CN106253341A - 并网逆变器损耗在线建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并网逆变器损耗在线建模仿真方法，该方法在逆变器仿真模型和电网仿真模型之间并联一个理想受控电流源仿真模型来模拟并网逆变器的功率损耗。所述理想受控电流源电流的相位与逆变器网侧电流相同，所述理想受控电流源电流的有效值I′计算步骤包括：测量并网逆变器仿真模型的效率曲线；实时检测电网电压并获得其有效值U_p，实时检测电网电流并获得有效值Ig以及两者之间的相位差θ，计算并网逆变器当前工作的功率点x；计算理想受控电流源输出电流的有效值I′。本发明可以在线模拟逆变器当前工作状态下的损耗，实现对损耗的在线分析、可以实现损耗和逆变器控制互相影响，因而可以分析控制算法对损耗的影响，且简单准确。

Description

并网逆变器损耗在线建模仿真方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器损耗仿真方法，具体是一种可以在线分析逆变器损耗的并网逆变器损耗在线建模仿真方法。

背景技术

逆变器损耗研究与逆变器的效率和可靠性直接相关，准确计算逆变器的损耗对于散热设计、器件参数和系统优化非常重要。因此，逆变器损耗建模一直是电力电子领域的一个重要研究方向。在对逆变器损耗建模的研究中，已有文献《李翔,马超群,梁琪.大功率光伏逆变器的损耗建模与分析[J].电力电子技术,2014,01:12-14.》，《洪峰,单任仲,王慧贞,严仰光.一种逆变器损耗分析与计算的新方法[J].中国电机工程学报,2008,15:72-78.》等。

文献《大功率光伏逆变器的损耗建模与分析》认为逆变器的损耗主要由开关器件损耗和滤波电抗器的损耗两部分构成，通过检测模型中电流电压等数据，根据器件厂商提供的数据手册计算得到了逆变器的各项损耗。文献《一种逆变器损耗分析与计算的新方法》在对开关损耗进行分析时考虑了器件间的相互影响和作用，因此更为精确。但是这些方法都只能用于逆变器损耗的离线预估计算中。存在以下的不足：

1)一次只能离线计算某个功率点下的逆变器损耗，电流电压等任何参数发生改变后需要重新计算，因此难以对损耗进行在线分析。

2)缺少交互性，计算得到的损耗不会对系统的控制算法造成影响，无法分析控制算法带来的功率损耗。

3)所需电路参数较多且常常难以准确获得，计算中存在很多近似，导致最终结果误差较大。

发明内容

本发明的目的就是要解决逆变器损耗的计算过程繁琐且不准确，难以对损耗进行在线分析，不利于对逆变器系统级效率进行研究，无法分析控制算法带来的功率损耗等问题。本发明提供了一种简单准确的并网逆变器损耗在线建模仿真方法。

为解决本发明的技术问题，本发明提供了一种并网逆变器损耗在线建模仿真方法。所采用的技术方案为：包括搭建逆变器仿真模型和电网仿真模型，在逆变器仿真模型和电网仿真模型中间并联了一个理想受控电流源仿真模型来模拟并网逆变器的功率损耗；

所述理想受控电流源电流的相位与逆变器网侧电流相同，所述理想受控电流源电流的有效值I′计算步骤如下：

步骤1，测量逆变器仿真模型的效率曲线；

步骤2，在线检测电网电压并获得其电压有效值U_p，在线检测电网电流并获得其电流有效值I_g，获得电网电压和电流之间的相位差θ，并根据下式计算逆变器当前工作的功率点x：

$x=\frac{3U_p{I}_{g}cos\mathrm{\θ}}{P_{rate}};$

其中，P_rate为逆变器的额定功率；

步骤3，根据给定的逆变器实际物理模型效率曲线，获得当前功率点x处逆变器仿真模型的期望效率η；

步骤4，根据步骤1中所获得的逆变器仿真模型的效率曲线，获得当前功率点x处逆变器仿真模型的效率η_sw；

步骤5，理想受控电流源电流的有效值I′根据下式计算获得：

I′＝I_g(η_sw-η)/η。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1)可以在线模拟逆变器当前工作状态下的损耗，实现对损耗的在线分析。

2)可以实现损耗和逆变器控制互相影响，因而可以分析控制算法对损耗的影响。

3)本方法不需要复杂的参数，模型简单准确，误差在0.02％以内。

附图说明

图1为本发明并网逆变器损耗在线建模仿真方法的建模拓扑图；

图2为逆变器仿真模型的效率曲线；

图3为逆变器实际物理模型的效率曲线

图4为未加理想受控电流源仿真模型时电网电流THD分析；

图5为加上理想受控电流源仿真模型后电网电流THD分析；

具体实施方式

本实施例以一个仿真软件Matlab/Simulink中500KW的并网逆变器系统为例，阐明一种并网逆变器损耗在线建模仿真方法。本实施例的步骤如下。

首先在仿真软件Matlab/Simulink中按照图1搭建本发明所提出的并网逆变器损耗建模拓扑结构。使用Universal bridge/ideal switch(通用桥臂/理想开关模块)和电容电感模块构成逆变器仿真模型，所述逆变器仿真模型中并网逆变器开关频率ω_sw＝6000π(rad/s)，基波频率ω₀＝100π(rad/s)，使用LCL滤波，L1为0.1mH；L2为0.05mH；C为200μF。所述逆变器仿真模型直流侧连接有直流电源，如光伏组件，风机等等，直流侧电压U_dc＝650(V)。使用三个交流电压源构成电网仿真模型，所述电网仿真模型连接在逆变器仿真模型的交流侧，电网仿真模型中电网相电压有效值U_p＝315(V)。使用三个受控电流源构成理想受控电流源仿真模型，所述理想受控电流源仿真模型并联在逆变器仿真模型和电网仿真模型的连接处，所述理想受控电流源仿真模型可以模拟逆变器仿真模型的损耗。

所述理想受控电流源电流的相位与逆变器网侧电流相同，所述理想受控电流源电流的有效值I′计算步骤如下：

步骤1，测量逆变器仿真模型的效率曲线，结果如图2所示。

步骤2，在线检测电网电压并获得其电压有效值U_p，在线检测电网电流并获得其有效值I_g以及两者之间的相位差θ，根据下式计算并网逆变器当前工作的功率点x：

$x=\frac{3U_p{I}_{g}cos\mathrm{\θ}}{P_{rate}}---\left(1\right)$

式(1)中，P_rate为逆变器的额定功率。

步骤3，给定的逆变器实际物理模型效率曲线如图3所示，根据逆变器实际物理模型效率曲线，获得仿真模型中功率点x处逆变器的期望效率η。

步骤4，根据步骤1中所获得的并网逆变器仿真模型的效率曲线，获得功率点x处逆变器仿真模型的效率η_sw。

步骤5，根据仿真模型中当前功率点x处逆变器仿真模型的期望效率η和逆变器仿真模型的效率η_sw，可以推算出得到理想受控电流源电流的有效值I′需满足如下关系：

$\frac{\mathrm{\η}}{{\mathrm{\η}}_{sw}}=\frac{I_g}{T_L}=\frac{I_g}{I_g+I^{\′}}---\left(2\right)$

式中：I_L为逆变器网侧电流的有效值，I′＝I_L-I_g为理想受控电流源电流的有效值。

由此便得到了电网电流的有效值I_g和理想受控电流源电流的有效值I′的对应关系：

I′＝I_g(η_sw-η)/η (3)

通过实时检测电网电流和电网电压以及给定的逆变器实际物理模型效率曲线，便可以在线模拟逆变器的功率损耗。该建模方法可以同时考虑到逆变器器件损耗和控制系统的损耗，而且不会对逆变器原有的仿真波形造成影响。测试结果如下：

在不同功率点处逆变器仿真模型效率η_sw，实际物理模型效率η和本方法模拟的逆变器模型效率如表1所示。本方法模拟的逆变器模型效率和实际物理模型效率相比，最大的误差不超过0.02％，证明了本发明所提方法的有效性。

表1

图3为功率点为100％时未加理想受控电流源仿真模型时的电网电流THD分析，图4为加理想受控电流源仿真模型后的电网电流THD分析。逆变器实际物理模型的损耗大部分以热能的形式散发，不影响电流波形，模型中的理想受控电流源仿真模型也几乎没有改变电流波形的谐波分布，因而本发明所提方法不会对逆变器电流控制造成影响，可以用来分析逆变器控制算法(如最大功率跟踪等)带来的功率损失。

综上所述，该建模方法实现简单，只需已知逆变器的效率曲线而不需其他繁琐的数据，仿真结果精确，具有一定的可行性。

Claims (1)

1.一种并网逆变器损耗在线建模仿真方法，包括搭建逆变器仿真模型和电网仿真模型，其特征在于：所述逆变器仿真模型和电网仿真模型中间并联了一个理想受控电流源仿真模型来模拟并网逆变器的功率损耗；

所述理想受控电流源电流的相位与逆变器网侧电流相同，所述理想受控电流源电流的有效值I′计算步骤如下：

步骤1，测量逆变器仿真模型的效率曲线；

步骤2，在线检测电网电压并获得其电压有效值U_p，在线检测电网电流并获得其电流有效值I_g，获得电网电压和电流之间的相位差θ，并根据下式计算逆变器当前工作的功率点x：

$x=\frac{3U_p{I}_{g}cos\mathrm{\θ}}{P_{rate}};$

其中，P_rate为逆变器的额定功率；

步骤3，根据给定的逆变器实际物理模型效率曲线，获得当前功率点x处逆变器仿真模型的期望效率η；

步骤4，根据步骤1中所获得的逆变器仿真模型的效率曲线，获得当前功率点x处逆变器仿真模型的效率η_sw；

步骤5，理想受控电流源电流的有效值I′根据下式计算获得：

I′＝I_g(η_sw-η)/η。