ding Qi, Yan Dongchao, Cao Qimeng. Research on design method of control system for three-phase voltage source PWM rectifier[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(23): 84-87, 99.

[8] 陈卫民. 基于微电网运行的光伏逆变电源若干关键技术研究[D]. 上海: 上海大学, 2011.

[9] Kojabadi H M, Yu Bin, Gadoura I A, et al. A novel DSP-based current-controlled PWM strategy for single phase grid connected inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006, 21(4): 985-993.

[10] 孙孝峰, 故和荣, 王立乔, 等. 高频开关型逆变器及其并联并网技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.

[11] 陈霄, 王磊, 李扬. 配电网络合环冲击电流的分析[J]. 电力自动化设备, 2005, 25(4): 40-42. Chen Xiao, Wang Lei, Li Yang. Analysis of surge current due to closing loop in distribution grid[J]. Electric Power Automation Equipment, 2005, 25(4): 40-42.

[12] 姚志垒, 肖岚, 何流, 等. 带整流性负载并网逆变器的控制方法[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(22): 80-84. Yao Zhilei, Xiao Lan, He Liu, et al. A control strategy for grid interactive inverters with rectifier loads[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(22): 80-84.

[13] 孙绍华, 李春鹏, 贲洪奇. 采用LCL滤波的三相并网逆变器[J]. 电工技术学报, 2011, 26(增 1): 107-112. Sun Shaohua, Li Chunpeng, Ben Hongqi. Design of three-phase grid-connected inverter with LCL filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(S1): 107-112.

[14] 杜玲玲. 整流型非线性负载下分布式电源控制策略[J]. 电力电子技术, 2011, 45(5): 37-39. Du Lingling. Optimization control strategy for distributed power local nonlinear load[J]. Power Electronics, 2011, 45(5): 37-39.

Design of a Soft-Switching System Based on Single-Phase Grid-Connected Inverter

Cai Hui Guo Yu Chen Weimin Li Qing Yan Hong
（College of Mechanical and Electrical Engineering China Jiliang University Hangzhou 310018 China）

A soft-switching system based on single-phase inverter is proposed for the three-phase power supply system of internet data center (IDC) in this paper. By adjusting the grid phase of which each equipment group is connected, the system can reach the purpose of three-phase equilibrium distribution. This paper analyses the control strategy of grid-connected inverter in this system. The inverter adopts voltage control mode and switches at the crossing point of load voltage that can prevent load from producing impact current. The causes and effects of circulating current during the grid-connected process are also analyzed. The system can realize IDC equipment’s soft-switch in different grid phases without dash current.

Single-phase grid-connected inverter, soft-switching, internet data center

TM464

蔡 慧 男，1980年生，博士，副教授，主要研究方向为电力电子技术、新能源发电、检测技术和电气控制。

E-mail: caihui@cjlu.edu.cn

郭 育 男，1989年生，硕士研究生，主要研究方向为控制理论与控制工程、自动化装置。

E-mail: kingayu12@163.com（通信作者）

浙江省重大科技专项资助项目（2011C11069）。

2014-03-26 改稿日期 2014-05-26