郭穎娜，董張卓，馬昭

（1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安 710077）

信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法研究

郭穎娜1，董張卓1，馬昭2

（1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安 710077）

依托信息數(shù)字技術(shù)，提出信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法設(shè)計。采用智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）、波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）與動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT），對傳統(tǒng)雙Buck并網(wǎng)逆變器電流控制方法存在的問題進(jìn)行解決。仿真實(shí)驗(yàn)證明，提出的信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法各項(xiàng)測試數(shù)值優(yōu)于傳統(tǒng)雙Buck并網(wǎng)逆變器電流控制方法。

單相雙Buck并網(wǎng)逆變器；雙閉環(huán)；逆變?yōu)V波電路

近年來，逆變器的廣泛使用給電流控制方面帶來諸多便利，而雙Buck形式的采用使逆變器逆變橋控制邏輯性更加靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)[1-2]。但是，隨著長期應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)雙Buck并網(wǎng)逆變器電流控制方法在大規(guī)模并網(wǎng)狀態(tài)下并網(wǎng)電流強(qiáng)度控制穩(wěn)定性差[3-4]；多波束電流極易造成逆變?yōu)V波電路過載，導(dǎo)致逆變器短路、受損[5-6]；同時，存在不確定性因素導(dǎo)致的逆變電流環(huán)閉合不良的問題。上述一系列問題極大地影響大規(guī)模電流并網(wǎng)安全，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[7-8]。

針對上述一系列問題進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)，問題產(chǎn)生原因在于傳統(tǒng)方法中的底部算法邏輯性差[9]。根據(jù)問題原因，依托現(xiàn)代信息化技術(shù)提出信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法設(shè)計，采用智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）對并網(wǎng)電流進(jìn)行電頻波形強(qiáng)制，達(dá)到電流波形一致化，從而達(dá)到統(tǒng)一電流強(qiáng)度的目的；為了解決傳統(tǒng)方法中因電流穩(wěn)定性差導(dǎo)致的濾波電路過載問題，設(shè)計中采用波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS），動態(tài)分析濾波電路工作狀態(tài)，根據(jù)濾波電路工作可受能力，動態(tài)調(diào)整電流承受值，有效保護(hù)濾波電路運(yùn)行穩(wěn)定、安全；最后，提出信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法。設(shè)計中考慮到了實(shí)際應(yīng)用中電流并網(wǎng)后的脈寬會隨著電流量的劇增變化，極易對設(shè)備造成二次損壞。為了保證并網(wǎng)電流的全程穩(wěn)定，設(shè)計采用了動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT），對并網(wǎng)后的電流脈寬進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，抑制了并網(wǎng)電流脈寬劇增。有效解決傳統(tǒng)雙Buck并網(wǎng)逆變器電流控制方法存在的問題。

通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，提出的信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法各項(xiàng)測試數(shù)值優(yōu)于傳統(tǒng)雙Buck并網(wǎng)逆變器電流控制方法。

1 信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法研究

1.1 智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）

傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法中由于算法邏輯的不對應(yīng)，導(dǎo)致大規(guī)模電流并網(wǎng)時，電頻受電流量增大的影響，瞬態(tài)電頻穩(wěn)定性失衡，電流波頻出現(xiàn)多樣式分布，電流控制穩(wěn)定性下降，嚴(yán)重威脅并網(wǎng)電流運(yùn)行安全[10-12]。

針對并網(wǎng)狀態(tài)下電流活躍程度與電頻波束呈現(xiàn)狀態(tài)，提出信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法。設(shè)計中采用智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）進(jìn)行波束強(qiáng)制處理，降低并網(wǎng)電流風(fēng)險指數(shù)。

智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）通過內(nèi)部波束穩(wěn)定算法進(jìn)行電流波調(diào)整，通常以穩(wěn)定、健康的正弦電流波型為基礎(chǔ)，動態(tài)調(diào)整電流工作波弦幅度，達(dá)到提高電流躁動波束、降低電流量、穩(wěn)定電流流向的目的。智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）中波束穩(wěn)定算法關(guān)系如下所示。

上述關(guān)系式為波束穩(wěn)定算法中正弦波與余弦波的算法表達(dá)關(guān)系式。智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）會智能檢測工作電流逆變狀態(tài)，動態(tài)調(diào)用波束穩(wěn)定算法的兩種形式，保證電流并網(wǎng)后逆變過程的電頻波束的穩(wěn)定、安全。

常規(guī)狀態(tài)下，采用傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法控制的電流波束呈現(xiàn)4種紊亂波束形態(tài)，具體波形如圖1—圖4所示。

圖1 非對稱正弦低頻波波形示意Fig.1 Signal of non symmetrical sinusoidal low frequency wave

圖2 正弦躁動波波形示意Fig.2 Signal of sine wave

圖3 余弦躁動波波形示意Fig.3 Cosine wave shape

圖4 余弦平峰波波形示意Fig.4 Cosine wave shape

上述4種波形會給電流并網(wǎng)控制系統(tǒng)帶來不可逆的影響與損失。采用本文提出的方法進(jìn)行波束強(qiáng)制處理后的正弦波電流與余弦波電流圖像如圖5—圖6所示。

通過圖1—圖6的對比，可以清楚看到提出的信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法設(shè)計中采用智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）對并網(wǎng)電流波的控制效果十分明顯。

圖5 智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）波束強(qiáng)制處理后的正弦波波形示意Fig.5 Signal waveform of the intelligent power frequency control technology（VNDS）after beam forced treatment

圖6 智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）波束強(qiáng)制處理后的余弦波波形示意Fig.6 Cosine waveform of intelligent power frequency control technology（VNDS）after beam forced treatment

1.2 波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）

信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法設(shè)計中采用波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS），對傳統(tǒng)電流控制方法存在的濾波電路過載問題進(jìn)行濾波電路保護(hù)，動態(tài)調(diào)整電流強(qiáng)度與電路之間負(fù)荷阻抗系數(shù)，達(dá)到保護(hù)濾波電路目的。波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）關(guān)系式如式（3）所示。

上述關(guān)系式中，當(dāng)并網(wǎng)電流的電阻值Ω呈上升趨勢時，電流I的電波半徑r隨Ω值增大。此時，波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）關(guān)系式為保證電流I穩(wěn)定，動態(tài)調(diào)整關(guān)系式參數(shù)值，得到高阻值下的保護(hù)算法表達(dá)式為：

當(dāng)波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）關(guān)系式（3）中的電阻值Ω達(dá)到最小值時，電流I的電波半徑r受Ω的影響減小。此時，波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）關(guān)系式為保證電流I穩(wěn)定，動態(tài)調(diào)整關(guān)系式參數(shù)值，得到低阻值下的保護(hù)算法表達(dá)式為：

當(dāng)波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）關(guān)系式（3）中的動態(tài)保護(hù)值i達(dá)到臨界值狀態(tài)下，關(guān)系式中電流I、電波半徑r電阻值Ω形成穩(wěn)定閉環(huán)環(huán)流。此時，波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）關(guān)系式呈雙閉合回流保護(hù)狀態(tài)。關(guān)系式如式（6）所示。

通過上述4組波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）表達(dá)式，可以有效解決傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法中存在的各種因素造成的濾波電路過載問題。達(dá)到并網(wǎng)電流控制操作過程中的電流強(qiáng)度穩(wěn)定、電流量對濾波電路負(fù)荷可控、提升濾波電路轉(zhuǎn)換效能的作用。

傳統(tǒng)技術(shù)與新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法設(shè)計中采用波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS），在濾波電路保護(hù)上的作用對比如表1—表2所示。

表1 傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法中采用的濾波電路保護(hù)技術(shù)工作效果參數(shù)Tab.1 Performance parameters of the filter circuit protection technology used in the traditional grid connected current control method

表2 波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）針對濾波電路保護(hù)工作效果參數(shù)Tab.2 Effects of wave protection algorithm（BVUS）for parameters of the filter circuit

通過上述表1和表2的數(shù)據(jù)對比可以看出，提出的信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法，設(shè)計中采用波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）在濾波電路保護(hù)上的作用非常顯著，徹底解決傳統(tǒng)控制方法存在的并網(wǎng)電流調(diào)整邏輯不到位，導(dǎo)致的濾波電路過載問題。

1.3 動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）

針對傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法中缺少對電流脈寬檢測、調(diào)整、控制的設(shè)計缺陷，設(shè)計了動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）進(jìn)行彌補(bǔ)、解決。在日常工作狀態(tài)下，并網(wǎng)電流在并網(wǎng)過程中，由于逆變器內(nèi)部二級閉環(huán)電路作用，使電流量激增。當(dāng)電流量達(dá)到一定值時，電流限位現(xiàn)值系數(shù)開始增大，逆變器中的電流受其影響，電流脈寬隨之增大。當(dāng)電阻值不變、電流脈寬增大，會增加閉環(huán)電路與逆變器中濾波電路中的電流相位數(shù)量，從而增加電路負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致電路損壞。

提出信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法，設(shè)計中采用動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）對并網(wǎng)進(jìn)入逆變器中的電流脈寬系數(shù)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與調(diào)整。通過智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）與波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）處理后的反饋數(shù)據(jù)，進(jìn)行電流脈寬分析、參數(shù)預(yù)置；通過對并網(wǎng)電流實(shí)際脈寬檢測與預(yù)置參數(shù)進(jìn)行對比、調(diào)整，使脈寬設(shè)置數(shù)達(dá)到并網(wǎng)電流工作最佳狀態(tài)。從而達(dá)到保護(hù)整套工作電路的工作穩(wěn)定、安全的目的。

動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）中采用微動頻檢測算法（IJVE）與同位脈寬限制算法（UCHE）相結(jié)合的二位集成算法形式。將脈寬檢測與脈寬調(diào)整兩項(xiàng)任務(wù)分開處理，提升處理效率與準(zhǔn)確率；集中數(shù)據(jù)、統(tǒng)一調(diào)整的設(shè)計方案，使兩項(xiàng)算法形成獨(dú)立且相輔的關(guān)系。在兩項(xiàng)算法中，負(fù)責(zé)脈寬數(shù)據(jù)監(jiān)測的微動頻檢測算法（IJVE）參數(shù)依據(jù)源主要來源于智能電頻強(qiáng)度控制技術(shù)（VNDS）的處理回饋信號，根據(jù)處理后的電頻強(qiáng)度進(jìn)行運(yùn)算分析，得出此時電路中電流脈寬數(shù)值，并將預(yù)置數(shù)據(jù)與實(shí)際脈寬數(shù)據(jù)下傳至同位脈寬限制算法（UCHE），隨后進(jìn)行調(diào)整處理。同位脈寬限制算法（UCHE）接到數(shù)據(jù)后，會自動調(diào)取波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）處理后的濾波電路中電流半徑數(shù)據(jù)，通過綜合運(yùn)算微動頻檢測算法（IJVE）下傳數(shù)據(jù)與波強(qiáng)保護(hù)算法（BVUS）處理后電流半徑數(shù)據(jù)，得出脈寬調(diào)整方案，將脈寬數(shù)值動態(tài)調(diào)整到最佳工作數(shù)值，以達(dá)到保護(hù)電路的目的。

動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）中微動頻檢測算法（IJVE）關(guān)系表達(dá)式如式（7）所示：

動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）中同位脈寬限制算法（UCHE）關(guān)系表達(dá)式如式（8）所示。

動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）處理前后電路中電流脈寬曲線如圖7—圖8所示。

圖7 動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）處理前電路中電流脈寬曲線Fig.7 Current pulse width curve in the front circuit of dynamic pulse width control（BDZT）

圖8 動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）處理后電路中電流脈寬曲線Fig.8 Current pulse width curve in the rear circuit of dynamic pulse width control（BDZT）

通過圖7與圖8的脈寬曲線線型走勢，可以清楚看出信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法設(shè)計中采用動態(tài)脈寬控制技術(shù)（BDZT）對并網(wǎng)電流脈寬的控制效果明顯。

通過綜合利用上述3種控制技術(shù)，構(gòu)成信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法，解決傳統(tǒng)雙Buck并網(wǎng)逆變器電流控制方法存在的問題。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

針對提出的信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測試。測試采用對比方式，對傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法與提出的信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法進(jìn)行對比測試，并對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論。

測試環(huán)境配置為：CPU i7 6 500 k主頻3.4 Hz，內(nèi)存4 GB，Windows 10 64 bit專業(yè)版操作系統(tǒng)。在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。輸入電壓為350 V，電阻為30 Ω，電容為450 μF，開關(guān)頻率為20 kHz，其他測試參數(shù)如表3所示。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)測試對比參數(shù)Tab.3 Comparison of parameters of simulation experiment

通過上述表3的測試數(shù)據(jù)可以證明，提出的信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法具有較好的并網(wǎng)電流控制效果。在整體電流強(qiáng)度、脈寬調(diào)整、電路保護(hù)上效果顯著。從問題根源上，徹底解決傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法存在的一系列問題。

3 結(jié)語

針對近年來我國傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法存在的一系列問題進(jìn)行了深入分析，根據(jù)問題產(chǎn)生原因提出了信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法的設(shè)計。通過仿真實(shí)驗(yàn)測試證明，提出的信息化新型單相雙Buck并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制方法的設(shè)計各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)都優(yōu)于傳統(tǒng)并網(wǎng)電流控制方法，滿足對傳統(tǒng)方法的改進(jìn)設(shè)計要求。

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（編輯 徐花榮）

Research on the Control Method of Double Closed Loop Grid-Connected Current of the New Single-Phase Dual Buck Grid-Connected Inverter

GUO Yingna1，DONG Zhangzhuo1，MA Zhao2
（1.College of Electronic Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，Shaanxi，China；2.College of Electronic Engineering，Xi’an Aeronautic University，Xi’an 710077，Shaanxi，China）

Relying on information digital technology，a new type of double loop grid current control method for single phase double Buck grid connected inverter is proposed.The intelligent electric frequency intensity control technology（VNDS），wave protection algorithm（BVUS）and dynamic pulse width control technology（BDZT）are used to solve the problems existing in the traditional double Buck inverter current control method.The simulation results show that the proposed method is better than the traditional double loop current control method of single phase double Buck grid-connected inverter，and the test values are better than that of the traditional dual Buck grid-connected inverter current control method.

single phase dual Buck grid-connected inverter；double closed loop；inverter filter circuit

陜西省科技計劃項(xiàng)目（2013K07-14）。

Project Supported by Science and Technology Program of Shaanxi Province（2013K07-14）.

1674-3814（2016）10-0114-06

TM721

A

2016-03-26。

郭穎娜（1972—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮酉到y(tǒng)分析與控制；

董張卓（1962—），男，博士，教授，研究方向?yàn)榕潆娮詣踊夹g(shù)；

馬 昭（1990—），男，碩士，助教，研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置。