專利名稱：一種具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器及并網(wǎng)逆變控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器及并網(wǎng)逆變控制方法，屬電氣工程、 分布式發(fā)電和電能質(zhì)量治理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于分布式發(fā)電系統(tǒng)不但是可再生能源接入電網(wǎng)的重要紐帶，而且還能在一定程度上提高傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，因此得到了越來越多的重視。由于風(fēng)能、光伏等可再生能源具有間歇性、隨機性的特點，是典型的不可控源。如何更好地將不可控的可再生能源接入電網(wǎng)，是長期以來的一個研究熱點。為了解決這個問題，有學(xué)者提出了微電網(wǎng)的概念。微電網(wǎng)作為一種集成了多種可再生能源、儲能以及負(fù)荷的局部供電系統(tǒng)，近來引起了廣泛的關(guān)注。 隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，并網(wǎng)逆變器作為其中的關(guān)鍵部件具有廣泛的應(yīng)用前景。值得指出的是，在分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中含有大量的電力電子變流器為其電能質(zhì)量帶來了不小的影響。同時，分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)內(nèi)的非線性、無功和不對稱負(fù)荷也會進一步惡化并網(wǎng)點處的電能質(zhì)量。這種被污染的電能不但會影響本地敏感負(fù)荷和并網(wǎng)逆變器的正常工作，甚至可能會波及與之相連的配電網(wǎng)中負(fù)荷的正常運行。另一方面，隨著電力市場的發(fā)展，電能的按質(zhì)定價將是分布式發(fā)電和微電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。并網(wǎng)點電能質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到上網(wǎng)電價的高低。因此，對其并網(wǎng)點電能質(zhì)量的治理具有十分重要的意義?，F(xiàn)有電能質(zhì)量治理的主要措施即在并網(wǎng)點安裝有源或無源濾波器和無功補償裝置等設(shè)備。然而，這不僅會增加系統(tǒng)投資和運行維護費用，而且還降低了系統(tǒng)的可靠性。顯然，并網(wǎng)逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中的重要部件之一，如果其在完成常規(guī)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)功率跟蹤的同時，還能治理并網(wǎng)點處的電能質(zhì)量，無疑具有重要的意義?，F(xiàn)有這類具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器主要采用單相全橋或三相全橋電力電子拓?fù)?，其所具有的?fù)合功能主要為諧波電流治理，能同時治理并網(wǎng)點處諧波、無功和不平衡電流的復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器還不多見。此外，現(xiàn)有具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器的對直流母線電壓往往要求較高，需要多個直流電源(光伏電池、儲能電池等)模塊經(jīng)過串聯(lián)或通過前級升壓DC/DC變換器才能接入其直流母線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利為克服已有技術(shù)的不足，提出了一種具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器拓?fù)浼捌淇刂品椒?。本發(fā)明能實現(xiàn)對分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)并網(wǎng)點處不平衡、無功和諧波電流的同時治理。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案為提供一種具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器，包括帶電容的直流母線，各種分布式電源或儲能并網(wǎng)發(fā)電裝置的直流輸出端接至直流母線電容兩端；該并網(wǎng)逆變器還包括三組共直流母線的單相全橋逆變電路，每一組單相全橋逆變電路的輸出均接至濾波器，濾波器的輸出端均通過單相升壓隔離變壓器接入380V電壓等級的配電網(wǎng)。由于共直流母線，可以有效降低環(huán)流出現(xiàn)的可能。同時，各相電路和控制完全解藕，帶不平衡負(fù)載的能力極強，且可以方便地實現(xiàn)分相控制、N+1冗余、在線熱插拔等功能，提高系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明中，所述分布式電源或儲能并網(wǎng)發(fā)電裝置的直流輸出端是指光伏的輸出端、直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機/飛輪或微型燃?xì)廨啓C的整流輸出端、超級電容/超導(dǎo)或電池儲能裝置的輸出端。本發(fā)明中，輸出側(cè)采用LC濾波器，可有效消除高次諧波對系統(tǒng)的影響，同時LC濾波器還和其后的隔離變壓器漏感一起等效地構(gòu)成LCL濾波器，對高次諧波的抑制能力較好。當(dāng)然，輸出濾波器也可以采用L或LCL濾波器，但是L型濾波器高頻衰減速率不高，往往需要較大的電感值才能達(dá)到理想的濾波效果，增加了系統(tǒng)體積和成本；此外，若采用LCL 濾波器，則不能充分利用隔離變壓器漏感達(dá)到減小系統(tǒng)投資和體積的優(yōu)勢。本發(fā)明中，所述LC濾波器和隔離變壓器之間存在諧振回路，在其濾波電容支路串聯(lián)有阻尼電阻以阻尼諧振。本發(fā)明中，所述直流母線是400V的直流母線，采用400V直流母線電壓，可以降低對直流電源的要求，有時甚至可以省去前級DC/DC變換器。所述單相升壓隔離變壓器的變比為150V 220V;采用150V 220V的升壓隔離變壓器，可以有效降低對直流母線電壓的壓力，且能有效隔離逆變器側(cè)直流和高次諧波對網(wǎng)側(cè)的影響。作為一種改型的技術(shù)方案，還可以是以變比為1 1的隔離變壓器替代所述單相升壓隔離變壓器。本發(fā)明還提供了一種包括前述并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，該并網(wǎng)逆變系統(tǒng)還有一個用于控制單相全橋逆變電路觸發(fā)脈沖的控制器；并至少還包括測量并網(wǎng)逆變器機端電壓的電壓傳感器，以及測量并網(wǎng)逆變器輸出電流、濾波電感電流和網(wǎng)側(cè)電流的電流傳感器。本發(fā)明提供了一種前述并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變控制方法，包括以下步驟(1)控制器對并網(wǎng)逆變器機端電壓傳感器和其輸出電流、濾波電感電流和網(wǎng)側(cè)電流傳感器的輸出信號進行采樣；(2)基于瞬時無功功率理論得到并網(wǎng)逆變器所需的功率跟蹤電流指令信號igab。；(3)為了在常規(guī)并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上復(fù)合對其并網(wǎng)點處電能質(zhì)量的治理，獲取所需投入的補償電流分量ihab。；(4)并網(wǎng)逆變器的輸出電流信號與其指令電流irefab。= igabc+ihabc之差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和輸出限幅環(huán)節(jié)后，在三角載波調(diào)制作用下生成并網(wǎng)逆變器中功率器件所需的觸發(fā)脈沖，以完成電能變換。本發(fā)明步驟(3)中補償電流分量ihab。的獲取過程包括以下步驟利用網(wǎng)側(cè)電流isab。和隔離變壓器高壓側(cè)電流i。ab。間接計算總的等效負(fù)荷電流
Iabc >利用無鎖相環(huán)電流檢測技術(shù)對等效負(fù)荷電流和并網(wǎng)逆變器機端電壓usab。進行檢測，將abc坐標(biāo)系下的負(fù)荷電流iab。沿著任意初始位置角θ ^的dq坐標(biāo)系投影，得到其在 dq坐標(biāo)系下的電流分量、和ip;同時，將并網(wǎng)逆變器機端電壓也沿該dq坐標(biāo)系投影，得到對應(yīng)的電壓分量Ud和U,;利用瞬時無功功率理論檢測的正序基波有功電流分量，得到在該dq坐標(biāo)系下的值ipd和iM ；由該dq坐標(biāo)系到abc坐標(biāo)系的反Park變換，得到正序基波有功分量在abc坐標(biāo)系下的表達(dá)式ipab。；然后，由總的負(fù)荷電流iab。減去ipab。即可得到所需補償?shù)臒o功、諧波
和負(fù)序分量ihab。。本發(fā)明還包括對被控對象模型的降階將三相的并網(wǎng)逆變器等效為三個完全獨立的單相逆變器，進而得到濾波電感電流k和隔離變壓器原邊電流ip到逆變器輸出電壓U。之間的傳遞函數(shù)模型；利用加權(quán)電流反饋方法，實現(xiàn)高階模型的降階，將完整的5階模型降為 1階，以利用該降階模型實現(xiàn)PI控制。本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在1、本發(fā)明能有效地利用分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)中必不可少的并網(wǎng)逆變器設(shè)備實現(xiàn)對并網(wǎng)點電能質(zhì)量的有效治理，使并網(wǎng)逆變器具有一機多職的功能，實現(xiàn)其功能的復(fù)合化和多功能化，提高其性價比，降低系統(tǒng)的投資成本和運行維護費用，提高系統(tǒng)可靠性。2、所提控制方案原理清晰，可操作性強，運行可靠，能有效完成在并網(wǎng)功率跟蹤的同時完成對并網(wǎng)點電能質(zhì)量的治理。此外，由于無鎖相環(huán)電流技術(shù)的采用，可減少不必要的硬件鎖相環(huán)電路或軟件鎖相程序，能有效克服傳統(tǒng)鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓畸變或不平衡條件下鎖相不準(zhǔn)的弊病。該控制方案同時適用于其他具有本發(fā)明功能相類似拓?fù)涞目刂啤?、采用降階模型實現(xiàn)對高階模型的降階，大大簡化了控制器的設(shè)計過程。


圖1為具有復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器及其機端負(fù)荷所構(gòu)成的電路拓?fù)洹?br> 圖2為具有復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器的控制算法框圖。
圖3為dq坐標(biāo)系下的電壓和電流矢量。
圖4復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器的單相等效電路。
圖5單相等效電路中阻抗網(wǎng)絡(luò)的化簡結(jié)果。
圖6復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器的框圖模型。
圖7基于降階模型的復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器框圖模型化簡結(jié)果。
圖8復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)及控制策略原理框圖。
圖9復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器在治理并網(wǎng)點處無功和不平衡電流時的輸出電流。
圖10復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器在治理并網(wǎng)點處無功和不平衡電流時的網(wǎng)側(cè)功率。
圖11復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器在治理并網(wǎng)點處諧波電流時的輸出電流。
圖12復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器在治理并網(wǎng)點處諧波電流時的網(wǎng)側(cè)功率。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。圖1所示一種具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器及其組成的系統(tǒng)包括400V直流母線； 三組共直流母線的單相全橋逆變電路；輸出LC濾波器，為阻尼諧振，濾波電容支路串聯(lián)有阻尼電阻；升壓隔離變壓器，變比為N1 N2 = 150V 220V ；由TI公司TMS320F2812構(gòu)成的控制器；并網(wǎng)公共耦合點PCC(Point of Common Coupling)；非線性負(fù)荷及其機械開關(guān)，
6不平衡負(fù)荷及其機械開關(guān)。其中，復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器的控制方法包括控制器對電壓和電流傳感器輸出信號進行采樣、功率跟蹤電流指令生成、補償電流的提取、反饋控制與觸發(fā)脈沖生成。首先，控制器對電壓和電流傳感器的輸出進行采樣，獲得控制器所需的各種電壓和電流信號。其次，基于瞬時無功功率理論得到并網(wǎng)逆變器所需的功率跟蹤電流指令信號再次，為了在常規(guī)并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上復(fù)合對其并網(wǎng)點處電能質(zhì)量的治理，需要獲取
1
gab c °
所需投入的補償電流分量
-habc °
最后，并網(wǎng)逆變器的輸出電流信號與其指令電流
Irefabc
1
+ihab。之差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和輸出限幅環(huán)節(jié)后，在三角載波調(diào)制作用下生成并網(wǎng)逆變器
gab c 丄 habc
中功率器件所需的觸發(fā)脈沖，以完成電能變換。值得指出的是，為了降低PI控制器設(shè)計的復(fù)雜度，還對高階模型進行了降階。功率跟蹤電流的計算為了實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器對并網(wǎng)功率的跟蹤，本發(fā)明采用了一種基于直接電流的方法，可以消除傳統(tǒng)功率外環(huán)，降低控制算法的復(fù)雜度。若并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)有功、無功功率給定值分別為P和Q，那么由瞬時無功功率理論可知并網(wǎng)電流指令值在dq坐標(biāo)系下的結(jié)
果 idref 禾口 iqref 應(yīng)滿足
iP = UjdM +uAref [Q=uAref-uAM
由式(3)即可知
(1)
Y^f= (MdP+uqQ)/{U]+U2q) \iqref =(uqP-udQ)/{U]+U1q)
⑵ 式⑷即為圖2中圖2中所示的變換T。由4社和、&分別經(jīng)過反Park變換，即可得到并網(wǎng)功率跟蹤電流在abc坐標(biāo)系下的值
-gabcc補償電流分量的提取如圖2所示的控制算法框圖，復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器的控制器通過采樣隔離變壓器高壓側(cè)的輸出電流i。ab。和網(wǎng)側(cè)電流isab。，由圖1所示的參考電流方向，可知總的等效負(fù)荷電流iab。可由 Isabc ~^ Ioabc 之和代替。采用無鎖相環(huán)電流檢測技術(shù)，選擇恒功率Park變換 Cal
tbc I dq
cos(6>) cos(6>-2^-/3) cos(6> + 2λ·/3) -sin(6>) -sin(6>-2^-/3) -sin(6> + 2^/3)
/V2
/V⑶ 其中，θ = f ω dt = / 2 Ji fdt+ θ。，θ Q為初相位，也即dq坐標(biāo)系d軸與abc坐
C
dq / abc
Cabc / dq ^at
ibc / dq
標(biāo)系a軸之間的夾角，可以是任意值。Cawdtl的逆變換滿足
利用式(1)所示Park變換，可以得到電流iab。在所選擇dq坐標(biāo)系中的結(jié)果、和 iq,通過低通濾波器可以得到其直流分量1和《。類似地，可以利用該Park變換對PCC處的電壓usab。進行變換，得到Ud和u,及其通過低通濾波器后的值。由圖3所示電壓電流在 dq坐標(biāo)下的關(guān)系，利用、I和《，可以得到負(fù)荷電流的正序基波有功分量在dq坐標(biāo)系下的結(jié)果ipd和iM。
圖2中所示變換Cp,即式⑵，由‘和ip,利用Park反變換即可得到其在abc坐 標(biāo)系下的結(jié)果ip.。最后，由i.減去ip.即為總負(fù)荷電流中需要補償?shù)呢?fù)序、諧波和無功 分量ihab。。最終，由ihab。和igab。之和共同構(gòu)成了復(fù)合功能并網(wǎng)逆變器的指令電流值‘fab。。高階模型的降階圖2還給出了并網(wǎng)逆變器的控制算法，由圖1所示的并網(wǎng)逆變器拓?fù)淇芍麄€電 路拓?fù)淙嘟馀?，可以?dāng)作3個單相逆變器對待，某單相的等效電路如圖4所示。由電路理 論的知識可知，圖4中的阻抗網(wǎng)絡(luò)部分可化簡為如圖5所示，其中各阻抗4、Z2和A分別為
權(quán)利要求
1.一種具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器，包括帶電容的直流母線，分布式電源或儲能并網(wǎng)發(fā)電裝置的直流輸出端接至直流母線電容兩端；其特征在于，該并網(wǎng)逆變器還包括三組共直流母線的單相全橋逆變電路，每一組單相全橋逆變電路的輸出均接至濾波器，濾波器的輸出端均通過單相升壓隔離變壓器接入380V電壓等級的配電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述分布式電源或儲能并網(wǎng)發(fā)電裝置的直流輸出端是指光伏的輸出端、直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機/飛輪或微型燃?xì)廨啓C的整流輸出端、超級電容/超導(dǎo)或電池儲能裝置的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述濾波器為LC濾波器或L、LCL 濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述LC濾波器與隔離變壓器之間存在諧振回路，在其濾波電容支路串聯(lián)有阻尼電阻用于阻尼諧振。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并網(wǎng)逆變器，其特征在于，所述直流母線是400V的直流母線， 所述單相升壓隔離變壓器的變比為150V 220V。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并網(wǎng)逆變器，其特征在于，是以變比為1 1的隔離變壓器替代所述單相升壓隔離變壓器。
7.一種包括權(quán)利要求1所述并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，其特征在于，該并網(wǎng)逆變系統(tǒng)還有一個用于控制單相全橋逆變電路觸發(fā)脈沖的控制器；并至少還包括測量并網(wǎng)逆變器機端電壓的電壓傳感器，以及測量并網(wǎng)逆變器輸出電流、濾波電感電流和網(wǎng)側(cè)電流的電流傳感器。
8.一種基于權(quán)利要求7所述并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變控制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)控制器對并網(wǎng)逆變器機端電壓傳感器和其輸出電流、濾波電感電流和網(wǎng)側(cè)電流傳感器的輸出信號進行采樣；(2)基于瞬時無功功率理論得到并網(wǎng)逆變器所需的功率跟蹤電流指令信號igab。；(3)為了在常規(guī)并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上復(fù)合對其并網(wǎng)點處電能質(zhì)量的治理，獲取所需投入的補償電流分量ihab。；(4)并網(wǎng)逆變器的輸出電流信號與其指令電流iMfab。=igab。+ihab。之差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和輸出限幅環(huán)節(jié)后，在三角載波調(diào)制作用下生成并網(wǎng)逆變器中功率器件所需的觸發(fā)脈沖， 以完成電能變換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的并網(wǎng)逆變控制方法，其特征在于，步驟(3)中補償電流分量 ihabc的獲取過程包括以下步驟利用網(wǎng)側(cè)電流isab。和隔離變壓器高壓側(cè)電流i。ab。間接計算總的等效負(fù)荷電流iab。；利用無鎖相環(huán)電流檢測技術(shù)對等效負(fù)荷電流和并網(wǎng)逆變器機端電壓Usab。進行檢測，將 abc坐標(biāo)系下的負(fù)荷電流iab。沿著任意初始位置角θ ^的dq坐標(biāo)系投影，得到其在dq坐標(biāo)系下的電流分量id和、；同時，將并網(wǎng)逆變器機端電壓也沿該dq坐標(biāo)系投影，得到對應(yīng)的電壓分量Ud和U,；利用瞬時無功功率理論檢測的正序基波有功電流分量，得到在該dq坐標(biāo)系下的值ipd 和iM ；由該dq坐標(biāo)系到abc坐標(biāo)系的反Park變換，得到正序基波有功分量在abc坐標(biāo)系下的表達(dá)式ipab。；然后，由總的負(fù)荷電流iab。減去ipab。即可得到所需補償?shù)臒o功、諧波和負(fù)序分量ipabc°
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的并網(wǎng)逆變控制方法，其特征在于，該方法還包括對被控對象模型的降階將三相的并網(wǎng)逆變器等效為三個完全獨立的單相逆變器，進而得到濾波電感電流I和隔離變壓器原邊電流ip到逆變器輸出電壓U0之間的傳遞函數(shù)模型；利用加權(quán)電流反饋方法，實現(xiàn)高階模型的降階，將完整的5階模型降為1階，以利用該降階模型實現(xiàn)PI 控制。
全文摘要
本發(fā)明屬電氣工程、分布式發(fā)電和電能質(zhì)量治理領(lǐng)域，旨在提供一種具有復(fù)合功能的并網(wǎng)逆變器及并網(wǎng)逆變控制方法。該并網(wǎng)逆變器包括帶電容的直流母線，分布式電源或儲能并網(wǎng)發(fā)電裝置的直流輸出端接至直流母線電容兩端；還包括三組共直流母線的單相全橋逆變電路，每一組單相全橋逆變電路的輸出均接至濾波器，濾波器的輸出端均通過單相升壓隔離變壓器接入380V電壓等級的配電網(wǎng)。本發(fā)明能有效地利用并網(wǎng)逆變器設(shè)備實現(xiàn)對并網(wǎng)點電能質(zhì)量的有效治理，使并網(wǎng)逆變器具有一機多職的功能，實現(xiàn)其功能的復(fù)合化和多功能化，提高其性價比，降低系統(tǒng)的投資成本和運行維護費用，提高系統(tǒng)可靠性。所提控制方案原理清晰，可操作性強，運行可靠。
文檔編號H02J3/18GK102355151SQ20111029760
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者曾正, 朱明磊, 楊歡, 湯浩, 趙榮祥, 金磊 申請人:浙江大學(xué)