CN103166234A - 一种单相并网逆变器的无功输出控制方法 - Google Patents

一种单相并网逆变器的无功输出控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及并网逆变器的控制方法，特别是一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：提供一控制单元，用以根据电网是否有无功输出要求来改变单相并网逆变器的控制方式，当电网没有无功输出要求时，所述控制单元控制单相并网逆变器处于单极性工作方式，当电网有无功输出要求时，所述控制单元控制单相并网逆变器处于双极性工作方式。本发明克服了单相并网逆变器的单一控制方式在输出无功能量方面的缺陷，实现输出电流相位的精确可控，实现功率因素的调节控制，在电网质量比较恶劣的情况下，单相并网逆变器通过输出无功对电网波形进行一定的补偿，具有损耗较低、整机效率高的特点。

Description

一种单相并网逆变器的无功输出控制方法
技术领域
本发明涉及并网逆变器的控制方法，特别是一种单相并网逆变器的无功输出控制方法。
背景技术
负载的无功电能一般由电网提供或由专用的无功补偿设备提供，对于城市复杂的供电网络在其供电和输送能力较强时，负载的无功功率对电网供电质量影响不会很大，但在电网的末梢特别是远离电网的边缘地区负载的无功电流会对电网供电电压产生较大影响，进而影响到共用该电网传输线上的其他用户。
目前市场上有太阳能、风能等新能源并网逆变器产品，其工作方式都只是输出有功功率，功率因素力求接近1，尚没有输出无功功率这一功能，新的欧洲标准VDE-AR-N4105-5.7.5 无功补偿章节要求，并网逆变器功率等级>3.68kVA以上的机型并网需满足输出无功的要求。
针对功率小于4.6KVA的单相并网逆变器，采用简单的单极性控制方式，在进行无功补偿时并网电流波形产生畸变，无法实现并网电流的无功控制；采用双极性的控制方式，损耗大，且电流纹波大，单相并网逆变器指标变差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，要求逆变器能够提供一定的无功能量，保证电网末梢无功电流的需求，进而改善电网质量和供电能力。
本发明采用以下方案实现：一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：提供一控制单元，用以根据电网是否有无功输出要求来改变单相并网逆变器的控制方式，当电网没有无功输出要求时，所述控制单元控制单相并网逆变器处于单极性工作方式，当电网有无功输出要求时，所述控制单元控制单相并网逆变器处于双极性工作方式。
在本发明一实施例中，所述根据电网是否有无功输出要求来改变单相并网逆变器的控制方式具体方式为：所述控制单元的通信接口接收一上位机发送的无功指令值                                               
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE002
，并判断所述无功指令值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE004
绝对值是否为1，若所述无功指令值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE004A
绝对值为1，表明电网没有无功输出要求；若所述无功指令值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE004AA
绝对值不为1，表明电网有无功输出要求。
在本发明一实施例中，所述控制单元包括一第一PID控制器、一无功计算模块、一第二PID控制器和一PWM控制器。
在本发明一实施例中，所述控制单元控制单相并网逆变器处于双极性工作方式具体工作流程为：
S21：在当前工频周期内，所述控制单元将所述单相并网逆变器的工作方式设置为双极性工作方式，并对单相并网逆变器的母线电压
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE006
进行采样；
S22：将采样得到的单相并网逆变器的母线电压
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE006A
作为所述第一PID控制器的反馈，提供一外部基准电压
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE008
作为所述第一PID控制器的给定，两者经过所述第一PID控制器得出当前开关周期并网电流有功分量给定值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE010
，其中k代表当前周期； 
S23：根据第一PID控制器得到的当前开关周期并网电流有功分量给定值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE010A
，所述的无功计算模块计算得到一下一开关周期并网电流有功分量给定值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE014
为电网工频周期与开关周期的比值；
S24：根据所述下一开关周期并网电流有功分量给定值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE016
和所述无功指令值λ，所述的无功计算模块计算得到下一开关周期的并网电流无功分量给定值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE018
；
S25：对当前开关周期的并网电压
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE020
和并网电流进行采样，采样信息包括所述并网电压
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE020A
的相位和幅值以及并网电流
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE022A
的相位和幅值；
S26：将当前开关周期的并网电流作为所述第二PID控制器的反馈，将所述并网电流无功分量给定值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE024
与所述并网电流有功分量给定值
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE016A
之和作为所述第二PID控制器的给定，经过所述第二PID控制器后，产生一PWM控制信号发送到所述PWM控制器，实现电流无功分量的闭环控制。
在本发明一实施例中，当
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE028
时，要求逆变器并网电流
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE022AAA
的相位超前并网电压
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE020AA
的相位且满足
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE030
；当
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE032
时，要求逆变器并网电流
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE022AAAA
的相位滞后并网电压
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE020AAA
的相位且满足
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE036
为并网电压
Figure 2013101042581100002DEST_PATH_IMAGE020AAAA
与并网电流之间的相位差。
在本发明一实施例中，所述控制单元采用双环控制，外环为电压环，内环为电流环。
在本发明一实施例中，所述单相并网逆变器的应用拓扑是全桥拓扑或半桥拓扑。
本发明与现有技术相比有益的地方在于：
1、本发明采用单双极性切换的混合控制技术代替现有技术中单一极性控制技术，克服了单一控制方式在输出无功能量方面的缺陷，将单相并网逆变器在输出有功功率的同时输出一定的无功功率，输出电流相位的精确可控，实现功率因素的调节控制；
2、在电网质量比较恶劣的情况下，单相并网逆变器通过输出无功对电网波形进行一定的补偿，使得电网波形质量得到改善，克服了以往只追求输出有功的最大化而不顾电网质量变差的缺陷，真正实现了并网发电设备与电网的和谐共处，对电网侧的稳定性有相当程度的改善作用，达到了新能源系统输出绿色能源和高效能源的特性；
3、解决了单极性调制下并网电流无法与并网电压交错相位的问题，同时充分利用了单极性调制技术简单且损耗较低的特性，实现整机效率的提升，实现输出稳定的可控的交流并网电流。
附图说明
图1是本发明一种单相并网逆变器的无功输出控制方法流程图。
图2是本发明单相并网逆变器采用全桥拓扑的实施例原理图。
图3是本发明控制单元的原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：提供一控制单元，用以根据电网是否有无功输出要求来改变单相并网逆变器的控制方式，当电网没有无功输出要求时，所述控制单元控制单相并网逆变器处于单极性工作方式，当电网有无功输出要求时，所述控制单元控制单相并网逆变器处于双极性工作方式。
如图1所示，所述控制单元的通信接口接收一上位机发送的无功指令值
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，并判断所述无功指令值
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
绝对值是否为1，若所述无功指令值绝对值为1，表明电网没有无功输出要求，所述控制单元控制单相并网逆变器处于单极性工作方式；若所述无功指令值
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAA
绝对值不为1，表明电网有无功输出要求，所述控制单元控制单相并网逆变器处于双极性工作方式，然后分别产生对应的PWM控制信号发送到所述PWM控制器用以控制逆变器的并网逆变工作。
如图2所示，图2是本发明单相并网逆变器采用全桥拓扑的实施例原理图。其中，直流电容C1两端电压为所述单相并网逆变器的母线电压
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
，滤波电容C2两端电压为并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE038
。所述单相并网逆变器的应用拓扑是全桥拓扑、半桥拓扑或其他拓扑，在此并不以此为限。
如图3所示，图3是本发明控制单元的原理图。所述控制单元包括一第一PID控制器、一无功计算模块、一第二PID控制器和一PWM控制器。当单相并网逆变器没有无功输出需求时，控制方式切换为单极性；此时控制单元采用双环控制，外环为电压环，内环为电流环。其控制目标是让母线电压稳定在380V电压值上。当单相并网逆变器有无功输出需求时，控制方式切换为双极性；此时控制单元同样采用双环控制，外环为电压环，内环为电流环。其控制目标同样是让母线电压稳定在380V电压值上。
在本发明一较佳实施例中，所述控制单元控制单相并网逆变器处于双极性工作方式具体工作流程为：
S21：在当前工频周期内，所述控制单元将所述单相并网逆变器的工作方式设置为双极性工作方式，并对单相并网逆变器的母线电压
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
进行采样；
S22：将采样得到的单相并网逆变器的母线电压
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAA
作为所述第一PID控制器的反馈，提供一外部基准电压
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
作为所述第一PID控制器的给定，两者经过所述第一PID控制器计算得出当前开关周期并网电流有功分量给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE010AA
；其中k代表当前周期，k+1代表下一周期；
S23：根据第一PID控制器运算得到的当前开关周期并网电流有功分量给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE010AAA
，所述的无功计算模块计算得到一下一开关周期并网电流有功分量给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
为电网工频周期与开关周期的比值；
S24：根据所述下一开关周期并网电流有功分量给定值和所述无功指令值λ，所述的无功计算模块计算得到下一开关周期的并网电流无功分量给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
；
S25：对当前开关周期的并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAAA
和并网电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAA
进行采样，采样信息包括所述并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAAAA
的相位和幅值以及并网电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAAA
的相位和幅值；
S26：将当前开关周期的并网电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAAAA
作为所述第二PID控制器的反馈，将所述并网电流无功分量给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
与所述并网电流有功分量给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAA
之和
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
作为所述第二PID控制器的给定，经过所述第二PID控制器运算后，产生一PWM控制信号D发送到所述PWM控制器，实现电流无功分量的闭环控制。
具体而言，所述控制单元根据电网是否有无功输出要求来改变单相并网逆变器的控制方式具体方式为：所述控制单元的通信接口接收一上位机发送的无功指令值
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAA
，并判断所述无功指令值
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAA
绝对值是否为1，若所述无功指令值
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAA
绝对值为1，表明电网没有无功输出要求；若所述无功指令值
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAA
绝对值不为1，表明电网有无功输出要求。所述上位机是根据电网是否有无功输出要求来发送所述无功指令值。当
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
时，要求逆变器并网电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAAAAA
的相位超前并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAAAAA
的相位且满足
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
；当
Figure DEST_PATH_IMAGE032A
时，要求逆变器并网电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAAAAAA
的相位滞后并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAAAAAA
的相位且满足
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
；
Figure DEST_PATH_IMAGE036A
为并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAAAAAAA
与并网电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAAAAAAAA
之间的相位差。
本发明一种单相并网逆变器的无功输出控制方法还可以应用于三相独立并网系统，用以对三相电网进行无功的差异化补偿。
本发明将并网逆变器增加一输出无功的特性，可以实现并网逆变器远程调度无功输出，亦可实现固定无功曲线进行查表输出，实现了对电网质量的补偿，使其波形和频率得到改善，达到新能源并网系统与电网的和谐互补，实现新能源的高效利用。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：提供一控制单元，用以根据电网是否有无功输出要求来改变单相并网逆变器的控制方式，当电网没有无功输出要求时，所述控制单元控制单相并网逆变器处于单极性工作方式，当电网有无功输出要求时，所述控制单元控制单相并网逆变器处于双极性工作方式。
2. 根据权利要求1所述的一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：所述根据电网是否有无功输出要求来改变单相并网逆变器的控制方式具体方式为：所述控制单元的通信接口接收一上位机发送的无功指令值                                               
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE002
，并判断所述无功指令值
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE004
绝对值是否为1，若所述无功指令值
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
绝对值为1，表明电网没有无功输出要求；若所述无功指令值绝对值不为1，表明电网有无功输出要求。
3. 根据权利要求1所述的一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：所述控制单元包括一第一PID控制器、一无功计算模块、一第二PID控制器和一PWM控制器。
4. 根据权利要求3所述的一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：所述控制单元控制单相并网逆变器处于双极性工作方式具体工作流程为：
S21：在当前工频周期内，所述控制单元将所述单相并网逆变器的工作方式设置为双极性工作方式，并对单相并网逆变器的母线电压
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE006
进行采样；
S22：将采样得到的单相并网逆变器的母线电压
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
作为所述第一PID控制器的反馈，提供一外部基准电压
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE008
作为所述第一PID控制器的给定，两者经过所述第一PID控制器得出当前开关周期并网电流有功分量给定值
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE010
，其中k代表当前周期；
S23：根据第一PID控制器得到的当前开关周期并网电流有功分量给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
，所述的无功计算模块计算得到一下一开关周期并网电流有功分量给定值，其中，
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE014
为电网工频周期与开关周期的比值；
S24：根据所述下一开关周期并网电流有功分量给定值
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE016
和所述无功指令值λ，所述的无功计算模块计算得到下一开关周期的并网电流无功分量给定值
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE018
；
S25：对当前开关周期的并网电压
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE020
和并网电流进行采样，采样信息包括所述并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
的相位和幅值以及并网电流的相位和幅值；
S26：将当前开关周期的并网电流作为所述第二PID控制器的反馈，将所述并网电流无功分量给定值
Figure 2013101042581100001DEST_PATH_IMAGE024
与所述并网电流有功分量给定值
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
之和
Figure DEST_PATH_IMAGE026
作为所述第二PID控制器的给定，经过所述第二PID控制器后，产生一PWM控制信号发送到所述PWM控制器，实现电流无功分量的闭环控制。
5. 根据权利要求4所述的一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：当
Figure DEST_PATH_IMAGE028
时，要求逆变器并网电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAA
的相位超前并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
的相位且满足；当
Figure DEST_PATH_IMAGE032
时，要求逆变器并网电流的相位滞后并网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
的相位 且满足
Figure DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为并网电压与并网电流
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAA
之间的相位差。
6. 根据权利要求1所述的一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：所述控制单元采用双环控制，外环为电压环，内环为电流环。
7. 根据权利要求1所述的一种单相并网逆变器的无功输出控制方法，其特征在于：所述单相并网逆变器的应用拓扑是全桥拓扑或半桥拓扑。
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