CN104300581A - 一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器及其方法,属于电网安全技术领域。包括输入模块、直流电源、变压器、电压电流检测模块、电压偏差计算及电压补偿控制单元、逆变控制单元、逆变模块,并网前,逆变控制单元通过励磁指令运算模块控制逆变模块输出无功分量对变压器进行预励磁;并网后,通过电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器吸收或者发出无功电流,使并网点电压恢复至电压偏差范围以内,进而实现并网逆变器的安全无缝并网,本发明能够实现逆变器的无缝并网,以及防止过流冲击,降低系统损耗,提高系统可靠性、稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种并网逆变器及其并网控制方法,属于电网安全技术领域。
背景技术
国内逆变器有离网和并网两种工作方式,并网型对逆变器提出了较高的要求,一方面是并网安全的需要,另一方面,回馈电网的电力必须满足电网规定指标,不能对电网造成谐波污染。因此会带来以下两方面问题:一方面,并网逆变器变压器输出侧直接并入电网会引起过流、冲击振荡等问题。针对该问题传统的控制方法是:先通过一个闭合一路串有充电电阻的开关接入电网,对变压器进行预励磁;再通过另一路开关切换接入电网。这种控制方式在一定程度上可以防止接入电网过程时的冲击,但这种切换接入电网过程中还会存在一定的电流冲击且增加了系统成本,逆变器输出侧不能够很理想的接入电网。另一方面,传统的逆变器电压控制设备都是基于固定无功功率控制方式、固定功率因数控制方式、有功功率—功率因数控制方式、稳态电压幅值—无功功率下垂控制方式等实现,这些电压控制策略都是属于稳态的电压控制策略,而不是动态的电压调整策略,因此不能有效地对逆变器并网时动态电压变化实现补偿控制。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的过流、冲击振荡以及并网时动态电压变化问题,本发明提供一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器及其方法,实现逆变器无缝并网,防止过流冲击,降低系统损耗,提高系统可靠性、稳定性,而且可以快速动态地实现并网点电压补偿的辅助功能,提高并网系统的利用效率。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器,包括:
输入模块,用于向逆变控制单元输送输入量;
直流电源,所述直流电源用于给逆变模块提供直流侧电压;
变压器,所述变压器用于将逆变模块的交流输出端与电网进行隔离;
电压电流检测模块,所述电压电流检测模块用于并网点三相电压信号及并网逆变器输出电流信号的采集,并将检测到的电压信号、电流信号进行处理,然后将处理后的电压信号发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元;同时将处理后的电流信号发送给逆变控制单元;
电压偏差计算及电压补偿控制单元,所述电压偏差计算及电压补偿控制单元用于根据电压电流检测模块发送的处理后的电压信号计算得到电压补偿电流,并将该电压补偿电流传送给逆变控制单元;
逆变控制单元,所述逆变控制单元用于根据输入模块输入的输入量、电压偏差计算及电压补偿控制单元输入的电压补偿电流以及电压电流检测模块输送的处理后的电流信号得到控制信号,并将该控制信号发送给逆变模块;
逆变模块,所述逆变模块用于根据直流电源提供的直流侧电压和逆变控制单元发送的控制信号输出无功分量对变压器进行预励磁或加载。
所述电压电流检测模块包括abc/dq变换模块和锁相环PLL模块;
所述abc/dq变换模块用于根据检测得到的电流变换后得到旋转坐标下d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器的反馈信号id、iq;
所述锁相环PLL模块用于根据采集到的电压信号计算并网逆变器并网点电压相位及电压幅值,并将计算得到的并网逆变器并网点电压相位及电压幅值发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元;而所述电压偏差计算及电压补偿控制单元根据锁相环PLL模块发送的电压相位及电压幅值计算得到电压补偿电流,并将该电压补偿电流传送给d轴电流PI调节器;
所述逆变控制单元包括励磁指令运算模块、d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器、dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块、PWM信号发生器;所述dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块、PWM信号发生器依次连接在一起,同时所述d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器并联在dq/αβ变换模块的输入端上,而所述励磁指令运算模块与q轴电流PI调节器输入端连接,同时所述励磁指令运算模块与输入模块连接;
所述励磁指令运算模块,用于接收输入模块输入的输入量,并根据该输入量得到一个输出量,并将该输出量作为q轴电流PI调节器的第一参考信号,同时产生d轴电流PI调节器的无功参考电流;
所述d轴电流PI调节器根据无功参考电流、电压偏差计算及电压补偿控制单元传送的电压补偿电流、以及abc/dq变换模块传送的反馈信号id得到d轴电流PI调节参数,并将该d轴电流PI调节参数传递给dq/αβ变换模块;
所述q轴电流PI调节器用于根据第一参考信号、以及abc/dq变换模块传送的反馈信号iq得到q轴电流PI调节参数,并将该q轴电流PI调节参数传递给dq/αβ变换模块;
所述d轴电流PI调节参数、q轴电流PI调节参数依次经过dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块,得到的变换信号发送给PWM信号发生器;
所述PWM信号发生器根据变换信号进行脉宽调制,输出PWM信号给逆变模块。
所述输入模块的输入量为变压器的空载电流,或者所述输入量为变压器的空载电流和电网电压矢量的模。
一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器的无缝并网控制方法,并网逆变器并网前,逆变控制单元通过励磁指令运算模块的第一参考信号和无功参考电流控制逆变模块输出无功分量对输出侧的隔离变压器进行预励磁,预励磁完成后再并网,此时无功参考电流的电流为0;并网逆变器并网后,通过电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器吸收或者发出无功电流,使并网点电压恢复至电压偏差范围以内,进而实现并网逆变器的安全无缝并网。
所述并网逆变器并网后使并网点电压恢复至电压偏差范围以内的方法:
当并网点电压出现电压跌落时,电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器发出无功电流,使并网点电压恢复至正常电压范围,进而实现并网逆变器的安全无缝并网;
当其并网点电压出现电压升高超出电网规范对电压偏差的限制时,电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器吸收无功电流,使并网点电压恢复至正常电压范围,进而实现并网逆变器的安全无缝并网。
所述输入模块的输入量为变压器的空载电流,或者所述输入量为变压器的空载电流和电网电压矢量的模。
本发明提供的一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器及其方法,相比现有技术,具有以下有益效果:变压器空载运行时励磁电流主要为无功分量,并且变压器稳态运行时所加电压不突变情况下切换冲击电流不会很大,光伏并网逆变器并网前先进行离网独立运行时对变压器建立预励磁,变压器预励磁完成后其输出电压与电网电压信号一致,直流母线电压维持在最低运行电压点之上,这时逆变器接入电网比较平稳,能够很好的实现光伏逆变器与电网的无缝连接,防止了过流冲击损坏设备,并且能避免系统频繁开关机和交流侧接触器反复通断问题,提高了系统可靠性,降低了系统成本。并且在此基础上,可以实现并网点电压补偿控制的辅助功能,当并网逆变器并网点电压发生电压升高或电压跌落时,可以快速地实现对并网点动态电压补偿的辅助电压控制功能,使并网点电压满足电能质量规范要求,这不仅可以提高新能源的并网渗透率,并且可以有效改善电能质量,增强微电网系统及整个电网系统的稳定性。
综上所述:本发明能够实现逆变器无缝并网,防止过流冲击,降低系统损耗,提高系统可靠性、稳定性,而且可以快速动态地实现并网点电压补偿的辅助功能,提高并网系统的利用效率。
附图说明
图1为并网逆变器整体系统结构框图;
图2为并网逆变器控制结构图
图3为当输入为变压器的空载电流和电网电压矢量的模时的励磁指令运算模块的原理示意图;
图4为励磁指令运算模块的原理示意图;
图5为电压偏差计算及电压补偿控制单元示意图
图6为锁相环PLL结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器,如图1所示,包括:
输入模块,用于向逆变控制单元输送输入量;
直流电源,所述直流电源用于给逆变模块提供直流侧电压;
变压器,所述变压器用于将逆变模块的交流输出端与电网进行隔离;
电压电流检测模块,所述电压电流检测模块用于并网点三相电压信号及并网逆变器输出电流信号的采集,并将检测到的电压信号、电流信号进行处理,然后将处理后的电压信号发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元;同时将处理后的电流信号发送给逆变控制单元;
电压偏差计算及电压补偿控制单元,所述电压偏差计算及电压补偿控制单元用于根据电压电流检测模块发送的处理后的电压信号计算得到电压补偿电流,并将该电压补偿电流传送给逆变控制单元;
逆变控制单元,所述逆变控制单元用于根据输入模块输入的输入量、电压偏差计算及电压补偿控制单元输入的电压补偿电流以及电压电流检测模块输送的处理后的电流信号得到控制信号,并将该控制信号发送给逆变模块;
逆变模块,所述逆变模块用于根据直流电源提供的直流侧电压和逆变控制单元发送的控制信号输出无功分量对变压器进行预励磁或加载。
所述电压电流检测模块包括abc/dq变换模块和锁相环PLL模块;
所述abc/dq变换模块用于根据检测得到的电流变换后得到旋转坐标下d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器的反馈信号id、iq;
所述锁相环PLL模块用于根据采集到的电压信号计算并网逆变器并网点电压相位及电压幅值,并将计算得到的并网逆变器并网点电压相位及电压幅值发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元;而所述电压偏差计算及电压补偿控制单元根据锁相环PLL模块发送的电压相位及电压幅值计算得到电压补偿电流,并将该电压补偿电流传送给d轴电流PI调节器;
所述逆变控制单元,如图2所示:包括励磁指令运算模块、d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器、dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块、PWM信号发生器;所述dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块、PWM信号发生器依次连接在一起,同时所述d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器并联在dq/αβ变换模块的输入端上,而所述励磁指令运算模块与q轴电流PI调节器输入端连接,同时所述励磁指令运算模块与输入模块连接;
所述励磁指令运算模块,用于接收输入模块输入的输入量,并根据该输入量得到一个输出量,并将该输出量作为q轴电流PI调节器的第一参考信号,同时产生d轴电流PI调节器的无功参考电流;
所述d轴电流PI调节器根据无功参考电流、电压偏差计算及电压补偿控制单元传送的电压补偿电流、以及abc/dq变换模块传送的反馈信号id得到d轴电流PI调节参数,并将该d轴电流PI调节参数传递给dq/αβ变换模块;
所述q轴电流PI调节器用于根据第一参考信号、以及abc/dq变换模块传送的反馈信号iq得到q轴电流PI调节参数,并将该q轴电流PI调节参数传递给dq/αβ变换模块;
所述d轴电流PI调节参数、q轴电流PI调节参数依次经过dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块,得到的变换信号发送给PWM信号发生器;
所述PWM信号发生器根据变换信号进行脉宽调制,输出PWM信号给逆变模块。
所述输入模块的输入量为变压器的空载电流,或者所述输入量为变压器的空载电流和电网电压矢量的模。
一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器的无缝并网控制方法,并网逆变器并网前,逆变控制单元通过励磁指令运算模块的第一参考信号和无功参考电流控制逆变模块输出无功分量对输出侧的隔离变压器进行预励磁,预励磁完成后再并网,此时无功参考电流的电流为0;并网逆变器并网后,通过电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器吸收或者发出无功电流,使并网点电压恢复至电压偏差范围以内,进而实现并网逆变器的安全无缝并网。
所述并网逆变器并网后使并网点电压恢复至电压偏差范围以内的方法:
当并网点电压出现电压跌落时,电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器发出无功电流,使并网点电压恢复至正常电压范围,进而实现并网逆变器的安全无缝并网;
当其并网点电压出现电压升高超出电网规范对电压偏差的限制时,电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器吸收无功电流,使并网点电压恢复至正常电压范围,进而实现并网逆变器的安全无缝并网。
所述输入模块的输入量为变压器的空载电流,或者所述输入量为变压器的空载电流和电网电压矢量的模。
如图2所示:并网逆变器并网前先进行离网独立运行,运行过程中,,励磁指令运算模块输出一个输出量作为q轴电流PI调节器的参考信号,控制逆变模块输出无功分量对变压器预励磁。当其并网点电压出现电压升高超出电网规范对电压偏差的限制时,电压偏差计算及电压补偿控制单元输出一个电压补偿电流与并网逆变器给定的无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器吸收无功电流,使并网点电压恢复至电压偏差范围以内。当并网点电压出现电压跌落时,电压补偿控制单元输出一个电压补偿电流与并网逆变器给定的无功参考电流叠加,控制并网逆变器吸收无功电流,使并网点电压恢复至正常电压范围,进而实现并网逆变器的安全无缝并网。
如图2所示,并网逆变器在并网前进行离网独立运行时,励磁指令运算模块输出量作为q轴电流PI调节器的参考信号,此时d轴电流PI调节器的参考信号id*设为0,励磁指令运算模块的输入量m经过一个具有上限的单调递增函数(即励磁指令运算模块),如图4所示的斜坡函数y=k*x,运算输出值经过q轴电流PI调节器,控制逆变模块输出无功分量。其中所述的励磁指令运算模块的输入量m(即斜坡函数中的x)为变压器的空载电流Iom。所述的励磁指令运算模块的输入量m也可以如图3所示,采用三相电网电压矢量的模与变压器的空载电流。
本发明的并网控制过程如图1、2所示,电压、电流检测模块对变压器输出的电流与电网电压进行检测,检测得到的输出电流ia、ib、ic经abc/dq变换模块变换后得到旋转坐标下d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器的反馈信号id、iq,将参考信号与反馈信号进行比较,得到比较电流值,实现d轴电流环路、q轴电流环路的解耦控制,此外,d轴电流环路中再加入由电压偏差计算及电压补偿控制单元输出的电压补偿电流然后经dq/αβ变换,αβ/abc变换,由PWM信号发生器模块进行脉宽调制,输出PWM信号,控制逆变模块输出交流电压对变压器进行励磁。
在上述变压器预励磁控制过程中,控制逆变模块的输出电流从0逐渐增大,光伏并网逆变器的输出电压随着对应的励磁电流增大也从0逐渐增大,且相位与电网电压相位始终保持一致,逐步对变压器进行预励磁,当逆变模块输出电流即变压器的励磁电流增大到变压器空载电流等幅值时,逆变器输出电压与电网也达到一致,此时保持逆变器恒定该输出电压信号输出;直至在整个离网独立运行过程中直流信号检测模块检测的直流母线电压始终保持在最低运行直流母线电压点之上并保持一段时间t。
电压、电流检测模块(见图1)主要完成并网点三相电压信号及并网逆变器输出电流信号的采集,并将所述的电压、电流信号传送给锁相环PLL模块、电压偏差计算及电压补偿控制单元。
锁相环PLL模块计算并网逆变器并网点电压相位及电压幅值,如图6所示。将电压相位信息和幅值信息发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元、电流预处理单元。
电压偏差计算及电压补偿控制电压主要接受来自锁相环PLL模块计算的电压幅值信息,并将电压幅值与电压设定参考值进行比较,通过电压补偿控制器,对并网点电压升高或电压跌落实现补偿。当并网点电压升高时,并网逆变器通过电压补偿控制单元吸收一定的无功功率;当并网点电压跌落时,并网逆变器通过电压补偿控制单元发出一定的无功功率。
当并网逆变器并网点电压发生电压升高或者电压跌落时,并网逆变器通过电压补偿控制单元输出一个无功补偿电流,并网逆变器在完成并网发电的主要功能的同时,实现并网点电压补偿控制的辅助功能。并网逆变器并网发电及电压补偿统一控制的DSP数字化控制方法如下式所示:
式中:k表示数字控制中第k次控制,ev(k)表示电压偏差;表示设定的电压参考幅值;Uamp表示并网点电压监测幅值;Icomp(k)表示电压控制单元无功补偿电流;Id(k)表示无功电流分量;Iq(k)表示有功电流分量;表示无功电流参考值;表示有功电流参考值;eId(k)表示无功电流偏差;eIq(k)表示有功电流偏差;kvp与kvi表示电压控制器比例与积分参数;kip与kii表示电流控制器比例与积分参数。
本发明由于采用上述技术方案,变压器空载运行时励磁电流主要为无功分量,并且变压器稳态运行时所加电压不突变情况下切换冲击电流不会很大,并网逆变器并网前先进行离网独立运行对变压器建立励磁,变压器预励磁完成后其输出电压与电网电压信号一致,直流母线电压维持在最低运行电压点之上,这时逆变器接入电网比较平稳,且可以实现并网点电压升高或电压跌落动态电压补偿控制功能。能够很好的实现逆变器与电网的无缝连接,防止了过流冲击损坏设备,提高了系统可靠性,降低了系统成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器,其特征在于,包括:
输入模块,用于向逆变控制单元输送输入量;
直流电源,所述直流电源用于给逆变模块提供直流侧电压;
变压器,所述变压器用于将逆变模块的交流输出端与电网进行隔离;
电压电流检测模块,所述电压电流检测模块用于并网点三相电压信号及并网逆变器输出电流信号的采集,并将检测到的电压信号、电流信号进行处理,然后将处理后的电压信号发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元;同时将处理后的电流信号发送给逆变控制单元;
电压偏差计算及电压补偿控制单元,所述电压偏差计算及电压补偿控制单元用于根据电压电流检测模块发送的处理后的电压信号计算得到电压补偿电流,并将该电压补偿电流传送给逆变控制单元;
逆变控制单元,所述逆变控制单元用于根据输入模块输入的输入量、电压偏差计算及电压补偿控制单元输入的电压补偿电流以及电压电流检测模块输送的处理后的电流信号得到控制信号,并将该控制信号发送给逆变模块;
逆变模块,所述逆变模块用于根据直流电源提供的直流侧电压和逆变控制单元发送的控制信号输出无功分量对变压器进行预励磁或加载。
2.根据权利要求1所述的带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器,其特征在于:所述电压电流检测模块包括abc/dq变换模块和锁相环PLL模块;
所述abc/dq变换模块用于根据检测得到的电流变换后得到旋转坐标下d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器的反馈信号id、iq;
所述锁相环PLL模块用于根据采集到的电压信号计算并网逆变器并网点电压相位及电压幅值,并将计算得到的并网逆变器并网点电压相位及电压幅值发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元;而所述电压偏差计算及电压补偿控制单元根据锁相环PLL模块发送的电压相位及电压幅值计算得到电压补偿电流,并将该电压补偿电流传送给d轴电流PI调节器;
所述逆变控制单元包括励磁指令运算模块、d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器、dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块、PWM信号发生器;所述dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块、PWM信号发生器依次连接在一起,同时所述d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器并联在dq/αβ变换模块的输入端上,而所述励磁指令运算模块与q轴电流PI调节器输入端连接,同时所述励磁指令运算模块与输入模块连接;
所述励磁指令运算模块,用于接收输入模块输入的输入量,并根据该输入量得到一个输出量,并将该输出量作为q轴电流PI调节器的第一参考信号,同时产生d轴电流PI调节器的无功参考电流;
所述d轴电流PI调节器根据无功参考电流、电压偏差计算及电压补偿控制单元传送的电压补偿电流、以及abc/dq变换模块传送的反馈信号id得到d轴电流PI调节参数,并将该d轴电流PI调节参数传递给dq/αβ变换模块;
所述q轴电流PI调节器用于根据第一参考信号、以及abc/dq变换模块传送的反馈信号iq得到q轴电流PI调节参数,并将该q轴电流PI调节参数传递给dq/αβ变换模块;
所述d轴电流PI调节参数、q轴电流PI调节参数依次经过dq/αβ变换模块、αβ/abc变换模块,得到的变换信号发送给PWM信号发生器;
所述PWM信号发生器根据变换信号进行脉宽调制,输出PWM信号给逆变模块。
3.根据权利要求2所述的带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器,其特征在于:所述输入模块的输入量为变压器的空载电流,或者所述输入量为变压器的空载电流和电网电压矢量的模。
4.一种基于权利要求3所述的带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器的无缝并网控制方法,其特征在于:并网逆变器并网前,逆变控制单元通过励磁指令运算模块的第一参考信号和无功参考电流控制逆变模块输出无功分量对输出侧的隔离变压器进行预励磁,预励磁完成后再并网,此时无功参考电流的电流为0;并网逆变器并网后,通过电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器吸收或者发出无功电流,使并网点电压恢复至电压偏差范围以内,进而实现并网逆变器的安全无缝并网。
5.根据权利要求4所述的带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器的无缝并网控制方法,其特征在于:所述并网逆变器并网后使并网点电压恢复至电压偏差范围以内的方法:
当并网点电压出现电压跌落时,电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器发出无功电流,使并网点电压恢复至正常电压范围,进而实现并网逆变器的安全无缝并网;
当其并网点电压出现电压升高超出电网规范对电压偏差的限制时,电压偏差计算及电压补偿控制单元输出电压补偿电流与无功参考电流叠加得到新的无功参考电流,控制并网逆变器吸收无功电流,使并网点电压恢复至正常电压范围,进而实现并网逆变器的安全无缝并网。
6.根据根据权利要求5所述的带并网点动态电压补偿的无缝并网逆变器的无缝并网控制方法,其特征在于:所述输入模块的输入量为变压器的空载电流,或者所述输入量为变压器的空载电流和电网电压矢量的模。
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