CN104578873B - 高质量光伏发电并网系统dc/ac变换器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器控制方法属于光伏发电并网技术，目的是研发一种高质量的、适合并网运行的DC/AC变换器，其特征采取移相变压器并网连接方式，依据(1)式和(2)式的特定变换规律对三相变流桥[3]和[4]进行电流分配和控制，实现了晶闸管可控化，采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成技术，在移相变压器输出侧得到接近正弦波的电流波形，实现了低谐波控制、功率因数可超前滞后连续调节、直流电流在0～额定值范围自由调控的功能，适合应用于各种容量的光伏发电并网系统。

Description

高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器控制方法
技术领域
本发明属于光伏发电并网技术。
背景技术
光伏发电并网系统的核心技术之一是DC/AC变换器，通常称为逆变器。在上世纪80年代第一台光伏发电装置问世时，采用的是晶闸管逆变器，但自90年代以后，光伏逆变器已经全部采用全控型开关器件，二十多年来关于晶闸管在光伏逆变器的应用研究已绝迹于科技出版物。
目前的光伏发电并网系统逆变器主开关器件根据容量的不同而分别采用功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极关断晶闸管(GTO)、门极换向晶闸管(IGCT)等，控制方式采用脉宽调制(PWM)等等，拓扑结构采用电压源型逆变器、电流源型逆变器。
目前，小于6kW的小型光伏变换器种类比较繁杂，基本上是单相系统，无变压器结构，不同程度的存在直流电流注入、共模电压产生的漏电流、谐波较大等问题，因而入网困难。6～100kW中型光伏变换器构成方式也具有多样化的特点，既有单相系统也有三相系统，或者是由单相组合的三相系统；既有无变压器结构，也有经变压器输出的系统；无变压器结构的系统也存在小型光伏变换器同样的问题，也存在入网困难的问题；经变压器输出的系统虽然不存在入网隔离的问题，但存在效率和谐波的问题。大于100kW的大型光伏变换器采用电压源型或电流源型逆变器，一般均经变压器输出，虽然不存在入网隔离的问题，但亦存在效率和谐波的问题，另一方面，由于电压源与电流源具有固有的对偶性，所以无论采用哪一种拓扑结构，都会存在某些不足。
此外，目前的系统还普遍存在系统构成复杂、成本高、整体效率低、允许的直流输入电压范围小等问题。
对于光伏发电并网系统的拓扑结构，各个国家的标准不尽相同，欧美等国的标准对入网的要求比较严格，对输出变压器的设置亦是重要限制条件。对输出变压器没有严格限制的国家，对入网实际条件的限制也基本上与经变压器入网的结果相同，故无变压器的结构需要更为复杂的解决方案，这意味着不用输出变压器隔离的方案需要付出其它方面的代价。因此，入网问题是光伏产品制造商和电力部门都感到困扰的问题。
综上所述，现存的光伏发电并网变换器存在不同程度的问题，随着光伏发电技术的迅速发展和光伏发电的广泛应用，改善光伏发电并网变换器的技术方案也在不断涌现，但迄今为止还未见到创新性的研究成果出现。
发明内容
本发明研究的对象是用于光伏发电并网系统的12脉波DC/AC变换器，这是DC/AC变换器的典型结构，这样结构的DC/AC变换器其移相变压器绕组结构简单，出线容易，而且绕组利用率高，适合光伏发电并网系统各种功率的应用，是解决并网隔离的良好途径。
本发明的目的是深入研究DC/AC变换器的变换机理、拓扑结构及控制技术，在综合现有技术的基础上，研发一种高质量的、适合并网运行的DC/AC变换器。
本发明的要点是在DC/AC变换器的谐波抑制、晶闸管应用、提高综合效率、直流输入电压电流大范围控制、适合并网运行方面取得了突破性的进展。
本发明高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器控制方法的特征是采取移相变压器并网连接方式，移相变压器输出侧为Y形绕组(7)，与电网(8)相连接，输入侧分别为Y和Δ形两个绕组(5)和(6)，分别连接两个完全相同的晶闸管三相变流桥(3)和(4)，形成12脉波DC/AC变换器，多电平直流电流控制及分配单元(2)按等增量台阶形三角波多电平合成技术，依据(1)式和(2)式的特定变换规律对三相变流桥(3)和(4)进行电流分配和控制，实现了晶闸管可控化，(32)是采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成的Y三相变流桥输入电流波形，(33)是Δ三相变流桥输入的电流波形，(34)是移相变压器输入侧Y绕组电流波形，(35)是移相变压器输入侧Δ绕组电流波形，(36)是移相变压器输出侧得到的合成电流波形，为接近正弦波波形，实现了低谐波控制，通过对Y三相变流桥和Δ三相变流桥电流幅值(32)和(33)的直接控制和对等增量台阶形三角波电流的相位控制，实现了功率因数可超前滞后连续调节、直流电流在0～额定值范围自由调控的功能。
式中：
IBY：Y桥直流电流
IBΔ：Δ桥直流电流
Idc：太阳能极板电流
k＝1，2，…
附图说明
附图1是高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器拓扑结构图，图1中1是太阳能极板直流电源；2是多电平直流电流控制及分配单元；3是Y绕组三相变流桥；4是Δ绕组三相变流桥；5是移相变压器输入侧Y形绕组；6是移相变压器输入侧Δ形绕组；7是移相变压器输出侧绕组，Y形接法；8是交流电网。
附图2是高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器在理想变换下的波形图，图2中21是太阳能极板直流电流Idc波形；22是Y绕组三相变流桥输入电流IBY波形；23是Δ绕组三相变流桥输入电流IBΔ波形；24是移相变压器输入侧Y形绕组A相IaY电流波形，B相IbY电流波形和C相IcY电流波形与A相IaY电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；25是移相变压器输入侧Δ形绕组A相IaΔ电流波形，B相IbΔ电流波形和C相IcΔ电流波形与A相IaΔ电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；26是移相变压器输出，即网侧A相IA电流波形，B相IB电流波形和C相IC电流波形与A相IA电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°。
附图3是高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器在采用等增量台阶形三角波时的波形图，图3中31是太阳能极板直流电流Idc波形；32是Y绕组三相变流桥输入电流IBY波形；33是Δ绕组三相变流桥输入电流IBΔ波形；34是移相变压器输入侧Y形绕组A相IaY电流波形，B相IbY电流波形和C相IcY电流波形与A相IaY电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；35是移相变压器输入侧Δ形绕组A相IaΔ电流波形，B相IbΔ电流波形和C相IcΔ电流波形与A相IaΔ电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°；36是移相变压器输出，即网侧A相IA电流波形，B相IB电流波形和C相IC电流波形与A相IA电流波形类似，区别仅是分别与A相相差120°和240°。
具体实施方式
1.系统的拓扑结构
本发明采取移相变压器并网连接方式，移相变压器输出侧为Y形绕组(7)，与电网(8)相连接，输入侧分别为Y和Δ形两个绕组(5)和(6)，分别连接两个完全相同的晶闸管三相变流桥(3)和(4)，形成12脉波DC/AC变换器，多电平直流电流控制及分配单元(2)的功能是按等增量台阶形三角波多电平合成技术，依据(1)式和(2)式的特定变换规律对三相变流桥(3)和(4)进行电流分配和控制。太阳能极板直流电源(1)产生的直流电压和电流的范围是0～额定值。
2.系统低谐波的实现
采用移相变压器并网连接的方式，从根本上解决直流电流注入和共模电压产生的漏电流问题，符合各个国家的入网标准，是具有通用性的并网结构。三线圈移相变压器具有一定的谐波抑制能力，还具有绕组结构简单，出线容易，而且绕组利用率高，特别适合光伏发电并网连接的需求。但传统的移相变压器组成的12脉波DC/AC变换器，其交流输出的总谐波畸变率THD大于8％，这样的变换质量显然不能满足谐波入网标准。问题在于，传统12脉波DC/AC变换器是将直流量平均分配给两个三相变流桥进行变换，结果是谐波抵消的不够充分。如何分配直流量给两个三相变流桥，才可以实现将直流电流变换为高质量正弦波形的交流电流？
给两个三相变流桥的12脉波DC/AC变换器平均分配直流量时，两个三相变流桥的交流输出波形具有6k±1(k＝1，2，…)次谐波分量，其中两个三相变流桥6(2k-1)±1(k＝1，2，…)次谐波大小相等，相位相反；6(2k)±1(k＝1，2，…)次谐波大小相等，相位相同。因此，两个三相变流桥的交流输出合成后，6(2k-1)±1(k＝1，2，…)次谐波互相抵消，而两个三相变流桥6(2k)±1(k＝1，2，…)次谐波的和为变换器交流输出的谐波分量。
如果不平均分配直流电流给两个三相变流桥，而是按特定变换规律将直流电流分配给两个三相变流桥，使两个三相变流桥交流输出不包含6(2k)±1(k＝1，2，…)次谐波，就可以使变换器交流输出为正弦波。
本发明按(1)式和(2)式的变换规律将直流电流分配给两个三相变流桥，并且IBY(ωt)和IBΔ(ωt)与Y三相变流桥、Δ三相变流桥的交流输出电流同步，则Y三相变流桥与Δ三相变流桥的交流输出电流(24)和(25)呈非对称的波形，且波形和相位也均不相同，但两个三相变流桥的合成交流电流(26)为正弦波电流。
实际实现这样的电流，是将施加给两个三相变流桥的三角波电流用等增量台阶形三角波近似，等增量台阶形三角波电流波形采用下述原理用多电平直流电流控制及分配单元(2)实现：
(1)将直流电流均等分配为m个支路，每个支路连接到两个可控开关，两个开关互补动作，构成互补开关对，分别连接到Y三相变流桥和Δ三相变流桥。
(2)每隔30°/m切换一个互补开关对，使流入Y三相变流桥的电流增加一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流减少一个支路量，经过m个30°/m区间，当所有支路电流都流入Y三相变流桥后，再使流入Y三相变流桥的电流每隔30°/m减少一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流增加一个支路量，直到流入Y三相变流桥的电流减少到零，重复以上过程，就可以将直流电流按等增量台阶形三角波的规律分配给Y三相变流桥和Δ三相变流桥。
附图3是高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器在采用等增量台阶形三角波时的波形图，两个三相变流桥的合成交流电流(36)，即移相变压器输出电流为具有等增量台阶形特点的接近正弦波的电流，其电流谐波含量随m增大而减小，变换器输出交流电流THD与m的关系示于表1。
表1.THD与m的关系表
m 2 3 4 5 6 7 8 9
THD 7.77％ 5.25％ 3.99％ 3.28％ 2.77％ 2.45％ 2.20％ 2.02％
根据表1，当m≥6时，变换器的谐波值被限制在国标允许的范围内，变换器输出侧不必设置滤波装置即可以满足入网要求。
3.晶闸管可控性的实现
按等增量台阶形三角波电流施加给Y三相变流桥和Δ三相变流桥，导致了Y三相变流桥和Δ三相变流桥内开关器件的电流按设定的等增量台阶形三角波电流规律变化，当构成Y三相变流桥和Δ三相变流桥的开关器件为晶闸管时，施加等增量台阶形三角波电流开始时给晶闸管门极触发信号，晶闸管开通，在等增量台阶形三角波电流为零期间，晶闸管电流为零被强迫关断，即晶闸管开通受门极控制，电流为零关断控制由等增量台阶形三角波电流提供，两者的结合使晶闸管可以作为全控开关使用。
晶闸管的全控化使触发角移相范围变为-180°～180°，功率因数可超前、滞后连续调节。
运用软开关理念，在流入Y三相变流桥的电流为零的区间内，令Y三相变流桥的晶闸管换相，在流入Δ三相变流桥的电流为零的区间，令Δ三相变流桥的晶闸管换相，Y三相变流桥和Δ三相变流桥的晶闸管在电流为零的条件下换相。晶闸管在电流为零时关断，在电压为零时开通，开关损耗小，晶闸管工作频率50Hz，开关频率低，因而总效率高。
4.直流电流的调节范围大
直流电流的控制由多电平直流电流控制及分配单元(2)实现，通过调节三相变流桥(32)和(33)电流的幅值，可对直流电流进行0～额定值的大范围调节。这意味着，理论上说，只要光伏板产生了电压和电流，变换器就可以输出相应的交流电流，当然实际的控制过程是当光伏板产生的电压和电流达到一定值时才有意义。
与现有技术相比，用高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器控制方法构建的新型DC/AC变换器具有系统整体效率高、直流侧能源变换效率好、绿色无电网污染的特点，采用这种新型DC/AC变换器，可以不必设置DC/DC升压环节，可以不必设置变流器输出滤波环节，电网侧也可不必配置无功补偿和滤波装置。此外，这种新型DC/AC变换器还具有功率因数可超前滞后连续调节、适合各种容量的光伏发电并网应用的特点，特别是实现了晶闸管的全控化，可以发挥晶闸管耐压高、电流容量范围大、器件性能稳定、系统实现简单、价格低廉等优点来构建无并网问题的高性价比DC/AC变换器，具有非常广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器控制方法，其特征是采取移相变压器并网连接方式，移相变压器输出侧为Y形绕组(7)，与电网(8)相连接，输入侧分别为移相变压器输入侧Y形绕组(5)和移相变压器输入侧Δ形绕组(6)，分别连接两个完全相同的晶闸管三相变流桥Y绕组三相变流桥(3)和Δ绕组三相变流桥(4)，形成12脉波DC/AC变换器，多电平直流电流控制及分配单元(2)按等增量台阶形三角波多电平合成技术，依据(1)式和(2)式的特定变换规律对Y绕组三相变流桥(3)和Δ绕组三相变流桥(4)进行电流分配和控制，实现了晶闸管可控化，Y绕组三相变流桥输入电流IBY波形(32)是采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成的Y三相变流桥输入电流波形，Δ绕组三相变流桥输入电流IBΔ波形(33)是采用等增量台阶形三角波电流波形的多电平合成的Δ三相变流桥输入的电流波形，移相变压器输出(36)是移相变压器输入侧Y形绕组A相IaY电流波形(34)和移相变压器输入侧Δ形绕组A相IaΔ电流波形(35)的合成电流波形，为接近正弦波波形，实现了低谐波控制，通过对Y绕组三相变流桥输入电流IBY波形(32)和Δ绕组三相变流桥输入电流IBΔ波形(33)电流幅值的直接控制和对等增量台阶形三角波电流的相位控制，实现了功率因数可超前滞后连续调节、直流电流在0～额定值范围自由调控的功能，
式中：
IBY：Y桥直流电流
IBΔ：Δ桥直流电流
Idc：太阳能极板电流
k＝1，2，…。
2.根据权利要求1所述的一种高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器控制方法，其中所述的多电平直流电流控制及分配单元(2)完成下述功能：
(1)将直流电流均等分配为m个支路，每个支路连接到两个可控开关，两个开关互补动作，构成互补开关对，分别连接到Y三相变流桥和Δ三相变流桥；
(2)每隔30°/m切换一个互补开关对，使流入Y三相变流桥的电流增加一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流减少一个支路量，经过m个30°/m区间，当所有支路电流都流入Y三相变流桥后，再使流入Y三相变流桥的电流每隔30°/m减少一个支路量，同时也使流入Δ三相变流桥的电流增加一个支路量，直到流入Y三相变流桥的电流减少到零，重复以上过程，就可以将直流电流按等增量台阶形三角波的规律分配给Y三相变流桥和Δ三相变流桥。
3.根据权利要求1所述的一种高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器控制方法，其中所述的晶闸管可控性的实现，按等增量台阶形三角波电流施加给Y三相变流桥和Δ三相变流桥，导致了Y三相变流桥和Δ三相变流桥内开关器件的电流按设定的等增量台阶形三角波电流规律变化，当构成Y三相变流桥和Δ三相变流桥的开关器件为晶闸管时，施加等增量台阶形三角波电流开始时给晶闸管门极触发信号，晶闸管开通，在等增量台阶形三角波电流为零期间，晶闸管电流为零被强迫关断，即晶闸管开通受门极控制，电流为零关断控制由等增量台阶形三角波电流提供，两者的结合使晶闸管可以作为全控开关使用，晶闸管的全控化使触发角移相范围变为-180°～180°，功率因数可超前、滞后连续调节，运用软开关理念，在流入Y三相变流桥的电流为零的区间内，令Y三相变流桥的晶闸管换相，在流入Δ三相变流桥的电流为零 的区间，令Δ三相变流桥的晶闸管换相，Y三相变流桥和Δ三相变流桥的晶闸管在电流为零的条件下换相，晶闸管在电流为零时关断，在电压为零时开通，开关损耗小，晶闸管工作频率50Hz，开关频率低，因而总效率高。
4.根据权利要求1所述的一种高质量光伏发电并网系统DC/AC变换器控制方法，其中所述的直流电流的控制由多电平直流电流控制及分配单元(2)实现，通过调节三相变流桥Y绕组三相变流桥输入电流IBY波形(32)和Δ绕组三相变流桥输入电流IBΔ波形(33)电流的幅值，可对直流电流进行0～额定值的大范围调节。
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