CN101667736A - 一种三级无刷微型燃机发电并网装置及并网方法 - Google Patents

Abstract

三级无刷微型燃机发电并网装置及并网方法属于燃机发电技术领域。本发明可提高并网速度和发电质量，有效降低并网时对电网冲击。本发明的装置包括微处理器，微型燃机的输出端经整流电路、滤波电路与IGBT斩波电路相连，IGBT斩波电路与逆变器相连；PWM输出接口经IGBT驱动电路与IGBT斩波电路及逆变器的使能端相连，电网馈电控制信号经馈电装置与电能输入端口相连；检测装置经模拟量输入通道与A/D转换模块相连；相位协调控制信号与相位协调器相连；电压测量变压器经整形电路与锁相环倍频电路、捕获口相连，锁相环倍频电路与微处理器的外部中断引脚相连。本发明的并网方法采用网侧电压反馈控制、整流侧IGBT斩波控制、相位协调控制及逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制。

Description

一种三级无刷微型燃机发电并网装置及并网方法

技术领域：

本发明属于燃机发电技术领域，特别涉及一种三级无刷微型燃机发电并网装置及并网方法。

背景技术：

随着环保概念的加强以及可再生能源的广泛利用，微型燃机发电技术已日益受到重视，微型燃机发电采用洁净的可再生能源。基于AC/DC/AC的微型燃机发电系统提高了发电系统的运行特性，受到电力行业的普遍关注。微型燃机发电系统接近终端用户，而且容量很小，一般在几十千瓦到几十兆瓦，可以孤立供电也可以并网供电，可以直接接在380V或10kV的用电设备上。由于微型燃机发电系统结构相对简单，体积较小，便于移动；因此，其常被用于军事等特殊领域，这就对发电系统的响应速度和发电质量提出了更高的要求。

三级无刷微型燃机发电的并网条件是：发电机输出的电压与电网电压在幅值、频率以及相位上完全相同。三级无刷微型燃机发电并网时会对电网产生冲击，这种冲击严重时不仅会引起电力系统电压的大幅度下降，还可能对发电机和机械部件造成损坏。如果并网冲击时间持续过长，还可能使系统瓦解或威胁其他网挂机组的正常运行。因此，采用合理的并网方法是一个不容忽视的问题。

现有的三级无刷微型燃机发电并网方法及装置在发电并网时对电网产生的冲击较大，且发电并网速度较慢，影响了发电的质量。

发明内容：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种可提高发电并网速度和发电质量，有效降低发电并网时对电网产生的冲击的三级无刷微型燃机发电并网装置及并网方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种三级无刷微型燃机发电并网装置，包括微处理器、整流电路和逆变器，微型燃机发电机组的输出端经电能输入端口与整流电路的输入端相连，整流电路的输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路的输出端与IGBT斩波电路的输入端相连，IGBT斩波电路的输出端与逆变器的输入端相连；所述的微处理器的PWM输出接口经IGBT驱动电路分别与IGBT斩波电路及逆变器的使能端相连，微处理器的电网馈电控制信号接口经馈电装置与电能输入端口相连；逆变器的输出端分别与电流互感器、电压测量变压器及相位协调器的输入端相连，电流互感器、电压测量变压器、发电机实时转速检测装置及网侧电压相位检测装置的输出端分别经模拟量输入通道与微处理器的A/D转换模块相连；微处理器的相位协调控制信号接口与相位协调器的控制端口相连，相位协调器的输出端与电网相连；所述的电压测量变压器的输出端经整形电路分别与锁相环倍频电路的输入端、微处理器的捕获口相连，锁相环倍频电路的输出端与微处理器的外部中断引脚相连。

所述的三级无刷微型燃机发电并网装置的并网方法，包括如下步骤：

步骤一：进行系统初始化；

步骤二：对逆变后的电压、逆变后的电流、网侧电压相位和发电机实时转速进行检测，并将检测的模拟量送入模拟量输入通道进行信号调理；然后，将调理后的信号送入微处理器的A/D转换模块进行A/D转换，将模拟量转换成数字量；

步骤三：由微处理器将步骤二中得到的数字量进行数据处理及实时控制，其中包括网侧电压反馈控制、整流侧IGBT斩波控制、相位协调控制及逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制；

步骤四：将进行实时控制后输出的电压并入电网。

步骤三中所述的网侧电压反馈控制的控制过程如下：

根据检测的发电机实时转速来判断是否开启馈电装置，若开启馈电装置，则发送电网馈电控制信号，从而控制馈电装置供电量的大小。

步骤三中所述的整流侧IGBT斩波控制的控制过程如下：

将检测的逆变后的电压值与实际电压给定值比较，所得的电压差值送入PID控制器进行处理后，输出PWM控制信号，控制整流侧IGBT的导通和关断。

步骤三中所述的相位协调控制的控制过程如下：

将检测的逆变后的电压相位与实际网侧电压相位比较，输出相位协调控制信号来控制相位协调器。

步骤三中所述的逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制的控制过程如下：

将检测的逆变后的电压频率与给定电压频率比较，所得的电压频率差值Δp送入PID控制器中；同时，根据发电系统的容量设定输出电流的幅值，将该电流的幅值反相与同步信号相乘，所得的信号与逆变后的电流相比较，所得的电流差值Δi送入PID控制器中；Δp和Δi经PID控制器进行处理后，输出PWM控制信号，控制逆变侧IGBT的导通和关断。

本发明的有益效果：

本发明的发电并网装置以单片机DSP为主控芯片，并且嵌入了馈电装置，可提高微型燃机发电机组发电并网的速度。本发明的发电并网方法中提出了逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制相结合的控制方法，并且在本发明的发电并网装置中多处采用滤波稳压装置，提高了发电质量，有效地降低了发电并网时对电网产生的冲击。另外，本发明的发电并网装置中还含有保护电路，对发电并网提供了有效地安全保护。

使用本发明的三级无刷微型燃机发电并网方法及装置，可使三级无刷微型燃机输出的电压快速达到并网要求。

附图说明：

图1为本发明的发电并网方法的程序流程图；

图2为本发明的发电并网方法中网侧电压反馈控制的程序流程图；

图3为本发明的发电并网方法中整流侧IGBT斩波控制的程序流程图；

图4为本发明的发电并网方法中相位协调控制的程序流程图；

图5为本发明的发电并网方法中逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制的程序流程图；

图6为本发明的发电并网装置的电路原理框图；

图7为本发明的发电并网装置中整流侧的电路原理图；

图8为本发明的发电并网装置中整流侧的控制原理图；

图9为本发明的发电并网装置中逆变侧的电路原理图；

图10为本发明的发电并网装置中逆变侧的控制原理图；

图11为本发明的发电并网装置中整形电路的电路原理图；

图12为本发明的发电并网装置中锁相环倍频电路的电路原理图；

图13为本发明的发电并网装置中IGBT驱动电路的电路原理图；

其中，1-IGBT斩波电路，2-整流电路，3-滤波电路，4-电能输入端口，5-逆变器，6-微处理器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图6所示，一种三级无刷微型燃机发电并网装置，包括微处理器、整流电路和逆变器，微型燃机发电机组的输出端经电能输入端口与整流电路的输入端相连，整流电路的输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路的输出端与IGBT斩波电路的输入端相连，IGBT斩波电路的输出端与逆变器的输入端相连；所述的微处理器的PWM输出接口经IGBT驱动电路分别与IGBT斩波电路及逆变器的使能端相连，微处理器的电网馈电控制信号接口经馈电装置与电能输入端口相连；逆变器的输出端分别与电流互感器、电压测量变压器及相位协调器的输入端相连，电流互感器、电压测量变压器、发电机实时转速检测装置及网侧电压相位检测装置的输出端分别经模拟量输入通道与微处理器的A/D转换模块相连；微处理器的相位协调控制信号接口与相位协调器的控制端口相连，相位协调器的输出端与电网相连；所述的电压测量变压器的输出端经整形电路分别与锁相环倍频电路的输入端、微处理器的捕获口CAP1相连，微处理器的捕获口CAP1用于检测发电机的频率值；锁相环倍频电路的输出端与微处理器的外部中断引脚相连，整形后的信号经锁相环倍频电路倍频后，用于触发A/D转换模块进行采样。

所述的微处理器由单片机DSP及其外围电路组成，所述的单片机DSP的外围电路包括电源芯片、扩展存储器、晶振和复位电路等；本发明所采用的单片机DSP的型号为：TMS320F2812(TI)。

如图6所示，本发明的27V电源通过电源模块转换成各种等级的电源为控制系统供电，包括20V电源、±15V电源；其中，27V电源由蓄电设备提供。

本发明所采用的电流互感器的型号为：ISO122P(BB)，本发明所采用的网侧电压相位检测装置的型号为：TAG8800(SFE)，本发明所采用的相位协调器的型号为：20A-400A(TAISEE)，本发明所采用的发电机实时转速检测装置的型号为：DT2234B(台湾路昌)，本发明所采用的馈电装置的型号为BTA26-600B可控硅。

整流侧的电路原理图如图7所示，整流侧的电路可分为整流电路、滤波电路和IGBT斩波电路三部分。从微型燃机发电机组引入三相交流电，经电能输入端口后，由6个二极管组成的整流电路整流后变为直流电。再经滤波电路进行滤波，然后经过IGBT斩波电路进行斩波，控制输出直流电流和电压的大小。其中，电容C1、C2、C3与电阻R1、R2、R3组成阻容保护电路；快速熔断器R4、R5、R6、R7、R8、R9组成过流保护电路；电容C4为大容量极性电解电容，其用来滤除整流之后大的电压波动，电容C5为小容量无极性电容，其用来滤除整流之后小的电压“毛刺”，电容C6和电阻R11构成阻容滤波电路。电阻R10用来在停机之后放掉大电容C4里存储的能量，既可以防止在停机检修时出现触电事故，又可以延缓电容衰老。电阻R12、电容C7和二极管D7构成RCD关断缓冲电路，并联在IGBT两端。电流经过电感L1和电容C8滤波后，输出直流电流i_d和直流电压U_dc。当单片机DSP的PWM输出接口输出驱动控制脉冲信号使IGBT导通后，电容C8开始充电。在C8的充电过程中，电感L1内的电流逐渐增大，存储的磁场能量也逐渐增加；此时，续流二极管D因反向偏置而截止。当驱动控制脉冲信号使IGBT截止时，L1中的电流逐渐减小，L1两端产生的感应电势使续流二极管D导通，电感L1中存储的磁场能量便通过续流二极管D传递给负载。当负载电压低于电容C8两端的电压时，C8便向负载放电。在一定的频率下，通过控制IGBT开通时间和关断时间的比值，就可以使输出电压趋于某一定值，从而输出某一定值的直流电流。

整流侧的控制原理图如图8所示，将逆变后的电压值与实际电压给定值比较，所得的电压差值通过PID控制，产生PWM控制信号，用来控制整流侧IGBT的导通和关闭。通过对发电机实时转速进行分析，来判断是否需要从电网反馈电能，即：是否需要开启馈电装置；若需要开启馈电装置，则输出电网馈电控制信号，来控制馈电装置的运行。

逆变侧的电路原理图如图9所示，其中，U_dc为直流侧的电压，u_a、u_b、u_c为交流侧的三相电压，i_a、i_b、i_c为交流侧电流，L_a、L_b、L_c为电抗器及线路的电感，R_a、R_b、R_c为电感中的寄生电阻，e_a、e_b、e_c为电网侧电压。逆变器由6个IGBT组成，电容C9、C10、C11组成T型滤波器，用来提高系统的阶数，降低开关频率谐波的输出阻抗，有利于电流滤波。

逆变侧的控制原理图如图10所示，逆变侧采用直接频率控制和电流跟踪控制相结合的控制方法。其中，直接频率控制主要用来控制输出电压的频率；电流跟踪控制主要用来改善馈网电流质量，提高并网逆变器的稳定性和动态性能。

如图9所示，假定不考虑并网逆变器直流母线两端的电压波动，三相电网电压对称且稳定，主电路开关器件为理想开关元件；根据基尔霍夫电压电流定律和三相电压源型PWM并网逆变器工作原理，可得PWM逆变器开关函数的数学模型为：

$L_k\frac{{\mathrm{di}}_k}{\mathrm{dt}}+R_k{i}_k=U_{\mathrm{dc}}(S_k-\frac{1}{3}\underset{n=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{S}_n)---\left(1\right)$

$u_k-R_k{i}_k-L_k\frac{{\mathrm{di}}_k}{\mathrm{dt}}=e_k---\left(2\right)$

$\underset{k=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{e}_k=\underset{k=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{i}_k=0---\left(3\right)$

式(2)中，忽略R_k，带入 ${\mathrm{\Δi}}_k=i_k^{*}-i_k,$ 得：

$L_k\frac{{\mathrm{d\Δi}}_k}{\mathrm{dt}}=(e_k+L_k\frac{{\mathrm{di}}_k^{*}}{\mathrm{dt}})-u_k---\left(5\right)$

以上各式中：k＝a，b，c；S_k为IGBT的开关状态；i_k ^*为网侧给定电流。

由式(5)可得，在e_k稳定的情况下，逆变器的输出电流i_k只取决于逆变器的输出电压u_k。

根据发电系统的容量设定输出电流的幅值，即为逆变器输出电流峰值指令i*_m。将i*_m反相与同步信号相乘，即可得到相位为零的网侧电流指令信号。该信号与逆变后的电流相比较，所得的电流差值Δi送入PID控制器中。通过对逆变后电压检测得出逆变后输出的电压相位，将其与实际网侧电压相位作比较，输出相位协调控制信号，来控制相位协调器。逆变后的电压经电压测量变压器后，再经整形电路输入到DSP的捕获口，DSP通过捕获相邻两个上升沿来确定发电机的交流电压频率。然后与给定电压频率p比较，所得的电压频率差值与Δi经PID控制产生PWM控制信号，用来对逆变器的IGBT进行控制，已达到输出满意的电压要求。

整形电路的电路原理图如图11所示，电压测量变压器检测的交流电压信号u经过电压跟随器U1后，进入由放大器U2构成的反相滞回比较器，电路的滞回特性提高了系统的抗干扰能力。放大器U2输出低电平约为-13V、高电平约为+13V的方波，经过光电隔离器后，变为低电平为0V、高电平为3.3V的方波。图11中反并联二极管D8和D9对放大器U2进行输入保护，光电隔离器采用型号为TLP521，其既对电路进行了隔离，又实现了信号电平转换。光电隔离器的发光管能经受的最大反向电压为5V，而放大器U2输出的最低电压达到-13V；因此，在光电隔离器的输入侧串联一个二极管D10，对光隔进行保护。最后输出的方波信号PLLA被送到DSP的CAP1引脚，用于测量频率。

锁相环倍频电路的电路原理图如图12所示，本发明采用CMOS集成锁相环芯片CD4046和分频器CD4040配合来实现32倍精确倍频的目的。输入方波信号PLLA经倍频后变为方波信号PLLB，用于触发AD采样。

IGBT驱动电路的电路原理图如图13所示，光电隔离器TLP521的驱动模块EXB841的动作电流为10mA，如果电流太小有可能造成其不动作，而单片机DSP的PWM输出接口只有4mA的输出驱动能力。为此，需要对单片机DSP的PWM输出接口的输出信号进行功率放大；所以，在每个驱动模块EXB841的输入端和单片机DSP的PWM输出接口之间增加一个八路反向三态缓冲器74HC240，用作功率放大。缓冲器74HC240的控制端OEI与单片机DSP的一个控制输出引脚相连，只有缓冲器74HC240的控制端OEI有效时(低电平)，PWM脉冲信号才能从单片机DSP经过缓冲器74HC240输入到驱动模块。当单片机DSP复位时，缓冲器74HC240被封锁，其16脚和18脚输出低电平，驱动模块EXB841输出-5V电压，IGBT截止。

驱动模块EXB841通过快速二极管DPWM1能够检测到IGBT的过流故障输出，当检测到某个IGBT过流时，驱动模块EXB841自动封锁自身的触发脉冲输出，这时发生过流的IGBT会因为失去触发脉冲而截止，待故障电流消失时，过流信号也因此不存在了。

如图1所示，所述的三级无刷微型燃机发电并网装置的并网方法，包括如下步骤：

步骤一：系统上电后，DSP复位，系统初始化，其中包括对系统工作时钟的设置、看门狗的开启、GPIO引脚的设置、事件管理器的初始化和各种寄存器的设置等；

步骤二：对逆变后的电压、逆变后的电流、网侧电压相位和发电机实时转速进行检测，并将检测的模拟量送入模拟量输入通道进行信号调理；然后，将调理后的信号送入微处理器的A/D转换模块进行A/D转换，将模拟量转换成数字量；

步骤三：由微处理器将步骤二中得到的数字量进行数据处理及实时控制，其中包括网侧电压反馈控制、整流侧IGBT斩波控制、相位协调控制及逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制；

如图2所示，所述的网侧电压反馈控制的控制过程如下：

根据检测的发电机实时转速来判断是否开启馈电装置，若开启馈电装置，则发送电网馈电控制信号，从而控制馈电装置供电量的大小。

如图3所示，所述的整流侧IGBT斩波控制的控制过程如下：

将检测的逆变后的电压值与实际电压给定值比较，所得的电压差值送入PID控制器进行处理后，输出PWM控制信号，控制整流侧IGBT的导通和关断。

如图4所示，所述的相位协调控制的控制过程如下：

通过电压测量变压器对逆变后电压的检测，可以确定逆变后的电压相位，由网侧电压相位检测装置检测实际网侧电压相位；将确定的逆变后的电压相位与实际网侧电压相位比较，输出相位协调控制信号来控制相位协调器，以达到输出电压与电网电压在相位上的一致。

如图5所示，所述的逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制的控制过程如下：

将检测的逆变后的电压频率与给定电压频率比较，所得的电压频率差值Δp送入PID控制器中；同时，根据发电系统的容量设定输出电流的幅值，将该电流的幅值反相与同步信号相乘，即可得到相位为零的网侧电流指令信号，将该信号与逆变后的电流相比较，所得的电流差值Δi送入PID控制器中；Δp和Δi经PID控制器进行处理后，输出PWM控制信号，控制逆变侧IGBT的导通和关断。

步骤四：将进行实时控制后输出的合格的端电压并入电网。

实施例：

现以75KW中频微型燃机发电并网为例。

75KW中频微型燃机为三相四线制，但机组不对负载引出中线；因此，以下提到的电压均为线电压。其中，额定电压208V，额定功率75KW，最大功率82.5KW，额定功率因数为0.7，额定频率为400Hz。直流供电电源采用27V蓄电池。

中频微型燃机输出电流反馈，电流互感器变比为90∶1；输出电压反馈，电压测量变压器变比为17∶1。为了缩短发电机发电并网时间，根据实时转速通过馈电装置从网侧馈入适当电能，提高了发电并网的响应速度。通过本发明的控制，75KW中频微型燃机能够输出优质的电压，适合并网，有效地降低了发电并网时对电网产生的冲击。

Claims (6)

1、一种三级无刷微型燃机发电并网装置，其特征在于，包括微处理器、整流电路和逆变器，微型燃机发电机组的输出端经电能输入端口与整流电路的输入端相连，整流电路的输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路的输出端与IGBT斩波电路的输入端相连，IGBT斩波电路的输出端与逆变器的输入端相连；所述的微处理器的PWM输出接口经IGBT驱动电路分别与IGBT斩波电路及逆变器的使能端相连，微处理器的电网馈电控制信号接口经馈电装置与电能输入端口相连；逆变器的输出端分别与电流互感器、电压测量变压器及相位协调器的输入端相连，电流互感器、电压测量变压器、发电机实时转速检测装置及网侧电压相位检测装置的输出端分别经模拟量输入通道与微处理器的A/D转换模块相连；微处理器的相位协调控制信号接口与相位协调器的控制端口相连，相位协调器的输出端与电网相连；所述的电压测量变压器的输出端经整形电路分别与锁相环倍频电路的输入端、微处理器的捕获口相连，锁相环倍频电路的输出端与微处理器的外部中断引脚相连。

2、权利要求1所述的三级无刷微型燃机发电并网装置的并网方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：进行系统初始化；

步骤二：对逆变后的电压、逆变后的电流、网侧电压相位和发电机实时转速进行检测，并将检测的模拟量送入模拟量输入通道进行信号调理；然后，将调理后的信号送入微处理器的A/D转换模块进行A/D转换，将模拟量转换成数字量；

步骤三：由微处理器将步骤二中得到的数字量进行数据处理及实时控制，其中包括网侧电压反馈控制、整流侧IGBT斩波控制、相位协调控制及逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制；

步骤四：将进行实时控制后输出的电压并入电网。

3、根据权利要求2所述的三级无刷微型燃机发电并网装置的并网方法，其特征在于步骤三中所述的网侧电压反馈控制的控制过程如下：

根据检测的发电机实时转速来判断是否开启馈电装置，若开启馈电装置，则发送电网馈电控制信号，从而控制馈电装置供电量的大小。

4、根据权利要求2所述的三级无刷微型燃机发电并网装置的并网方法，其特征在于步骤三中所述的整流侧IGBT斩波控制的控制过程如下：

将检测的逆变后的电压值与实际电压给定值比较，所得的电压差值送入PID控制器进行处理后，输出PWM控制信号，控制整流侧IGBT的导通和关断。

5、根据权利要求2所述的三级无刷微型燃机发电并网装置的并网方法，其特征在于步骤三中所述的相位协调控制的控制过程如下：

将检测的逆变后的电压相位与实际网侧电压相位比较，输出相位协调控制信号来控制相位协调器。

6、根据权利要求2所述的三级无刷微型燃机发电并网装置的并网方法，其特征在于步骤三中所述的逆变侧直接频率控制和电流跟踪控制的控制过程如下：

将检测的逆变后的电压频率与给定电压频率比较，所得的电压频率差值Δp送入PID控制器中；同时，根据发电系统的容量设定输出电流的幅值，将该电流的幅值反相与同步信号相乘，所得的信号与逆变后的电流相比较，所得的电流差值Δi送入PID控制器中；Δp和Δi经PID控制器进行处理后，输出PWM控制信号，控制逆变侧IGBT的导通和关断。

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