蔡　慧，陈　坚，汪　伟，谢　岳，陈卫民，宋春伟

(中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州 310018)



电压型并网逆变器的冲击电流抑制新方法

蔡慧，陈坚，汪伟，谢岳，陈卫民，宋春伟

(中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州 310018)

【摘要】针对传统电压型并网逆变器存在冲击电流问题，从变换器电路结构对冲击电流影响的新角度，提出了一种改进的并网逆变器拓扑，其主要特征是设计有内置电阻.通过仿真分析发现，相比传统并网，有内置电阻的并网逆变器并网时的冲击电流抑制效果更好.然后，通过传递函数建立数学模型，对内置电阻下并网能抑制冲击电流的原因进行理论分析，指出原因在于这种情况下产生更小的幅值差，且能消除相位差，并给出了内置电阻的参数设计方法.最后通过实验验证了内置电阻抑制冲击电流的效果，证明了理论分析的正确性.

【关键词】变换器电路结构；并网逆变器；冲击电流；内置电阻

目前微网中逆变器的控制需要保证能够离网运行、并网运行以及两者之间的平滑切换.传统的控制方法是逆变器以电流模式工作在并网阶段，当逆变器从大电网上切除时，要求逆变器能够检测离网状态，并且切换到电压模式给负载供电[1].电流源并网和电压源离网带独立负载的控制方法都比较成熟[2]，而孤岛模式检测研究较多[3].

但是传统的电流源并网模式存在着问题：当从并网切换到离网时，模式切换瞬间会有冲击电流；同时，电流源控制逆变器并网瞬间也存在冲击电流.文献[4]提出逆变器从并网电流模式切换到离网电压模式前输出电流减少到零，从而抑制瞬态电流的突变.文献[5]提出了在光伏并网发电模型中采用改进的扰动观察法实现最大功率点跟踪，并网时采用电压源输入、电流输出控制模式，通过固态变压器接入10 kV交流电网的方案来抑制电流型并网冲击电流.文献[6]提出了一种软启动控制方法，该方法通过控制三相桥臂输出直交轴参考电压和直交轴参考电流实现三相并网逆变器的软起动，从而解决电流型并网冲击电流.文献[7]提出了对并网时刻PI控制器赋值的方法来改变并网逆变器启动时刻的动态性能，实现并网无冲击电流的现象.

目前大部分并网逆变器的研究主要集中于电流型并网[8-10]，对于电压型并网的研究相对较少.如果逆变器在离网和并网模式都采用电压型并网，那么孤岛问题和模式切换问题将会变得简单.因此，为了解决孤岛问题和模式切换问题，可以使用电压型并网模式.但是电压型并网的输出电压由于控制算法的精度无法达到与电网电压完全一致，同样存在并网冲击电流的问题.电压型并网逆变器的冲击电流抑制问题大都是从控制策略角度来考虑.文献[11]提出了实时采集并网点两侧的各相电压和电流，计算逆变器侧和网侧D轴和Q轴电压分量，然后对D轴和Q轴电压分量进行控制，以其作为控制外环，和电流内环一起调节三相半桥电路的驱动信号的占空比，驱动主回路逆变输出交流，来解决电压源并网的冲击电流问题.

本文从变换器电路结构对冲击电流影响的新角度，提出了一种有内置电阻的电压源并网逆变器拓扑，研究了该并网逆变器的数学模型，然后基于数学模型分析了逆变器有内置电阻的情况，得出内置电阻对逆变器并网运行时产生的冲击电流有较好的抑制作用，提高了电压型并网逆变器的运行可靠性.这种变换器电路结构对控制效果影响的研究方法在DC-DC的建模与控制中比较常见[12-13]，但在电压型并网逆变器领域并不多见，因此本文的研究具有一定的理论意义.

1并网逆变器的电路拓扑设计与仿真

1.1并网逆变器的电路拓扑

文献[14]指出单相并网逆变器常采用电压外环PI控制器、电流内环P控制器，这种控制策略可以增加逆变器的阻尼系数，具有较强的鲁棒性，同时这种控制策略可以使逆变器输出的稳态误差变小，动态响应变快，所以本文也采用这种较为常用控制策略.

由于调节器的饱和作用，并网逆变器在无内置电阻条件下与电网并网的瞬间，输出电压会存在幅值差，因此会引起很大的冲击电流问题.为解决这个问题，本文提出让并网逆变器本身带一个阻性的内置电阻R1再与电网Ug并网，如图1所示，当并网完成几个周期后，再将电阻R1旁路，防止不必要的功耗损失.

经过改进后，由于逆变器与电网并网前，需要接入电阻R1，会有逆变器输出的反馈电流，用于电流环给定控制.因此并网时，电流环给定的阶跃变化量变小，不会存在从无到有的阶跃变化，这样就避免逆变器承受较大的冲击.且并网时能减小输出电流与电网供电相的相位差.

图1　并网逆变器主电路图Figure 1　Main circuit of the grid-connected inverter

另外，考虑到当电压型逆变器进行并网运行时，可能会出现大冲击电流问题导致母线电压抬升的现象，因此设计了母线电压保护电路(功率开关VI5所在支路)，提高装置的安全性.

1.2并网逆变器仿真比较

根据图1搭建仿真模型.首先按传统并网逆变器考虑(无内置电阻)，采用电压源控制模式，输出端经LCL滤波.图2为并网逆变器无内置电阻时输出电压电流波形图.在t=0.023 s时刻闭合并网开关k，由图2可见,逆变器与电网并网开始时，输出电流因为突变，产生电流冲击，即与电网并网阶段存在较大的并网冲击电流.

图2　逆变器不带内置电阻并网仿真波形图Figure 2　Simulation waveform of grid-connected inverter without built-in resistance

图3为逆变器在图1的基础上进行的带内置电阻并网仿真波形图，其它参数和开关通断时刻与图2一致，内置电阻R1为100 Ω电阻.与之相比，可以明显的看到电流的突变程度变小，因此可以看出内置电阻能抑制冲击电流，并网运行的效果更好.

图3　逆变器带内置电阻并网仿真波形图Figure 3　Simulation waveform of grid-connected inverter with built-in resistance

2冲击电流抑制分析

当逆变器采用电压源控制模式，逆变器与电网并网瞬间，iL2由无到有产生突变，在电压环调节器饱和作用的影响下，逆变器电流环变换量大，导致逆变器承受较大的冲击，出现电流环给定与电网电压相位不一致的情况，极易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).

针对图1的逆变器电路结构，下文对内置电阻条件下抑制冲击电流的原因进行分析.

2.1并网之前模型分析

文中逆变器采用iL2作为电流内环反馈电流，所以在没并网之前，对于有内置电阻和无内置电阻的条件下，逆变器的结构框图是不一样的.有内置电阻的条件下，逆变器的结构框图如图4，而无内置电阻的情况下的结构框图如图5.

图4　并网之前有内置电阻系统结构框图Figure 4　Block diagram of the system with built-in resistance before grid connecting

图5　并网之前无内置电阻系统结构框图Figure 5　Block diagram of the system without built-in resistance before grid connecting

对比图4和图5，可以发现并网之前，对于无内置电阻条件下，iL2=0，且系统为单电压外环闭环系统；而对于有内置电阻条件下，iL2≠0，且为电压电流双闭环系统.所以在并网瞬间，iL2的变化对于两种条件下是不一样的.根据之前的仿真结果，也可以看到，ΔiL2′<Δi″L2，其中ΔiL2′是有内置电阻条件下的iL2的变化量，而Δi″L2是无内置电阻条件下的iL2的变化量.

2.2并网瞬间模型分析

图6为并网时刻系统结构框图，为了分析并网时刻，这两种变化量对Ucd的影响，由于电流内环的响应速度更快，所以不考虑电压外环的作用，单单从电流内环分析这两种情况对Ucd的影响.以ΔiL2为给定电流内环输入量，ΔUcd作为电流环输出量，分别建立两种条件下的结构框图.图7为有内置电阻条件下的电流内环结构框图，其中R=R1//R2.图8为无内置条件下电流内环结构框图，其中R=R2，图6的R也跟以上分析一致.

图6　并网时刻系统结构框图Figure 6　Block diagram of system during grid-connected

图7　有内置电阻电流内环结构框图Figure 7　Block diagram of current loop with build-inresistance

图8　无内置电阻电流内环结构框图Figure 8　Block diagram of current loop without build-in resistance

求得闭环传递函数为

(1)

其中a1=kpikinvL2，a2=kpikinvR，b1=

T(RCL1+L1+L2)，b2=RT+RCL1+L1+L2，b3=R+kpikinv.

忽略高次项和系数较小项，电流内环的传递函数可写为

(2)

可见，电阻R对系数K、A、B都有影响.由于L2很小，R又大于1，即A1，因此(2)式可以继续简化，变成

(3)

式(1)经过简化后变成式(3)所示的一阶惯性环节.图9为(3)式的近似幅频特性图，可见其性能由参数K和B决定.

图9　简化后闭环函数的幅频特性图Figure 9　Simplified amplitude-frequency characteristics of the closed loop function

R增大，K单调增大，但会趋向极限值kpikinv；R增大，转折频率1/B会增大，截止频率ω也增大，但系统响应速度变快；反之亦然.

(4)

假设，并网之前两种条件下逆变器输出电压Ucd均为电网电压Ug.在并网瞬间，逆变器的输出电压将会有一个变化量，如下式所示

Ucd=Ug+ΔUcd.

(5)

那么，在并网瞬间两种情况下的电压相比较

Ucd′

(6)

由于并网冲击电流跟电网电压Ug和逆变器输出电压Ucd有关，冲击电流为

(7)

Z为线路阻抗.理论上只有当Ug=Ucd的时候，即Ug和Ucd的幅值和相位相等时才不会出现冲击电流；当Ug和Ucd之间差别越大，并网冲击电流就越大.由公式(7)可知，有内置电阻的逆变器并网时产生的冲击电流更小.

另外，有内置电阻的逆变器并网时能减小输出电流相位与电网供电相的相位，避免了相位差太大而导致出现较大的冲击电流的情况.

所以，可以得出有内置电阻条件下能取得更好的冲击电流抑制效果的结论.

2.3模型验证

为对上文的分析进行验证，需代入参数，本文采用的参数:kpi=0.04，kinv=123，T=0.000 1s，L1=0.01H，C=20×10-6F，L2=2×10-3H，R1=10Ω，R2=50Ω.

首先，需对数学模型的近似过程进行验证.代入实际参数后，得出有内置电阻条件下电流内环的传递函数为

(8)

无内置电阻条件下电流内环的传递函数为

(9)

图10为有内置电阻情况下传递函数简化前后的伯德图对比.可见，在截止频率以前，两者是幅值波形是几乎重合的，而本文研究的是在工频50 Hz下的幅值大小，所以上文的近似过程是合理的.无内置电阻情况下的传递函数简化也是类似的.

图10　简化传递函数频率特性对比图Figure 10　Comparison of frequency characteristic of simplified transfer functions

接着，对内阻R和闭环增益K的关系进行验证.代入参数画出不同R值下K值的变化曲线，如图11所示.K值随内置电阻的不同而变化.随着R的增大，K单调增大，但对幅值的影响越来越小；在R=0～10 Ω时，幅值快速上升，在R>10 Ω之后，幅值的上升速度减慢.因此，可以得出内置电阻越小，抑制冲击电流的能力越大.但是，内置电阻越小，功耗越大.所以内置电阻可以在并网完成的几个周期后切掉，以减少功耗损失.

图11　不同R值下K的变化曲线图Figure 11　Plot of K-R

图12　两种条件下的伯德图对比Figure 12　Comparison of Bode plots under two conditions

由于内置电阻的存在，所以实际情况下ΔiL2′<ΔiL2″，那么有内置电阻条件下的输出ΔUcd就更小了.

3实验验证

实验中逆变器主要参数为：控制芯片为DSP(TM320LF2407)，功率4 kW，电网线电压380 V，母线电压530 V，开关频率10 kHz，逆变器滤波L1为8 mH，C为1 μF，L2为1.5 mH.因为输出电压峰值超出示波器的耐压值，所以示波器采样时对实际电压利用电阻串联进行1/3分压，因此所测电压为实际的1/3.

图13为逆变器不带内置电阻并网输出电压电流实验波形图，图14为逆变器带内置电阻(120 Ω)并网输出电压电流实验波形图.对比实验结果图和仿真结果图，可以发现实验结果波形图与仿真结果波形图大体一致，且实验结果能更明显地看出有内置电阻条件下的并网冲击电流被抑制，且在与A相并网阶段，逆变器的输出电流呈现逐渐增大的现象，这对逆变器本身的安全性是有很大好处的.实验结果证明了上文的理论分析是合理的.

图13　逆变器不带内置电阻并网波形图Figure 13　Waveform of inverter without built-in resistance connected with grid

图14　逆变器带内置电阻并网波形图Figure 14　Waveform of inverter with built-in resistance connected with grid

由于内置电阻的存在，与并网负载并联后等效电阻变小，因此输出电流会偏大，所以并网后应该切除.虽然由于有谐波存在导致两种条件下的输出电流波形畸变较严重，但是对于负载来说，由于并网时刻是由电网供电，两种情况的负载电流波形质量都很好，没有像逆变器输出电流一样产生畸变，因此对负载电流而言，两种情况没有区别.

4结语

本文从变换器电路结构对冲击电流影响的新角度，提出了一种改进的并网逆变器拓扑结构，并对其进行了仿真建模，通过对比无内置电阻和有内置电阻下并网逆变器输出波形，得到“内置电阻可以抑制冲击电流”的结论.然后，建立了并网逆变器的数学模型，对内置电阻能抑制冲击电流的原因进行理论分析，给出了内置电阻的参数设计.最后，通过实验对比了逆变器不带内置电阻并网与带内置电阻并网的实验结果，验证了有内置电阻的并网逆变器具有更好的冲击电流抑制效果.也即证明了从变换器电路结构的角度来提高并网逆变器(电压型)的运行效果是有效的方法，从而为并网逆变器的研究提供了一个新的思路.

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【文章编号】1004-1540(2016)02-0154-07

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.02.006

【收稿日期】2016-03-18《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金项目】浙江省自然科学基金资助项目(No.LQ16E070001).

【作者简介】蔡慧(1980-)，男，浙江省台州人，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、电气控制. E-mail: caihui@cjlu.edu.cn

【中图分类号】TM714

【文献标志码】A

A new approach of suppressing impulse currents for voltage-type inverters

CAI Hui, CHEN Jian, WANG Wei, XIE Yue, CHEN Weimin, SONG Chunwei

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:The traditional grid-connected inverter has impulse current problems. An improved topology of grid-connected inverters with built-in resistance was proposed from the point of the impact of converter circuit structure on impulse currents. Simulation analysis showed that the grid-connected inverter with built-in resistance had a better effect of inhibiting impulse currents during the grid-connected time. The mathematical model of transfer function was built to analyze the reason that impulse currents were inhibited when the inverter with built-in resistance was grid-connected. In this case it would produce smaller magnitude difference and eliminate phase difference. The design method of the parameter of built-in resistance was given. Finally it was verified through experiments that the built-in resistance could restrain impulse currents and the correctness of theoretical analysis was proved.

Key words:converter circuit structure; grid-connected inverter; impulse current; built-in resistance