CN100413174C - 用电压控制型逆变器进行并网的方法及设备 - Google Patents

用电压控制型逆变器进行并网的方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明是用电压控制型逆变器进行并网的方法及设备。本方法是将从直流输入端输入的直流电由功率变换电路逆变为交流，滤波后，由并网电路馈入交流电网；在并网过程中，先将输出电压Uc、并网电流Io和市电电压Ug分别送入信号调理电路检测，经数字控制器形成脉宽调制信号后，再将其送入驱动电路形成驱动脉冲，以控制功率变换电路正常工作输出正弦的并网电流，从而实现用电压控制型逆变器进行并网。本设备设有直流输入端、功率变换及滤波电路、并网电路和由信号调理、数字控制及驱动电路组成的控制单元。本发明适用于使用并网电抗接入电网的单相或三相桥式逆变电路，并且具有控制简单可靠、适用范围广、结构紧凑、对电网谐波污染小等优点。

Description

用电压控制型逆变器进行并网的方法及设备
技术领域
本发明涉及分布式发电系统及新能源发电领域，特别是一种用电压控制型逆变器进行并网的方法及设备。
背景技术
随着现代社会对能源需求的不断增加而传统能源的供应不断枯竭，以太阳能、风能、燃料电池为代表的新能源由于具有清洁无污染、可再生、获取方便等方面的巨大优势，引起了当今世界各国广泛关注并成为各发达国家技术竞争的主要热点。目前，世界各国对新能源并网发电技术高度重视，其研究开发的力度不断增强，推广运用的规模不断加大，新能源并网发电的经济效益和社会效益开始逐步得以体现。我国是世界上的能源消耗大国，开发和掌握具有自主知识产权的新能源并网发电技术对于打破国外技术垄断，保障国家可持续发展具有重大的战略安全意义。
新能源分布式发电并网系统中的核心部件是运用电力电子技术的并网逆变器，它负责将从太阳能电池、燃料电池等得到的直流电转换和电网电压同频、同相的交流电，馈送至电网，实现并网发电。由于用户对用电可靠性要求的不断提高和用户需求的多样性，采用新能源的分布式发电系统除了应具有并网发电能力之外，还应当具有独立发电能力，以便在当地电网发生故障或者“孤岛效应”出现时以保障本地用户的正常供电要求。而目前，国内外对并网逆变器的研究普遍采用电流控制策略，这种控制方法将并网逆变器的输出控制为电流源的特性以实现并网发电。这种控制方式的缺点在于：只能并网运行，不能直接以独立发电模式供给本地用户；当处电网发生故障或者“孤岛效应”时，只能选择停机而无法满足本地用户的正常需要；尤其是在滨海海岛和我国新疆西藏等广大边疆地区，虽然当地的太阳能、风能资源十分丰富，但大部分地区无电网架设或者当地电网容量偏小，稳定性不高，因此在这些地方电流控制型并网逆变器的适用性将大大受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用电压控制型逆变器进行并网的方法及设备，以解决现有技术存在的缺陷，同时通过控制手段解决了电压控制型逆变器尤其是中小型逆变器并网谐波电流抑制的技术难题，使得不被业界采用的电压型控制型逆变器具有并网能力。
本发明工作原理是：利用数字控制算法将谐波补偿调节量调制到基波指令信号中，通过发出补偿谐波来抵消实际系统中的谐波电压的影响，提高并网电流的正弦质量以减小对电网的谐波污染；同时，通过对并网电流基波相位和幅值的控制，实现对输出有功功率和无功功率的控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明提供的用电压控制型逆变器进行并网的方法，具体是：将从直流输入端输入的直流电由功率变换电路逆变为交流，再经过滤波后，由并网电路馈入交流电网，其特征在于：在并网过程中，先将输出电压Uc、并网电流Io和市电电压Ug分别送入信号调理电路进行检测，将检测到的信号送入数字控制电路中的数字控制器，在数字控制器中利用数字控制算法计算得到Uc的基波指令信号和Ug的谐波补偿信号，两者叠加后由数字控制器形成脉宽调制信号，并将其送入驱动电路形成驱动脉冲信号，该信号驱动功率变换电路产生Uc的基波电压和用以抵消Ug中谐波影响的谐波补偿电压，以保证并网电流达到正弦，从而实现用电压控制型逆变器进行并网。
本发明提供的用电压控制型逆变器进行并网的设备，其结构是：设有直流输入端、功率变换及滤波电路、并网电抗及并网继电器、控制单元。控制单元设有信号调理电路、数字控制电路和驱动电路，其中，输出电压Uc、并网电流Io和市电电压Ug分别经信号调理电路进行检测和处理后，送由数字控制电路生成叠加有谐波补偿调节量的脉宽调制信号，再经驱动电路形成驱动脉冲，送入功率变换电路控制开关管的正常工作；信号调理电路的输出接口4至7与数字控制电路的输入接口8至11对应相接，数字控制电路的输出接口12与驱动电路输入接口13相接，驱动电路输出接口14与功率变换电路的输入接口3相接。
本发明与现有的电流控制型并网运行逆变器相比，具有以下显著效果：
其一.可直接作为电压源供普通用户使用，具有使用配置方便，控制简单可靠，无模式切换困扰，可独立并联等方面的优势，其适用范围比电流控制型更为广泛。
其二.仅通过控制手段就能保证电压控制型逆变器并网电流质量达到国家制定的上网标准，而无需附加输出陷波器等额外硬件设备。这将有助于控制并网逆变器的成本和体积，提高效率，增强产品的市场竞争力。
其三.由于自身的输出特性为电压源特性，当电网出现故障时亦可直接作为电压源供本地用户使用，并网发电模式和独立发电模式可自动平滑转换。随着对分布式发电系统要求的逐步提高，电压控制型并网方案将显现巨大的潜力。
其四.可以广泛的运用于太阳能、风能等新能源的分布式发电及并网系统中。
总之，本发明具有控制简单可靠、适用范围广、结构紧凑、对电网谐波污染小等优点。
附图说明
图1是本发明的原理方框图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是图1的控制单元方框图。
具体实施方式
本发明利用先进的数字控制算法将谐波电压补偿量调制到基波指令信号中，通过发出补偿谐波电压来抵消交流电网中谐波电压的影响，保证了并网电流的高品质正弦质量；同时通过对并网基波电压幅值和相位的控制，实现对输出有功和无功的控制。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
一.用电压控制型逆变器进行并网的方法
如图1、2和3所示：本方法是将从直流输入端输入的直流电由功率变换电路逆变为交流，再经过滤波后，由并网电路馈入交流电网。在并网过程中，先将输出电压Uc、并网电流Io和市电电压Ug分别送入信号调理电路进行检测，将检测到的信号送入数字控制电路中的数字控制器，在数字控制器中利用数字控制算法计算得到Uc的基波指令信号和Ug的谐波补偿信号，两者叠加后由数字控制器形成脉宽调制信号，并将其送入驱动电路形成驱动脉冲信号，该信号驱动功率变换电路产生Uc的基波电压和用以抵消Ug中谐波影响的谐波补偿电压，以保证并网电流达到正弦，从而实现用电压控制型逆变器进行并网。
将市电电压Ug送至信号调理电路进行检测，并通过其中的同步单元电路处理生成同步方波信号，将生成的同步方波信号通过输出接口4接入数字控制电路中数字控制器的捕捉引脚，再通过数字控制器的数字锁相环完成对市电信号的锁相功能，同时Ug的检测信号经信号调理电路上的A/D电路转换为数字信号后，通过输出接口5接入数字控制器；将并网电流Io送入信号调理电路进行检测，并通过其中的A/D电路转换为数字信号，再通过输出接口6送入数字控制电路中的数字控制器，数字控制器根据Ug、Io的数字信号和锁相环得到的相位信息由功率及相位计算环节计算功率变换电路输出的有功功率和无功功率，将其与各自的设定值进行比较计算偏差量，并利用数字PID调节器得到基波指令；将输出电压Uc送入信号调理电路进行检测并通过其中的A/D芯片转换为数字信号，再送入数字控制电路中数字控制器，在数字控制器中Uc和Ug的检测信号通过谐波提取环节和谐波抑制控制器生成谐波补偿调节量；将基波电压指令信号和谐波电压补偿信号送入叠加器进行叠加后交由数字控制器形成脉宽调制信号，该信号通过驱动电路形成驱动脉冲信号，以控制功率变换电路正常工作。
在数字控制器中，Uc和Ug的检测信号通过谐波提取环节和谐波抑制控制器生成谐波补偿调节量。其具体步骤为：
步骤一：在谐波提取环节中求取同一时刻下Uc和Ug的差值Δu。Δu＝Uc-Ug；
步骤二：在谐波提取环节中将Δu送入数字巴特沃斯高通滤波器，得到其中的谐波分量；
步骤三：将谐波分量送入谐波抑制控制器，通过谐波抑制控制器中的重复控制算法得到谐波补偿量；
将谐波补偿调节量和基波指令送入叠加器叠加到一起，通过数字控制器的PWM调制发生单元得到脉宽调制(PWM)信号。PWM信号通过数字控制板接口5送至驱动电路，经由驱动电路中的光耦芯片隔离后再通过推挽电路形成驱动脉冲信号，该脉冲信号通过驱动电路接口2送入功率变换电路中控制开关管的正常工作。
在并网过程中，当电网出现故障或发生“孤岛效应”时，继电器K断开，逆变器与电网解网。此时将谐波提取环节中Δu和谐波抑制控制器的输出量清零，不再进行谐波抑制补偿，逆变器以独立发电模式继续保证本地用户的用电需求；当电网故障解除，电网电压正常后，功率变换电路通过数字控制器软件中的锁相环与电网电压进行锁相，并根据电网电压大小调节输出电压Uc，当达到输出与电网电压同频、同相、同幅值时，继电器K闭合，同时谐波抑制控制器投入正常工作，抑制并网谐波电流，逆变器进入并网发电的状态，从而实现用电压控制型逆变器独立发电和并网发电模式的自动平滑转换。
二.用电压控制型逆变器进行并网的方法，其在使用并网电抗接入电网的单相或三相桥式逆变电路中的用途。
三.用电压控制型逆变器进行并网的设备
本设备的结构如图1、2和3所示：设有直流输入端、功率变换及滤波电路、并网电抗及并网继电器、控制单元。控制单元设有信号调理电路、数字控制电路和驱动电路，其中，输出电压Uc、并网电流Io和市电电压Ug分别经信号调理电路进行检测和处理后，由数字控制电路生成叠加有谐波补偿调节量的脉宽调制信号，再经驱动电路形成驱动脉冲，送入功率变换电路控制开关管的正常工作；信号调理电路的输出接口4至7与数字控制电路的输入接口8至11对应相接，数字控制电路的输出接口12与驱动电路输入接口13相接，驱动电路输出接口14与功率变换电路的输入接口3相接。
如图3所示，数字控制电路采用数字控制器，其拥有谐波提取环节、谐波抑制控制器、功率及相位检测环节、基波控制器和叠加器5个部分的数字控制算法，其各部分的信号连接关系是：Uc和Ug的数字检测信号通过谐波提取环节得到谐波电压的信号，该信号送入谐波抑制控制器后由其中的数字算法计算得到谐波电压补偿信号；Io和Ug的数字检测信号通过功率及相位检测环节得到市电的相位信号和并网的有功功率和无功功率的数值，将相位信号和数值信息送入基波控制器，得到基波电压的指令信号；将基波电压指令信号和谐波电压补偿信号一并送入叠加器完成叠加过程，得到形成脉宽调制信号的控制信号。
功率变换电路可采用PWM DC/AC桥式逆变器拓扑结构，直流输入环节DC的能量经过PWM桥式逆变器和LC二阶滤波器组成的功率变换及滤波电路后变成交流，再通过并网电抗L2和继电器K接入交流电网。流过并网电抗的并网电流Io、滤波电容上的输出电压Uc和交流电网的市电电压Ug送入信号调理电路后通过高精度的霍尔传感器进行检测，得到的模拟检测信号由信号调理电路上的A/D芯片转变为数字信号，送入数字控制器。A/D转换芯片可选用12位分辨率的THS1206，数字控制器芯片可采用数字信号处理器(DSP)，单片机，或者现场可编程门阵列(FPGA)等具有数字信号处理和控制能力的芯片，这里选用TI公司的DSP芯片TMS2407，该芯片运行速度高达40MHz，并且具有6路全比较PWM输出端，拥有足够的运算能力和控制能力。
四.一种用电压控制型逆变器进行并网的设备，其在使用并网电抗接入电网的单相或三相桥式逆变电路中的用途。

Claims (3)

1. 一种用逆变器进行并网的方法，是将从直流输入端输入的直流电由功率变换电路逆变为交流，再经过滤波后，由并网电路馈入交流电网，其特征在于：在并网过程中，先将输出电压Uc、并网电流Io和市电电压Ug分别送入信号调理电路进行检测，将检测到的信号送入数字控制电路中的数字控制器，在数字控制器中利用数字控制算法计算得到Uc的基波指令信号和Ug的谐波补偿信号，两者叠加后由数字控制器形成脉宽调制信号，并将其送入驱动电路形成驱动脉冲信号，该信号驱动功率变换电路产生Uc的基波电压和用以抵消Ug中谐波影响的谐波补偿电压，以保证并网电流达到正弦，从而实现用电压控制型逆变器进行并网。
2. 根据权利要求1所述并网的方法，其特征在于：将市电电压Ug送至信号调理电路进行检测并通过其中的同步单元电路处理生成同步方波信号，将生成的同步方波信号接入数字控制电路中数字控制器的捕捉引脚，再通过数字控制器的数字锁相环完成锁相功能，同时Ug的检测信号经信号调理电路上的A/D电路转换为数字信号后接入数字控制器；将并网电流Io送入信号调理电路进行检测并通过其中的A/D电路转换为数字信号，再送入数字控制电路中的数字控制器，数字控制器根据Ug、Io的数字信号和锁相环得到的相位信息计算功率变换电路输出的有功功率和无功功率，将其与各自的设定值进行比较计算偏差量，并利用数字PID调节器得到基波指令信号；将输出电压Uc送入信号调理电路进行检测并通过其中的A/D芯片转换为数字信号，再送入数字控制电路中的数字控制器，在数字控制器中Uc和Ug的检测信号通过谐波提取环节和谐波抑制控制器生成谐波补偿信号；将基波电压指令信号和谐波电压补偿信号送入叠加器进行叠加后交由数字控制器形成脉宽调制信号，该信号通过驱动电路形成驱动脉冲信号，以控制功率变换电路正常工作。
3. 基于权利要求1或2所述的用电压控制型逆变器进行并网的方法，该方法适用于使用并网电抗接入电网的单相或三相桥式逆变电路以实现并网的用途。
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