CN107749639B - 配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统 - Google Patents

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CN107749639B CN201710980413.4A CN201710980413A CN107749639B CN 107749639 B CN107749639 B CN 107749639B CN 201710980413 A CN201710980413 A CN 201710980413A CN 107749639 B CN107749639 B CN 107749639B
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Abstract

本发明公开一种配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，包括逆变器部分和TCLC部分，逆变器部分的直流侧连接光伏电源，TCLC部分包括耦合电感器Lc、电容器CPF、电抗器LPF和反并联晶闸管构成，电抗器LPF和反并联晶闸管构成串联支路，串联支路与电容器CPF并联，电容器CPF的一端连接逆变器部分的交流侧，电容器CPF的另一端连接耦合电感器Lc的一端，耦合电感器Lc的另一端连接电网的相线；本发明还公开了该种配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统的控制方法。本发明能够在输出有功功率的同时，也能提供电能质量治理功能，可以提高设备的利用率，带来额外的效益。

Description

配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统
技术领域
本发明涉及输配电领域，尤其涉及一种配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统。
背景技术
在分布式发电(DG)系统中，太阳能光伏(PV)发电是目前最有前途的技术之一，因为它是清洁，可靠型强和无排放的。DC/AC逆变器作为光伏发电系统中最重要的部分之一，是用来将光伏发电系统中的直流电压的能量转换到交流电网中。
在分布式光伏发电系统中，传统所使用的逆变器结构多是通过电抗器链接的逆变器和输出电网(IGCI型逆变器)。这类逆变器所需要的直流侧电压要高于电网电压的峰值。为了达到这个要求，光伏电源的输出电压要通过DC/DC 变换器升压的办法来实现，如“多相光伏逆变器及其控制方法”(中国专利发明，公开日：2016年5月25日，公开号：CN105610344A)，“一种单相光伏无源逆变器实验装置”(中国专利发明，公开日：2015年12月9日，公开号：CN204855662U)和“一种组串式光伏逆变器交流并联接线结构及光伏并网单元”(中国专利发明，公开日：2016年11月9日，公开号：CN106100571 A)。如果要避免使用DC/DC变换器升压，就需要将使用升压变压器来提过光伏逆变器的输出电压，从而接入电网，如“一种具有复合功能的并网逆变器及并网逆变控制方法”(中国专利发明，公开日：2013年10月30日，公开号：CN102355151B)。但是无论是在系统中加入DC/DC变换器还是升压变压器，结构和控制都会变得复杂，并且效率会下降。
为了不使系统复杂程度大幅度增加，同时减小并网逆变器的直流侧电压，可以通过增加并联电容的方法从而增加逆变器耦合部分阻抗的方法来实现 (CGCI型逆变器)，如“一种改善电能质量的单相并网装置”(中国专利发明，公开日：2015年10月28日，公开号：CN103094918B)。然而，这种方法的缺点就是可以注入的有功功率和无功功率的范围非常狭窄。
发明内容
本发明旨在提供一种配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统及其控制方法，能够在输出有功功率的同时，也能提供电能质量治理功能，可以提高设备的利用率，带来额外的效益。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，包括逆变器部分和TCLC部分，所述逆变器部分的直流侧连接光伏电源，所述TCLC 部分包括耦合电感器Lc、电容器CPF、电抗器LPF和反并联晶闸管构成，所述电抗器LPF和反并联晶闸管构成串联支路，所述串联支路与电容器CPF并联，所述电容器CPF的一端连接逆变器部分的交流侧，电容器CPF的另一端连接耦合电感器Lc的一端，所述耦合电感器Lc的另一端连接电网的相线。
进一步的，所述逆变器部分为三相逆变桥，所述TCLC部分为三相结构。
进一步的，所述逆变器部分的直流侧并联直流电容器CDC。
优选的，所述电容器CPF、电抗器LPF的值分别由式(3)、式(4)确定：
Figure BDA0001439291500000021
Figure BDA0001439291500000022
其中：ω是基频的角频率，Vsxf是相电压的均方值，Pcx(Max)是最大有功功率，Qcx(MaxCap)是最大容性无功功率，Qcx(MaxInd)是最大感性无功功率，Lc是耦合电感器 Lc的值。
优选的，所述为耦合电感器Lc的值由式(5)确定：
Figure BDA0001439291500000031
其中：VDC是逆变器部分直流侧电压，Ts是逆变器部分脉宽调制的控制周期，
Figure BDA00014392915000000310
是系统对输出电流设定的波动最大值。
本发明采用的控制方法包括：通过负载瞬时所需的无功功率的直流分量和注入的有功功率来调节反并联晶闸管的触发角度αx从而控制TCLC部分。
所述触发角度αx由式(8)确定：
Figure BDA0001439291500000032
其中：XTCLC(αx)为TCLC部分的阻抗，x为A、B、C三相，
Figure BDA0001439291500000033
是目标有功功率，
Figure BDA0001439291500000034
为三相电压模，
Figure BDA0001439291500000035
为负载每相瞬时无功功率的直流分量，qLx的表达式为
Figure BDA0001439291500000036
把||v||通过低通滤波器就能求得
Figure BDA0001439291500000037
qLx通过低通滤波器就能求得每相的
Figure BDA0001439291500000038
优选的，根据式(4)建立
Figure BDA0001439291500000039
与αx对应的查找表，通过所述查找表确定αx的值。
进一步的，本发明还包括同时通过负载所需的瞬时无功和谐波功率和注入的有功功率，得出逆变器部分的参考补偿电流，所述补偿电流由式(9)确定：
Figure BDA0001439291500000041
其中：其中pαβ和qαβ为三相有功功率和无功功率，
Figure BDA0001439291500000042
是三相有功功率的交流分量，pαβ通过高通滤波器求得。
基于Clarke变换，可把a-b-c坐标系下的三相瞬时系统电压vsa,vsb,vsc及瞬时负载电流iLa,iLb,iLc变换到α-β坐标系，得出vα,vβ及iLα,iLβ，
根据瞬时无功理论，瞬时有功pαβ和无功qαβ为：
Figure BDA0001439291500000043
利用滞环脉宽调制方法控制补偿电流跟踪其参考信号，产生逆变器部分开关的触发信号。
本发明的有益效果在于：
1、本发明在输出有功功率的同时，也提供电能质量治理功能，这样可以提高设备的利用率，带来额外的效益，缩短整个并网装置的回本周期。
2、比起传统的感性耦合的并网逆变器(IGCI)或者容性耦合的并网逆变器(CGCI)，本发明提出的HGCI装置有宽阔的工作范围，同时可运行在很低的直流电压水平下，从而达到优化及减少所需要的光伏电池的个数，降低有源逆变器部份的成本、运行时的损耗及噪声的效果。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2为控制原理框图。
图3为利用本发明在三相平衡非线性负载下补偿前后的电压源侧电压和电流，直流侧电压，补偿电流，输出无功功率，输出有功功率以及其目标值的波形图。
图4为利用本发明在三相不平衡非线性负载下补偿前后的电压源侧电压和电流，直流侧电压，电源端无功功率，电源端有功功率的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、图2所示，本发明公开的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统(HGCI)包括TCLC部分和逆变器部分、以及控制装置。所述的 TCLC部分包括耦合电感器Lc，并联固定电容器CPF、反并联晶闸管T1a、T2a， T1b、T2b，T1c、T2c控制的电抗器LPF。逆变器部分则是一个带有直流电容CDC的电压型逆变器和光伏电源列。如果选取适当的TCLC的电容器和电感器的值，TCLC无源的部分可通过改变反并联晶闸管的触发角度来调节注入的有功功率同时动态补偿负载的无功功率，使得电压型逆变器直流电容部分的电压大大降低，相应的所需要的光伏电源的数量可以减小，逆变器所选用的开关元件的耐压值降低，从而减小装置的成本和开关损耗。具体的：
(一)TCLC部分原件的参数确定
HGCI补偿装置的动态无功补偿功能是通过改变晶闸管的触发角度，从而变TCLC等效阻抗来实现的。通过这样做，逆变器部分可以避免提供无功功率补偿所需要的直流电压，从而保持运行在一个低电压的水平。TCLC部分可调节的基频功率可以表示为：
Figure BDA0001439291500000051
其中x＝a,b,c相，Vsxf为系统基频相电压的均方值，XTCLC(αx)为TCLC基频等效阻抗，αx为晶闸管触发角度，XLc,XLPF和XLPF分别为Lc,LPFand CPF的基频阻抗。从上式(1)可以看出，有功和无功补偿功率可以通过改变晶闸管的触发角度来调节。
当每相的一对晶闸管(
Figure BDA0001439291500000067
和
Figure BDA0001439291500000068
x＝a,b,c相)在整个基频周期同时断开时(αx＝180°)，TCLC部分相当于一个Lc与CPF串联结构。在此种情况下， TCLC部分可调节最大SHGCI(MaxCap)中的容性无功功率。另一方面，当每相的一对晶闸管(T1x和T2x)在一个基频周期内以每半个周期的长度交替闭合 (αx＝90°)，TCLC部分相当于一个Lc串联一个LPF和CPF的并联组合。在此种情况下，TCLC部分可调节最大SHGCI(MaxInd)中的感性无功功率。TCLC部分能提供的最大SHGCI(MaxCap)和SHGCI(MaxInd)可以表示为:
Figure BDA0001439291500000061
Figure BDA0001439291500000062
其中x＝a,b,c相；基于以上公式(1)，(2)和图2可以看出输出的无功补偿功率可以通过控制反并联晶闸管的触发角来调节。并且，最大的容性和感性的补偿范围主要是有电容值CPF和电感值LPF用来决定。根据公式(2)，电容值CPF和电感值LPF可以表示为：
Figure BDA0001439291500000063
Figure BDA0001439291500000064
其中ω(＝2πf)是基频的角频率，Vx为系统相电压的均方值。最大的SHGCI(MaxCap)和SHGCI(MaxInd)范围是根据用户的需要所确定的，主要取决于HGCI安装地点的负荷的波动范围。电感Lc的作用主要在于可以平滑逆变器输出电流的波形。耦合电感的取值可以根据下式估算：
Figure BDA0001439291500000065
其中VDC是所采用逆变器输出电压，Ts是脉宽调制的控制周期，
Figure BDA0001439291500000066
是实际系统对输出电流设定的波动最大值。
(二)TCLC部分的控制方法
TCLC部分主要用于调节系统有功功率和无功功率分量，TCLC部分的阻抗可以表示为：
Figure BDA0001439291500000071
其中
Figure BDA0001439291500000072
是目标有功功率，Qcxf是补偿负载所需的无功功率，
Figure BDA0001439291500000073
和
Figure BDA0001439291500000074
为三相电压模和每相瞬时无功功率的直流分量，它们可以由以下公式求出：
Figure BDA00014392915000000714
和
Figure BDA00014392915000000713
把||v||通过低通滤波器就能求得
Figure BDA0001439291500000077
qLx通过低通滤波器就能求得每相的
Figure BDA0001439291500000078
TCLC部分可以通过控制晶闸管的角度αx来改变有功功率的注入Pcxf，同时提供一个相反方向的负载所需的瞬时无功功率的直流分量
Figure BDA0001439291500000079
以下关系式可以得出：
Figure BDA00014392915000000710
公式(8)包含一个-2αx+sin(2αx)的项，所以很难得出关于αx的封闭解。在实际操作中，一个
Figure BDA00014392915000000711
和αx对应的查找表(LUT)被应用在控制系统中，每当
Figure BDA00014392915000000712
通过被求出之后，在查找表内相对应的αx将会被输出用来控制TCLC 部分产生相应的无功功率的直流分量，最后比较触发角度αx和系统电压的相位θx来产生控制TCLC部分的晶闸管的触发信号；控制原理方框示意图如图 2所示。
(三)逆变器的控制方法
逆变器部分的主要功能是注入有功功率并通过控制补偿电流来控制提高 TCLC部分的补偿谐波能力。逆变器部分控制的补偿电流的可以由以下式子计算出：
Figure BDA0001439291500000081
其中pαβ和qαβ为三相有功功率和无功功率，
Figure BDA0001439291500000082
是三相有功功率的交流分量，亦可把pαβ通过高通滤波器求得，可通过瞬时无功理论得出：
Figure BDA0001439291500000083
在(9)及(10)中，vα,vβ,iα和iβ分别是系统电压vsa,vsb,vsc和负载电流iLa,iLb,iLc在α-β坐标系上的值，它们可以由以下公式求出：
Figure BDA0001439291500000084
和
Figure BDA0001439291500000085
最后，利用滞环脉宽调制(Hysteresis PWM)方法控制补偿电流跟踪其参考信号，从而产生逆变器部分开关的触发信号。
本发明所提出的HGCI结构中，如果选取适当的TCLC部分电容和电感的值(Lc，LPF和CPF)，可以大大减小逆变器的容量。因为TCLC部分可用来调节有功功率并且动态的补偿负载所需要的直流部分无功功率和不平衡功率，而有源逆变器部分用来注入有功功率并且补偿谐波。这样的设计可以在低直流侧电压水平下提供很宽无功功率的补偿范围。
以下是用来验证本发明能有效应用在三相三线电力系统中注入有功功率并且补偿负载的无功功率,不平衡功率和谐波电流。HGCI装置被并联在一个线电压为190V线电压的三相三线系统中。
系统参数：
系统线电压190V、系统频率50Hz；
HGCI装置系统参数：
TCLC部分:
电容器CPF、电感器LPF和耦合滤波电感Lc：160μF,30mH,2.5mH；
有源逆变器部分：
逆变器参考直流侧电压VDC：100V；
逆变器直流电容器CDC为3300μF。
如图3和图4所示，在应用所提出的HGCI装置后，电源侧电流会明显的减少，其波形总谐波失真率THDisx可以得到减少，电源侧电压vsx和电流isx的相位变得相同。此外，如图3所示HGCI输出的无功功率和有功功率都可达到目标值。另外对于不平衡负载情况，如图4所示HGCI投入后，电源侧的无功功率可以补偿到接近0，而电源端的各相有功功率达到平衡。下面的表格提供了具体的补偿数据。
Figure BDA0001439291500000091
以上结果验证了本发明提出的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统(HGCI)能够在低直流侧电压下注入有功功率，并且同时补偿无功功率，不平衡功率和谐波电流。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，其特征在于：包括逆变器部分和TCLC部分，所述逆变器部分的直流侧连接光伏电源，所述TCLC部分包括耦合电感器Lc、电容器CPF、电抗器LPF和反并联晶闸管构成，所述电抗器LPF和反并联晶闸管构成串联支路，所述串联支路与电容器CPF并联，所述电容器CPF的一端连接逆变器部分的交流侧，电容器CPF的另一端连接耦合电感器Lc的一端，所述耦合电感器Lc的另一端连接电网的相线；
所述逆变器部分的直流侧连接直流电容器CDC；
还包括通过负载瞬时所需的无功功率的直流分量和注入的有功功率来调节反并联晶闸管的触发角度αx从而控制TCLC部分，同时通过负载所需的瞬时无功和谐波功率和注入的有功功率，得出补偿电流从而通过脉冲宽度调制(PWM)方法控制逆变器部分的开关器件。
2.根据权利要求1所述的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，其特征在于：所述逆变器部分为三相逆变桥，所述TCLC部分为三相结构。
3.根据权利要求1或2所述的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，其特征在于：所述电容器CPF、电抗器LPF的值分别由式(3)、式(4)确定：
Figure FDA0002653804310000011
Figure FDA0002653804310000012
其中：ω是基频的角频率，Vsxf是相电压的均方值，Pcx(Max)是最大有功功率，Qcx(MaxCap)是最大容性无功功率，Qcx(MaxInd)是最大感性无功功率，Lc是耦合电感器Lc的值。
4.根据权利要求3所述的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，其特征在于：所述耦合电感器Lc的值由式(5)确定：
Figure FDA0002653804310000021
其中：VDC是逆变器部分直流侧电压，Ts是逆变器部分脉宽调制的控制周期，
Figure FDA0002653804310000022
是系统对输出电流设定的波动最大值。
5.根据权利要求1所述的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，
其特征在于：所述触发角度αx由式(8)确定：
Figure FDA0002653804310000023
其中：XTCLC(αx)为TCLC部分的阻抗，x为A、B、C三相，
Figure FDA0002653804310000024
是目标有功功率，
Figure FDA0002653804310000025
为三相电压模，
Figure FDA0002653804310000026
为负载每相瞬时无功功率的直流分量，qLx的表达式为
Figure FDA0002653804310000027
把||v||通过低通滤波器就能求得
Figure FDA0002653804310000028
qLx通过低通滤波器就能求得每相的
Figure FDA0002653804310000029
6.根据权利要求5所述的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，其特征在于：根据式(8)建立
Figure FDA00026538043100000210
与αx对应的查找表，通过所述查找表确定αx的值。
7.根据权利要求1所述的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，其特征在于：还包括通过控制逆变器部分的补偿电流来控制有功功率、无功功率、谐波功率的注入，所述补偿电流由式(9)确定：
Figure FDA00026538043100000211
其中：其中pαβ和qαβ为三相有功功率和无功功率，
Figure FDA0002653804310000031
是三相有功功率的交流分量，pαβ通过高通滤波器求得。
8.根据权利要求1所述的配有电能质量补偿的混合型并网发电逆变器系统，其特征在于：还包括基于Clarke变换，把a-b-c坐标系下的三相瞬时系统电压vsa,vsb,vsc及瞬时负载电流iLa,iLb,iLc变换到α-β坐标系，得出vα,vβ及iLα,iLβ，
根据瞬时无功理论，瞬时有功pαβ和无功qαβ为：
Figure FDA0002653804310000032
利用滞环脉宽调制方法控制补偿电流跟踪其参考信号，产生逆变器部分开关的触发信号。
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