CN103944186A - 一种三相光伏并网逆变器控制装置 - Google Patents
一种三相光伏并网逆变器控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三相并网逆变器控制装置,本发明是在现有三相光伏并网逆变器系统中增设直流分量抑制电路,通过对三相逆变桥臂中点高频PWM信号的差分采样和滤波后可获得三个逆变桥臂输出电压中的两路线电压的直流分量,把所述两路直流分量分别经直流分量控制器调节及旋转坐标系的变换后获得在旋转坐标系上的控制量。根据所述直流分量在旋转坐标系上的两个控制量,加载到并网控制电路模块电流环dq控制器输出端进行闭环负反馈调节以消除三相并网逆变器输出电压中的直流分量,达到抑制三相并网电流中直流分量为零的目的。本发明结构简单,实现方便,既保留了原有系统的特点,又消除了并网逆变器的并网直流注入电流。
Description
技术领域
本发明属于新能源并网发电技术领域,特别涉及一种三相光伏并网逆变器直流分量控制装置。
背景技术
太阳能光伏发电是当今备受瞩目的热点之一,尤其是随着世界能源的危机越来越受到各国的重视和发展。太阳能光伏并网发电系统主要由直流电源、并网逆变器和电网组成。直流电源主要是光伏电池阵列模块,并网逆变器是连接直流电源和电网之间的接口,是光伏系统能量转换与控制的核心。
并网逆变器根据输出是否带隔离变压器,可将光伏并网系统分为变压器隔离型和无变压器隔离型。无变压器隔离型并网逆变器由于结构简单、体积小、效率高,成本低等优点在三相光伏并网系统得到了广泛的应用。目前常见的无变压器隔离型三相并网逆变器拓扑如图1所示,包括三相并网逆变器主电路1,和并网控制电路2两部分。三相并网逆变器主电路1包括直流电源101、三相逆变器102和电网103。三相逆变器102包括直流储能电容C1,功率管S1、功率管S2、功率管S3、功率管S4,功率管S5、功率管S6,输出滤波电感LA、LB和LC;直流电源101的正极性端和直流储能电容C1的正极性端连接在一起,直流电源101的负极性端和直流储能电容C1的负极性端连接在一起;功率管S1、S3、S5的集电极并联接在直流储能电容C1的正极性端,功率管S2、S4、S6的源极并联接在直流储能电容C1的负极性端,功率管S1的源极和功率管S4的集电极连接在A相逆变桥中点A,功率管S3的源极和功率管S6的集电极连接在B相逆变桥中点B,功率管S5的源极和功率管S2的集电极连接在C相逆变桥中点C;三相并网逆变器A相输出滤波电感LA的一端和A相逆变桥中点A相连,另一端和电网103A相ugA相连;逆变器B相输出滤波电感LB的一端和B相逆变桥中点B相连,另一端和电网103B相ugB相连;逆变器C相输出滤波电感LC的一端和C相逆变桥中点C相连,另一端和电网103C相ugC相连;
并网控制电路2包括锁相环201、abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块202、d轴第一相加器203、q轴第一相加器204、电流环d轴控制器205、电流环q轴控制器206、dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块207、PWM调制模块208;锁相环201的输入端信号是三相电网电压ugA、ugB、和ugC,锁相环201的输出接abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块202,abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块202的输入端为三相并网电流iA、iB、iC和θ,abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块202的输出端有两个,一个接d轴第一相加器203,另一个接q轴第一相加器204,d轴第一相加器203的第二个输入端是电流环d轴的参考值id *,q轴第一相加器204的第二个输入端是电流环q轴的参考值iq *,d轴第一相加器203的输出接电流环d轴控制器205,q轴第一相加器204的输出接电流环q轴控制器206,电流环d轴控制器205的输出端信号ud和电流环q轴控制器206的输出端信号uq接dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块207,dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块207的输出端接PWM调制模块208,PWM调制模块208的输出为功率管驱动脉冲信号,分别为ug1、ug2、ug3、ug4、ug5、和ug6,分别用来驱动功率管S1、S2、S3、S4、S5和S6。
然而,尽管去掉工频隔离变压器可以使并网逆变器系统整体效率得到一定改善,但却带来了三相并网电流中直流分量注入问题。当三相逆变器采用正弦脉宽调制技术时,由于同一桥臂上下开关管饱和压降不一致、驱动脉冲分配不对称和控制电路中的运算放大器存在零点漂移等原因,会造成逆变输出电压当中含有直流分量。因此,当三相逆变器并网发电时,会导致并网电流中的直流电流分量注入电网,并网电流中含有直流分量时的等效电路原理图如图2所示。
图2所示为三相并网逆变器直流注入等效电路原理图。UA为逆变器A相输出电压中的直流分量,UB为逆变器B相输出电压中的直流分量,UC为逆变器C相输出电压中的直流分量,UAB和UCB分别为逆变器线电压中的直流分量(UAB=UA-UB,UCB=UC-UB),r为逆变器输出电感的等效内阻,IAd为逆变器A相并网电流中的直流分量,IBd为逆变器B相并网电流中的直流分量,ICd为逆变器C相并网电流中的直流分量。由图2可得:
由三相并网电流直流分量注入计算公式(1)可知,由于逆变器输出电感的内阻很小,因此微小的直流电压差就会产生很大的直流注入电流;此外,由公式(1)可知,通过控制逆变桥输出线电压中的直流分量UAB和UCB为零,就可以实现三相并网电流中直流分量零注入的效果。
在非隔离的光伏并网系统中,逆变器输出的直流电流分量直接注入电网,会对电网设备产生不良影响,比如引发变压器或互感器饱和、感性设备的励磁工作点偏移、变电所接地网腐蚀等问题。因此,世界各国对并网直流注入抑制标准有严格的要求。现有的技术中三相光伏并网逆变器抑制直流分量的方法主要是在逆变器和电网之间加入隔离变压器,由于该方法不仅电路体积大、功耗大、也增加了系统的成本,因此存在着很多不足之处。
发明内容
本发明的目的是一种三相光伏并网逆变器控制装置,以抑制并网逆变器输出并网电流中的直流分量,解决采用工频隔离变压器系统体积大、功耗大、成本高的问题。
本发明装置包括三相并网逆变器主电路、并网控制电路和电压直流分量抑制电路。
其中三相并网逆变器主电路包括直流电源、三相逆变器和电网。直流电源可以是光伏电池阵列、燃料电池等输出为直流的新能源,也可以是蓄电池。三相逆变器包括直流储能电容C1,功率管S1、功率管S2、功率管S3、功率管S4,功率管S5、功率管S6,输出滤波电感LA、LB和LC;直流电源的正极性端和直流储能电容C1的正极性端连接在一起,直流电源的负极性端和直流储能电容C1的负极性端连接在一起;功率管S1、S3、S5的集电极并联接在直流储能电容C1的正极性端,功率管S2、S4、S6的源极并联接在直流储能电容C1的负极性端,功率管S1的源极和功率管S4的集电极连接在A相逆变桥中点A,功率管S3的源极和功率管S6的集电极连接在B相逆变桥中点B,功率管S5的源极和功率管S2的集电极连接在C相逆变桥中点C;三相并网逆变器A相输出滤波电感LA的一端和A相逆变桥中点A相连,另一端和电网A相ugA相连;逆变器B相输出滤波电感LB的一端和B相逆变桥中点B相连,另一端和电网B相ugB相连;逆变器C相输出滤波电感LC的一端和C相逆变桥中点C相连,另一端和电网C相ugC相连。
并网控制电路包括锁相环、abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块、d轴第一相加器、q轴第一相加器、电流环d轴控制器、电流环q轴控制器、dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块、PWM调制模块;锁相环的输入端信号是三相电网电压ugA、ugB和ugC,锁相环的输出接abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块,abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块的输入端为三相并网电流iA、iB、iC和θ,abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块的输出端有两个,一个接d轴第一相加器,另一个接q轴第一相加器,d轴第一相加器的第二个输入端是电流环d轴的参考值id *,q轴第一相加器的第二个输入端是电流环q轴的参考值iq *,d轴第一相加器的输出接电流环d轴控制器,q轴第一相加器的输出接电流环q轴控制器,电流环d轴控制器输出端信号ud和电流环q轴控制器输出端信号uq接dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块,dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块的输出端接PWM调制模块,PWM调制模块的输出为功率管驱动脉冲信号,分别为ug1、ug2、ug3、ug4、ug5、和ug6,分别用来驱动功率管S1、S2、S3、S4、S5和S6。
在三相光伏并网逆变器系统中增设一个电压直流分量抑制电路模块,由增设的电压直流分量抑制电路模块通过控制三相并网逆变器的输出电压中的直流分量为零,从而控制三相并网逆变器的并网直流注入电流为零。
电压直流分量抑制电路模块用于控制三相并网逆变器输出电压中的直流分量为零。该模块由第一直流分量检测模块、第二直流分量检测模块、第一相加器、第二相加器、第一直流分量控制器、第二直流分量控制器、直流分量静止坐标变换模块、直流分量旋转变换模块组成。第一直流分量检测模块和第二直流分量检测模块为电压直流分量抑制电路模块的第一级电路,第一直流分量检测模块的输入端连接三相并网逆变器逆变桥中点A和B,第二直流分量检测模块的输入端连接三相并网逆变器逆变桥中点C和B,其中,两个直流分量检测模块的采样输入信号为频率等于开关频率的高频PWM波电压信号。第一直流分量检测模块1的输出端信号UAB连接第一相加器的第一个输入端,第一相加器的第二个输入端为电压直流分量基准值(设定为零伏),第一相加器的输出端信号ΔUAB连接第一直流分量控制器,第二直流分量检测模块的输出端信号UCB连接第二相加器的第一个输入端,第二相加器的第二个输入端为电压直流分量基准值(设定为零伏),第二相加器的输出端信号ΔUCB连接第二直流分量控制器,第一直流分量控制器的输出端信号UAB_d和第二直流分量控制器的输出端信号UCB_d连接直流分量静止坐标变换模块,直流分量静止坐标变换模块的输出端信号UAd、UBd和UCd连接直流分量旋转坐标变换模块,直流分量旋转坐标变换模块的d轴输出端信号ud_dc接并网控制电路模块d轴第二相加器,直流分量旋转坐标变换模块的q轴输出端信号uq_dc接并网控制电路模块q轴第二相加器,通过闭环负反馈的调节方式而达到抑制三相并网逆变器并网电流中直流分量为零的目的。
本发明结构简单,实现方便,仅通过对三相逆变桥臂中点的高频PWM电压信号的两路差分采样、滤波后可获得逆变桥输出两路线电压中的直流分量,通过控制两路线电压中的直流分量为零,而消除逆变器三相输出电压中的直流分量为零,进而达到抑制三相并网逆变器并网电流中直流分量为零的目的。
附图说明
图1是已有技术的三相并网发电原理图;
图2是三相并网电流直流注入等效电路原理图。
图3是本发明构成三相并网发电原理图;
具体实施方式
参照图3,用于实现本发明方法的装置,包括三相并网逆变器主电路1、并网控制电路2和电压直流分量抑制电路3。
其中三相并网逆变器主电路1包括直流电源101、三相逆变器102和电网103;三相逆变器102包括直流储能电容C1,功率管S1、功率管S2、功率管S3、功率管S4,功率管S5、功率管S6,输出滤波电感LA、LB和LC;直流电源101的正极性端和直流储能电容C1的正极性端连接在一起,直流电源101的负极性端和直流储能电容C1的负极性端连接在一起;功率管S1、S3、S5的集电极并联接在直流储能电容C1的正极性端,功率管S2、S4、S6的源极并联接在直流储能电容C1的负极性端,功率管S1的源极和功率管S4的集电极连接在A相逆变桥中点A,功率管S3的源极和功率管S6的集电极连接在B相逆变桥中点B,功率管S5的源极和功率管S2的集电极连接在C相逆变桥中点C;三相并网逆变器A相输出滤波电感LA的一端和A相逆变桥中点A相连,另一端和电网A相ugA103相连;逆变器B相输出滤波电感LB的一端和B相逆变桥中点B相连,另一端和电网B相ugB103相连;逆变器C相输出滤波电感LC的一端和C相逆变桥中点C相连,另一端和电网C相ugC103相连。
并网控制电路2包括锁相环201、abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块202、d轴第一相加器203、q轴第一相加器204、电流环d轴控制器205、电流环q轴控制器206、dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块207、PWM调制模块208、d轴第二相加器209、q轴第二相加器210;锁相环201的输入端信号是三相电网电压ugA、ugB、和ugC,锁相环201的输出接abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块202,abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块202的输入端为三相并网电流iA、iB、iC和θ,abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块202的输出端有两个,一个接d轴第一相加器203,另一个接q轴第一相加器204,d轴第一相加器203的第二个输入端是电流环d轴的参考值id *,q轴第一相加器204的第二个输入端是电流环q轴的参考值iq *,d轴第一相加器203的输出接电流环d轴控制器205,q轴第一相加器204的输出接电流环q轴控制器206,电流环d轴控制器205的输出端信号ud接d轴第二相加器209,电流环q轴控制器206的输出端信号uq接q轴第二相加器210,d轴第二相加器209的第二个输入端和直流分量抑制电路3的d轴输出端信号ud_dc相连,q轴第二相加器210的第二个输入端和直流分量抑制电路3的q轴输出端信号uq_dc相连,d轴第二相加器209的输出端信号uds和q轴第二相加器210的输出端信号uqs接dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块207,dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块207的输出端接PWM调制模块208,PWM调制模块208的输出为功率管驱动脉冲信号,分别为ug1、ug2、ug3、ug4、ug5、和ug6,分别用来驱动功率管S1、S2、S3、S4、S5和S6。
在三相光伏并网逆变器系统中增设一个电压直流分量抑制电路模块,由增设的电压直流分量抑制电路模块通过控制三相并网逆变器的输出电压中的直流分量为零,从而控制三相并网逆变器的并网直流注入电流为零。
电压直流分量抑制电路模块3用于控制三相并网逆变器102输出电压中的直流分量为零。该模块由第一直流分量检测模块301、第二直流分量检测模块302、第一相加器303、第二相加器304、第一直流分量控制器305、第二直流分量控制器306、直流分量静止坐标变换模块307、直流分量旋转变换模块308组成。第一直流分量检测模块301和第二直流分量检测模块302为电压直流分量抑制电路模块3的第一级电路,第一直流分量检测模块301的输入端连接三相并网逆变器逆变桥中点A和B,第二直流分量检测模块2(302)的输入端连接三相并网逆变器逆变桥中点C和B,其中,两个直流分量检测模块的采样输入信号为频率等于开关频率的高频PWM波电压信号。第一直流分量检测模块301的输出端信号UAB连接第一相加器303的第一个输入端,第一相加器303的第二个输入端为电压直流分量基准值(设定为零伏),第一相加器303的输出端信号ΔUAB连接第一直流分量控制器305,第二直流分量检测模块302的输出端信号UCB连接第二相加器304的第一个输入端,第二相加器304的第二个输入端为电压直流分量基准值(设定为零伏),第二相加器304的输出端信号ΔUCB连接第二直流分量控制器306,第一直流分量控制器305的输出端信号UAB_d和第二直流分量控制器306的输出端信号UCB_d连接直流分量静止坐标变换模块307,直流分量静止坐标变换模块307的输出端信号UAd、UBd和UCd连接直流分量旋转坐标变换模块308,直流分量旋转坐标变换模块308的d轴输出端信号ud_dc接并网控制电路模块d轴第二相加器209,直流分量旋转坐标变换模块308的q轴输出端信号uq_dc接并网控制电路模块q轴第二相加器210,通过闭环负反馈的调节方式而达到抑制三相并网逆变器并网电流中直流分量为零的目的。
本发明的设计思想:在现有的三相光伏并网逆变器系统中增设一个直流分量抑制电路,通过对三相逆变桥臂中点的高频PWM电压信号经直流分量检测模块的差分采样、衰减、滤波后可分别获得三相并网逆变器逆变桥输出两路线电压中的直流分量。把所述检测出来的两路线电压中直流分量作为直流分量的反馈值,和电压直流分量基准值(设定为零伏)相比较后得到两路直流分量偏差值。将所述的两路直流分量偏差值分别经直流分量控制器调节后得到两路直流分量调整值,对所述两路直流分量调整值先进行两相静止到三相静止坐标系的变换,然后进行三相静止到两相旋转坐标系的变换,获得所述直流分量在旋转坐标系上的控制量。根据所述直流分量在旋转坐标系上的两个控制量,加载到并网控制电路模块的电流环dq控制器输出端进行闭环负反馈调节。最后根据三相并网逆变器驱动脉冲信号对所述三相并网逆变器进行驱动控制以消除三相并网逆变器输出电压中的直流分量,进而达到抑制三相并网逆变器并网电流中直流分量为零的目的。本发明结构简单,实现方便,既保留了原有系统的特点,又消除了并网逆变器的并网直流注入电流。
Claims (2)
1. 一种三相光伏并网逆变器控制装置,它包括三相并网逆变器主电路(1)、并网控制电路(2)和电压直流分量抑制电路(3);
其中三相并网逆变器主电路(1)包括直流电源(101)、三相逆变器(102)和电网(103);三相逆变器(102)包括直流储能电容C 1,功率管S 1、功率管S 2 、功率管S 3、功率管S 4,功率管S 5、功率管S 6,输出滤波电感L A 、L B 和L C ;直流电源(101)的正极性端和直流储能电容C 1的正极性端连接在一起,直流电源(101)的负极性端和直流储能电容C 1的负极性端连接在一起;功率管S 1 、S 3 、S 5 的集电极并联接在直流储能电容C 1的正极性端,功率管S 2 、S 4 、S 6 的源极并联接在直流储能电容C 1的负极性端,功率管S 1 的源极和功率管S 4 的集电极连接在A相逆变桥中点A,功率管S 3 的源极和功率管S 6 的集电极连接在B相逆变桥中点B,功率管S 5 的源极和功率管S 2 的集电极连接在C相逆变桥中点C;三相并网逆变器A相输出滤波电感L A 的一端和A相逆变桥中点A相连,另一端和电网A相u gA (103)相连;逆变器B相输出滤波电感L B 的一端和B相逆变桥中点B相连,另一端和电网B相u gB (103)相连;逆变器C相输出滤波电感L C 的一端和C相逆变桥中点C相连,另一端和电网C相u gC (103)相连;
并网控制电路(2)包括锁相环(201)、abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块(202)、d轴第一相加器(203)、q轴第一相加器(204)、电流环d轴控制器(205)、电流环q轴控制器(206)、dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块(207)、PWM调制模块(208)、d轴第二相加器(209)、q轴第二相加器(210);锁相环(201)的输入端信号是三相电网电压u gA 、u gB 、和u gC ,锁相环(201)的输出接abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块(202),abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块(202)的输入端为三相并网电流i A 、i B 、i C 和θ,abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系转换模块(202)的输出端有两个,一个接d轴第一相加器(203),另一个接q轴第一相加器(204),d轴第一相加器(203)的第二个输入端是电流环d轴的参考值i d * ,q轴第一相加器(204)的第二个输入端是电流环q轴的参考值i q * ,d轴第一相加器(203)的输出接电流环d轴控制器(205),q轴第一相加器(204)的输出接电流环q轴控制器(206),电流环d轴控制器(205)的输出端信号u d 接d轴第二相加器(209),电流环q轴控制器(206) 的输出端信号u q 接q轴第二相加器(210),d轴第二相加器(209)的第二个输入端和直流分量抑制电路(3)的d轴输出端信号u d_dc 相连,q轴第二相加器(210)的第二个输入端和直流分量抑制电路(3)的q轴输出端信号u q_dc 相连,d轴第二相加器(209)的输出端信号u ds 和q轴第二相加器(210)的输出端信号u qs 接dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块(207),dq两相旋转坐标系到αβ两相静止坐标系转换模块(207)的输出端接PWM调制模块(208),PWM调制模块(208)的输出为功率管驱动脉冲信号,分别为u g1、u g2、u g3、u g4、u g5、和u g6,分别用来驱动功率管S 1、S 2、S 3、S 4、S 5 和S 6 ,其特征是:
电压直流分量抑制电路模块(3)用于控制三相并网逆变器(102)每相输出电压中的直流分量为零;该模块由第一直流分量检测模块(301)、第二直流分量检测模块(302)、第一相加器(303)、第二相加器(304)、第一直流分量控制器(305)、第二直流分量控制器(306)、直流分量静止坐标变换模块(307)、直流分量旋转变换模块(308)组成;第一直流分量检测模块(301)和第二直流分量检测模块(302)为电压直流分量抑制电路模块(3)的第一级电路,第一直流分量检测模块(301)的输入端连接三相并网逆变器逆变桥中点A和B,第二直流分量检测模块(302)的输入端连接三相并网逆变器逆变桥中点C和B,其中,两个直流分量检测模块的采样输入信号为频率等于开关频率的高频PWM波电压信号,第一直流分量检测模块的输入信号为u AB ,第二直流分量检测模块的输入信号为u CB ;第一直流分量检测模块(301)的输出端信号U AB 连接第一相加器(303)的第一个输入端,第一相加器(303)的第二个输入端为电压直流分量基准值,第一相加器(303)的输出端信号ΔU AB 连接第一直流分量控制器 (305),第二直流分量检测模块(302)的输出端信号U CB 连接第二相加器(304)的第一个输入端,第二相加器(304)的第二个输入端为电压直流分量基准值,第二相加器(304)的输出端信号ΔU CB 连接第二直流分量控制器2(306),第一直流分量控制器1(305)的输出端信号U AB_d 和第二直流分量控制器2 (306)的输出端信号U CB_d 连接直流分量静止坐标变换模块(307),直流分量静止坐标变换模块(307)的输出端信号U Ad 、U Bd 和U Cd 连接直流分量旋转坐标变换模块(308),其中U Ad 、U Bd 和U Cd 分别为A相输出电压的直流分量、B相输出电压的直流分量和C相输出电压的直流分量;直流分量旋转坐标变换模块(308)的d轴输出端信号u d_dc 接并网控制电路模块d轴第二相加器(209),直流分量旋转坐标变换模块(308)的q轴输出端信号u q_dc 接并网控制电路模块q轴第二相加器(210),通过闭环负反馈的调节方式而达到抑制三相并网逆变器并网电流中直流分量为零的目的。
2.根据权利要求1所述的一种三相光伏并网逆变器控制装置,其特征是:
采样点可以以任意一相为参考点,这里的采样是以B相为参考点检测两路线电压u AB 和u CB 中的直流分量,也可以以C相为参考点检测两路线电压u AC 和u BC 中的直流分量,或者以A相为参考点检测两路线电压u BA 和u CA 中的直流分量。
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