基于相位误差切换的并网逆变器并离网切换策略研究

边俐争，付婷婷，李 嫚，孙军伟

（1.郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450000；2.郑州轻工业大学，河南 郑州 450000）

0 引言

微电网系统与大电网的相互配合，不仅给电网带来了较高灵活度的电量调度，同时也给大电网的电压质量带来了一定的考验[1]，[2]。微电网系统的工作方式有两种，并网模式下主要是将可再生能源的发电并入大电网，孤岛离网模式下向附近的用电单位供电。然而这两种模式的切换会给大电网带来冲击，需要对两种模式的切换进行有效控制，以减小对大电网的冲击[3]～[5]。

已有一些文献对微电网并离网模式的切换进行了研究。文献[6]通过双锁相环的方式得到逆变器桥口电压以及并网耦合点电压的相位信息，再通过误差实现逆变器输出电压和电网电压同频、同相和同幅的并网预同步控制。文献[7]通过研究逆变器直流侧与交流侧电量的关系，提出了在储能逆变器控制策略中加入直流侧电流控制策略，解决了电压偏移和误调节的问题。文献[8]在虚拟同步发电机（VSG）的基础上，通过分析并离网切换暂态过程中的问题，提出一种限幅策略和调频系数对频率和功率进行再控制，实现并离网平滑切换。文献[9]介绍了一种基于VSG和下垂控制的无缝切换技术。

并网逆变器的并离网需要满足逆变器的输出电压与电网电压幅值、相位、频率一致；并网电流与并网电压同相位、同频率。根据以上条件，就可以获得并网逆变器并离网切换时的控制方向：离网时控制逆变器的输出电压和输出电流同相位；离网切换至并网时，获取并网耦合点电压相位信息，然后将其与逆变器输出电压相位进行对比控制；并网切换至离网时，切断并网耦合点电压相位信息与逆变器输出电压相位信息的对比控制。因此，本文提出一种相位控制策略，通过控制并网耦合点电压相位信息与逆变器输出电压相位的误差，从而实现逆变器并离网切换。

1 离网工作模式

图1为并网逆变器离网工作模式下的示意图。本文以T型三电平逆变器作为并网逆变器，在离网工作模式下，交流侧接电阻负载，以模拟微电网附近的用电户。

图1 并网逆变器离网工作模式Fig.1 Off-grid working mode of grid-connected inverter

在离网工作模式下，并网逆变器采用电压电流双闭环控制，控制框图如图2所示。通过采样逆变器三相输出电压，经坐标变换转换至dq坐标轴下，与给定电压进行作差；将外环PI控制器作为电流内环的给定信息，与电流采样坐标变换后的dq轴分量进行作差，再经内环PI控制器得到dq轴的调制波分量，再转换至abc坐标系下，将得到的调制波与载波进行比较，得到T型三电平逆变器的驱动信号。

图2 离网工作模式下并网逆变器控制框图Fig.2 Control block diagram of grid-connected inverter under off-grid working mode

图3为电压电流双闭环的具体控制框图。图中，Gv（s）为电压环传递函数，Gi（s）为电流环传递函数，KPWM为调制模块的传递函数。

图3 电压电流双环控制框图Fig.3 Control block diagram of voltage and currentdual-loop control

式中：kvp为比例系数；kvi为谐振系数；ω0为谐振频率；ωc为控制器带宽；s为频域下的虚指数；k为电流环比例系数。

2 并网工作模式

图4为并网逆变器在并网工作模式下的结构示意图。在并网工作模式下，逆变器交流侧输出信号经滤波器连接至电网的并网耦合点。图5为并网工作模式下并网逆变器的并网电流控制框图。在并网工作模式的稳态情况下，并网逆变器的输出电压无需控制，只需要控制并网电流与并网耦合点的电压同频同相即可。

图4 并网逆变器并网工作模式Fig.4 Grid-connected working mode of grid-connected inverter

图5 并网工作模式下并网逆变器控制框图Fig.5 Control block diagram of grid-connected inverter under grid-connected working mode

图6为并网逆变器并网电流控制框图。图中：Td为PWM信号延迟时间，一般取0.5Ts，Ts为开关周期；Kpi，Kii，KPWM分别为电流内环PI控制的比例系数和积分系数；L，r分别为滤波电感的电感值和内阻值。

图6 并网逆变器并网电流控制框图Fig.6 Current control block diagram of grid-connected inverter

3 基于相位补偿的并离网切换策略

离网工作模式切换为并网模式的要求：①逆变器的输出电压与电网电压幅值、相位、频率一致；②并网电流与并网电压同相位、同频率。

图7为并离网切换时的结构示意图以及对应的控制框图。在图7中：两个基于正序分量的锁相环技术是为了获取逆变器输出电压和电网电压的相位，在并网模式下，两个相位之差经过PI调节器后作为abc坐标系转dq坐标系的相位信息，这样可保证逆变器输出电压与电网电压相位、频率一致；离网模式下，为了在离网切换至并网时更加快速，坐标变换的相位信息沿用电网电压相位，同时通过电压外环控制逆变器输出电压尽量靠近电网电压。因此，本文所提出的并离网切换方法如下：离网切换为并网时，增加相位补偿控制，保证逆变器输出电压与电网电压同频同相；并网切换为离网时，切除相位补偿控制，但继续沿用电网相位信息，为下一次切换为并网做准备。

图7 并离网切换策略框图Fig.7 Block diagram of grid-connected and off-grid switching strategy

4 基于正序分量提取的锁相环技术

由于逆变器输出电压在未经过滤波器之前是高频的脉冲信号，同时，并网耦合点电压具有一定的波动，因此需要提取电压信息中的基波正序分量，从而获得精确的相位信息。

使用PI控制器使变换后输出的电网电压无功分量趋近于0，从而完成电网电压相位的锁定，控制框图如图8所示。

图8 锁相环控制框图Fig.8 Phase locked loop control block diagram

5 结果验证

为了验证本文所提控制策略的有效性，建立如图9所示的实验平台，利用PSIM软件进行验证。仿真和实验参数如表1所示。

图10为逆变器并离网切换时的仿真波形。一开始，逆变器工作在离网模式下，在0.08 s时，将离网模式切换为并网模式，从逆变器输出电压和并网耦合点电压对比图可以看出：离网模式下，逆变器输出电压的相位和并网耦合点电压的相位并不一致；当切换为并网模式时，逆变器输出电压和并网耦合点电压重合，并且在0.12 s时，实现并网。在0.2 s时，再将并网模式切换为离网模式，从波形图中可以看出，切断了并网耦合点电压，并网电流略微跌落，此时切除并网耦合点电压相位信息的获取。因为并网时，逆变器输出电压的相位已经与并网耦合点重合，再次切换为离网模式时，逆变器输出电压的相位已经和耦合点电压一致，所以逆变器输出电压和并网耦合点电压依旧保持一致。从并离网切换时的并网电流对比可以看出，本文所提出的相位补偿方法能够减小切换时的并网电流冲击。

图10 并离网切换仿真结果Fig.10 Simulation results of grid-connected and off-grid switching

图11为并离网切换时的实验结果。由图可知：当离网切换至并网时，实验结果与仿真一致。当未加本文提出的相位补偿策略时，并网电流冲击会引起过流保护，故实验结果中未给出不加相位补偿策略时的并离网切换；当并网切换为离网时，并网电流减小为0，这是因为采样的是并网耦合点的电流，同时，逆变器输出电压和并网耦合点电压开始与离网模式保持一致，出现的些许偏差是由实验中的采样延迟和控制偏差所导致的。

图11 并离网切换实验结果Fig.11 Experimental results of grid-connected and off-grid switching

6 结语

微电网能够将可再生能源所产生的电能汇入大电网，为大电网的能量调度带来了极大的灵活度。微电网既能运行在并网模式下，为大电网注入能量，也能运行在离网模式下，为附近的用电负荷供电。在这两种模式的切换过程中容易给大电网带来冲击。本文提出了一种基于相位信息补偿的并离网切换控制策略，实现了并离网两种工作方式的平滑切换，可减小对电网的冲击。