CN109149647B - 一种并网逆变器故障监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并网逆变器故障监控系统，包括用于采集太阳能的光伏组件、用于所述光伏组件的汇流接线且保证其有序连接的汇流箱、与所述汇流箱连接的直流柜以及并入电网的计量装置；还包括并网逆变器，用于接收电力后并入电网；检测模块，能够检测来自所述并网逆变器的输出电流；控制器接收由所述检测模块检测的电流信息控制所述中断开关中断。本发明的有益效果：能够检测并网逆变器系统的电路运行状态，并在出现异常时中断并网逆变器，以保护电路中的电气元件、电网以及工人的安全；同时还能及时发出报警信号，通知操作人员及时进行修复，有效减小故障时间。

Description

一种并网逆变器故障监控系统
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换装置控制的技术领域，尤其涉及一种并网逆变器故障监控系统。
背景技术
并网逆变器是一种特殊的逆变器，除了可以将直流电转换给交流电外，其输出的交流电可以和和市电的频率及相位同步，因此输出的交流电可以回到市电。并网逆变器常用在一些直流电压源(如太阳能板或是小型风力发电机)和电网连接的应用中，且逆变器中有微处理器可以感测电网的交流波形，并且依此波形来产生电压送回电网，但在光伏并网电力系统中会存在电流异常或者电力电网断电等异常的状态，若电网的电力断电时，并网逆变器需要快速的和电网离，同时还需要确保在电网断电时，并网逆变器也不会提供电力给电网，此时维修电网的工人才不会因此而触电，因此在并网发电系统中针对电路中的电气元件、并入的电力电网、使用电力的用户以及对电网进行维修时工人的保护措施是非常有必要的。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种并网逆变器故障监控系统，能够检测并网逆变器系统的电路运行状态，并在出现异常时中断并网逆变器，以保护电路中的电气元件、电网以及工人的安全。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种并网逆变器故障监控系统，包括用于采集太阳能的光伏组件、用于所述光伏组件的汇流接线且保证其有序连接的汇流箱、与所述汇流箱连接的直流柜以及并入电网的计量装置；还包括监测模块，其包括数据收集器、温度仪、光照传感器、终端；所述温度仪采集环境温度和组件温度，所述光照传感器采集光照强度，所述数据收集器收集采集的信息发送至所述终端处理生成监测报告；并网逆变器，其两端通过中断开关分别与所述直流柜和计量装置连接，用于接收电力后并入电网；检测模块，能够检测来自所述并网逆变器的输出电流；控制器，所述控制器接收由所述检测模块检测的电流信息，根据检测信息与预设信息对比分析后控制所述中断开关中断。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：还包括与所述控制器连接的指示模块，所述检测模块将检测到的异常信息发送至所述控制器中，由所述指示模块发出指示或报警电路的异常状态。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：所述并网逆变器还包括壳体，设置于所述壳体内且通过导体对应连接的输入端、控制开关、主板、正接线柱以及负接线柱；电流由所述直流柜的输出端进入所述输入端中，通过所述控制开关控制电流进入所述主板内经过逆变电路实现转化，并最终由所述正接线柱和所述负接线柱将电流输出。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：所述壳体的前、后端面对称向凹陷后形成安装空间，且所述输入端、控制开关、正接线柱以及负接线柱贯穿所述壳体的底面与所述主板连接，且所述主板的上方还连接有控制显示器，所述输入端还包括若干根接线柱。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：所述壳体侧壁上还设置散热孔以及手提孔，所述散热孔还设置于壳体的底面，用于所述并网逆变器的散热；操作人员能够通过所述手提孔将所述并网逆变器移动。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：所述并网逆变器还包括安装板，所述安装板为“c”型板，其两端延伸的部分设置固定螺孔且中间部分设置安装螺孔，所述固定螺孔通过螺栓与所述壳体后端面固定连接，所述安装螺孔出设置安装件，所述安装件与所述并网逆变器需要安装的位置对应配合。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：所述正接线柱和所述负接线柱设置于限位台上，所述限位台两端设置延伸脚，所述正接线柱和所述负接线柱贯穿所述限位台中限位，且所述延伸脚通过螺栓与所述壳体底面连接。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：所述计量装置包括电能计量箱、电能计量柜或若干电能表；通过联合接线方式安装于电路中，能够采用三点计量法，包括计量用户与公共电网交换的电能量、计量光伏电源发电能量以及计量用户自用电能量。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：所述检测模块包括在逆变器电路中安装的至少一个电流传感器以及用于将检测到的电流转换为数字值的模拟数字转换器。
作为本发明所述的并网逆变器故障监控系统的一种优选方案，其中：所述指示模块能够被安装在所述并网逆变器、所述中断开关和所述控制器的周围，包括至少一个灯、发光二极管和/或扬声器。
本发明的有益效果：本发明提供的一种并网逆变器故障监控系统，能够检测并网逆变器系统的电路运行状态，并在出现异常时中断并网逆变器，以保护电路中的电气元件、电网以及工人的安全；同时还能及时发出报警信号，通知操作人员及时进行修复，有效减小故障时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一种实施例所述并网逆变器故障监控系统的原理结构示意图；
图2为本发明第二种实施例所述并网逆变器故障监控系统中逆变器的整体结构示意图；
图3为本发明第二种实施例所述并网逆变器故障监控系统中逆变器背面的整体结构示意图；
图4为本发明第二种实施例所述并网逆变器故障监控系统中逆变器底面的整体结构示意图；
图5为本发明第三种实施例所述三相LCL型并网逆变器拓扑及控制结构图；
图6为本发明第三种实施例所述锁相环控制框图；
图7为本发明第三种实施例所述包括锁相环在内的并网逆变器控制框图，；
图8为本发明第三种实施例所述包括锁相环在内的并网逆变器诺顿等效电路图；
图9为本发明第三种实施例所述考虑锁相环前后，并网逆变器输出阻抗bode图；
图10为本发明第三种实施例所述电网阻抗与逆变器等效输出阻抗比的奈奎斯特图；
图11为本发明第三种实施例所述经过相位补偿后的并网逆变器控制框图；
图12为本发明第三种实施例所述相位补偿后，并网逆变器的等效诺顿电路图；
图13为本发明第三种实施例所述相位补偿前后电网阻抗与逆变器等效输出阻抗比的bode图；
图14为本发明第三种实施例所述理想电网(电网阻抗为零)下，并网系统PCC电压与电流波形图；
图15为本发明第三种实施例所述电网阻抗为2mH时，并网系统PCC电压与电流波形图；
图16为本发明第三种实施例所述电网阻抗为2mH时，相位补偿后的并网系统PCC电压与电流波形图；
图17为本发明第三种实施例所述电网阻抗为2mH时，相位补偿后A相并网电流动态波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
光伏并网发电系统就是太阳能光伏发电系统与常规电网相连，共同承担供电任务；当有阳光时，逆变器将光伏系统所发的直流电逆变成正弦交流电，产生的交流电可以直接供给交流负载，然后将剩余的电能输入电网，或者直接将产生的全部电能并入电网，但在没有太阳时，负载用电全部由电网供给。
本实施例中为了能够检测并网逆变器系统的电路运行状态，并在出现异常时中断并网逆变器，以保护电路中的电气元件、电网以及工人的安全；同时还能及时发出报警信号，通知操作人员及时进行修复，有效减小故障时间。参照图1所示，提出一种并网逆变器故障监控系统，该系统包括用于采集太阳能的光伏组件100、用于光伏组件100的汇流接线且保证其有序连接的汇流箱200、与汇流箱200连接的直流柜300以及并入电网的计量装置400；还包括并网逆变器500，其两端通过中断开关600分别与直流柜300和计量装置400连接，用于接收电力后并入电网；检测模块700，能够检测来自并网逆变器500的输出电流；控制器800，控制器800接收由检测模块700检测的电流信息，根据检测信息与预设信息对比分析后控制中断开关600中断。且该系统还包括与控制器800连接的指示模块900，检测模块700将检测到的异常信息发送至控制器800中，由指示模块900发出指示或报警电路的异常状态。
进一步还需要说明的是，光伏组件100指具有封装及内部联结的，能单独提供直流电输出的，最小不可分割的光伏电池组合装置。光伏组件俗称太阳能电池板由太阳能电池片或由激光切割机或钢线切割机切割开的不同规格的太阳能电池组合在一起构成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，然后我们把他们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管防止电流回输然后输出；并且把他们封装在一个不锈钢、铝或其他非金属边框上，安装好上面的玻璃及背面的背板、充入氮气、密封，整体称为组件，也就是光伏组件或说是太阳电池组件。太阳能光伏并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。汇流箱200在光伏发电系统中是保证光伏组件100有序连接和汇流功能的接线装置。该装置能够保障光伏系统在维护、检查时易于切断电路，当光伏系统发生故障时减小停电的范围，可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱200，在光伏汇流箱200内汇流后，通过控制器800、直流配电柜、光伏逆变器，交流配电柜，配套使用从而构成完整的光伏发电系统，实现与市电并网。计量装置400包括电能计量箱、电能计量柜或若干电能表；通过联合接线方式安装于电路中，能够采用三点计量法，包括计量用户与公共电网交换的电能量、计量光伏电源发电能量以及计量用户自用电能量。检测模块700为电流检测器，可以检测来自逆变器的每个相位终端的电流水平以将其输送至控制器800中，本领域人员不难发现，该电流检测器可以包括在逆变器电路中安装的至少一个电流传感器(图中未示出)，以及用于将检测到的电流转换为数字值的模拟数字转换器。控制器800能够控制并网逆变器500的整体运行。具体而言，控制器800将由电流检测器检测到的输出电流值与预定的参考电流值进行比较。然后，例如由电流检测器检测到输出电流值小于预定的参考电流值，又或者超过预定的参考持续时间，则控制器800确定电路运行状况出现异常。且通过电路中电流的有无还能够判断中断开关600是否被错误地断开，并且控制以使得逆变器被中断，实现对逆变器电路的故障保护。指示模块900能够被安装在并网逆变器500、中断开关600和控制器800的周围，包括至少一个灯、发光二极管和/或扬声器。同样需要说明的是，该系统中的其他电气元件均科参照现有技术中通过导线连通设置，例如将光伏组件100设置于屋顶或者其他采光区域，通过电线连接至设置于机房内的汇流箱200、并网逆变器500或直流柜300等，其都可互相靠近设置，且为满足规模需求，可将部分元件通过电气控制柜的方式实现安装。
实施例2
参照图2～4的示意，本实施例中与上一个实施例不同之处在于：为该系统提供的一种并网逆变器，适配于本发明所提出的并网逆变器故障监控系统中。该系统包括用于采集太阳能的光伏组件100、用于光伏组件100的汇流接线且保证其有序连接的汇流箱200、与汇流箱200连接的直流柜300以及并入电网的计量装置400；还包括并网逆变器500，其两端通过中断开关600分别与直流柜300和计量装置400连接，用于接收电力后并入电网；检测模块700，能够检测来自并网逆变器500的输出电流；控制器800，控制器800接收由检测模块700检测的电流信息，根据检测信息与预设信息对比分析后控制中断开关600中断。且该系统还包括与控制器800连接的指示模块900，检测模块700将检测到的异常信息发送至控制器800中，由指示模块900发出指示或报警电路的异常状态。监测模块1000包括数据收集器1001、温度仪1002、光照传感器1003、终端1004；温度仪1002采集环境温度和组件温度，光照传感器1003采集光照强度，数据收集器1001收集采集的信息发送至终端1004处理生成监测报告，其中数据收集器1001为光伏数据采集器，可以通过以太网或串口数据线跟计算机进行通信，具有中央处理器、只读存储器、可读写存储器、键盘、屏幕显示器以及与计算机接口。温度仪1002本实施例包括环境温度传感器1002a和组件温度传感器1002b，环境温度传感器1002a用于监测设备所处环境下的温度，对于组件温度传感器1002b与设备组件连接，用于监测设备运行下的温度数据，例如与计算机、光照传感器1003等连接，实时监控设备运行温度。光照传感器1003用于检测光照强度，简称照度，工作原理是将光照强度值转为电压值，配置在本发明的并网逆变器故障监控系统中，配合系统监测的各项信息分析。终端1004为计算机，将由数据收集器1001收集并发送的数据进行分析并生成监测报告。且本实施例中，不难发现，终端1004还可以通过以太网或数据线的方式与移动终端连接，将生成的监测报告传输至指定的设备中，提供给需要的人员，实现对整个系统的实时监控。
进一步还需要说明的是，光伏组件100指具有封装及内部联结的，能单独提供直流电输出的，最小不可分割的光伏电池组合装置。光伏组件俗称太阳能电池板由太阳能电池片或由激光切割机或钢线切割机切割开的不同规格的太阳能电池组合在一起构成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，然后我们把他们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管防止电流回输然后输出；并且把他们封装在一个不锈钢、铝或其他非金属边框上，安装好上面的玻璃及背面的背板、充入氮气、密封，整体称为组件，也就是光伏组件或说是太阳电池组件。太阳能光伏并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。汇流箱200在光伏发电系统中是保证光伏组件100有序连接和汇流功能的接线装置。该装置能够保障光伏系统在维护、检查时易于切断电路，当光伏系统发生故障时减小停电的范围，可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱200，在光伏汇流箱200内汇流后，通过控制器800、直流配电柜、光伏逆变器，交流配电柜，配套使用从而构成完整的光伏发电系统，实现与市电并网。计量装置400包括电能计量箱、电能计量柜或若干电能表；通过联合接线方式安装于电路中，能够采用三点计量法，包括计量用户与公共电网交换的电能量、计量光伏电源发电能量以及计量用户自用电能量。检测模块700为电流检测器，可以检测来自逆变器的每个相位终端的电流水平以将其输送至控制器800中，本领域人员不难发现，该电流检测器可以包括在逆变器电路中安装的至少一个电流传感器(图中未示出)，以及用于将检测到的电流转换为数字值的模拟数字转换器。控制器800能够控制并网逆变器500的整体运行。具体而言，控制器800将由电流检测器检测到的输出电流值与预定的参考电流值进行比较。然后，例如由电流检测器检测到输出电流值小于预定的参考电流值，又或者超过预定的参考持续时间，则控制器800确定电路运行状况出现异常。且通过电路中电流的有无还能够判断中断开关600是否被错误地断开，并且控制以使得逆变器被中断，实现对逆变器电路的故障保护。指示模块900能够被安装在并网逆变器500、中断开关600和控制器800的周围，包括至少一个灯、发光二极管和/或扬声器。同样需要说明的是，该系统中的其他电气元件均科参照现有技术中通过导线连通设置，例如将光伏组件100设置于屋顶或者其他采光区域，通过电线连接至设置于机房内的的汇流箱200、并网逆变器500或直流柜300等，其都可互相靠近设置，且为满足规模需求，可将部分元件通过电气控制柜的方式实现安装。
进一步的，该系统中的并网逆变器500还包括壳体501，设置于壳体501内且通过导体对应连接的输入端502、控制开关503、主板504、正接线柱505以及负接线柱506。进一步具体的，电流由直流柜300的输出端进入输入端502中，通过控制开关503控制电流进入主板504内经过逆变电路实现转化，并最终由正接线柱505和负接线柱505将电流输出，该输出可接入计量装置400中进而并入电网或者供用户使用。壳体501的前、后端面对称向凹陷后形成安装空间，且输入端502、控制开关503、正接线柱505以及负接线柱505贯穿壳体501的底面与主板504连接，且主板504的上方还连接有控制显示器507，输入端502还包括若干根接线柱。壳体501侧壁上还设置散热孔501a以及手提孔501b，散热孔501a还设置于壳体501的底面，用于并网逆变器500的散热；操作人员能够通过手提孔501b将并网逆变器500移动。并网逆变器500还包括安装板508，安装板508为“c”型板，其两端延伸的部分设置固定螺孔508a且中间部分设置安装螺孔508b，固定螺孔508a通过螺栓与壳体501后端面固定连接，安装螺孔508b出设置安装件508c，安装件508c与并网逆变器500需要安装的位置对应配合。正接线柱505和负接线柱506设置于限位台509上，限位台509两端设置延伸脚509a，正接线柱505和负接线柱506贯穿限位台509中限位，且延伸脚509a通过螺栓与壳体501底面连接。
实施例3
基于上述实施例的并网逆变器故障监控系统中的并网逆变器，本实施例中还提供一种弱电网下基于阻抗分析的三相LCL型并网逆变器的控制方法。参照上述实施例，在可再生能源发电技术日益进步的今天，基于太阳能的分布式发电技术是人类应对环境污染和能源危机的一项重要手段，受到越来越多的重视。然而，由于分布式电源接入位置的分散性以及输电线路、变压设备的存在等原因，使公共电网等效出一个不可忽略的电网阻抗，表现出弱电网特性。并网逆变器作为连接分布式发电系统和电网主要的功率接口单元，当其工作在弱电网情况下，系统的稳定裕度会受到影响，严重时将失去稳定。而针对并网逆变器工作于弱电网环境下，如何保证系统稳定性，提高并网电流质量等问题，国内外很多学者做了很多研究，提出沿其阻尼路径增加负高通滤波环节，从而实现对电网侧电感进行阻感支路与负电感支路并联的虚拟阻抗控制的方法，该方法可以减小数字控制系统带来的相位滞后问题。关于阻抗分析的相关理论均基于对系统输出阻抗的准确建模，因此对锁相环这一为电流闭环控制提供所需电流基准值的环节进行阻抗建模也是必要的。经过对对锁相环节进行了建模分析，但不足之处是所提策略在工程实际中实现难度大，可行性不高，有待于进一步改进。针对上述并网逆变器故障监控系统中的并网逆变器，提供了该并网逆变器的控制方法。具体包括如下步骤：
S1：绘制包括锁相环在内的LCL型并网逆变器控制框图；
S2：建立包括锁相环在内的并网逆变器等效输出阻抗模型；
S3：采用阻抗分析法分析锁相环以及电网阻抗对并网逆变器稳定性的影响；
S4：验证超前校正网络对系统稳定裕度的提升作用。
作为本实施例中的一种优选方案，步骤S1具体还包含：
S11：绘制包括锁相环在内的三相LCL型并网逆变器控制框图；
S12：将abc三相静止坐标系下的电压电流分量转换到αβ两相静止坐标系下；
S13：建立α轴下的并网逆变器控制框图及等效控制框图。
且在步骤S12中，abc三相静止坐标系下的电压电流分量到αβ两相静止坐标系下的变换矩阵为：
作为本实施例中的一种优选方案，步骤S2具体还包含：
S21：推倒出由锁相环等效的阻抗和并网逆变器的等效输出阻抗；
S22：建立由输出阻抗和电网阻抗串联的等效电路模型。
作为本实施例中的一种优选方案，并网逆变器的等效输出阻抗是由锁相环节等效的阻抗与系统并网电流单闭环控制时的等效阻抗并联而成。
作为本实施例中的一种优选方案，步骤S3具体还包含：
S31：考虑锁相环的存在对并网逆变器稳定性的影响；
S32：采用阻抗分析法分析电网阻抗的增加对系统稳定性的影响机理。
且步骤S31中，锁相环对并网逆变器稳定性的影响可以通过对锁相环参数的合理设计得以校正。
作为本实施例中的一种优选方案，步骤S4在电容电流前馈支路上附加超前校正网络来提升系统稳定性，具体包含：
S41：所提基于电容电流前馈的相角补偿法的基本思想；
S42：相角补偿的参数设计过程。
进一步，更加具体的，如图5所示，图中，Vin为直流侧输入电压；L1为逆变器侧电感，Cf为滤波电容，R为与Cf进行串联的阻尼电阻，L2为电网侧滤波电感，它们共同组成具有无源阻尼性质的LCL滤波器；i1和i2分别为逆变器侧电流和并网电流；PCC为分布式电网公共耦合点；Zg是电网阻抗；Ug为电网电压；控制器采用PI控制，当然与参照上述实施例中提到的控制器800，本实施例中指的控制器可以采用与其共用又或者分别设置为两个独立的方式实现；控制系统通过锁相环获得与PCC电压同步的并网电流指令信号i2αβ *。其中锁相环采用基于同步旋转坐标系的软件锁相法，其控制框图如图6所示。
以α轴电流控制为例，图7所示为包括锁相环在内的并网逆变器控制框图。KPWM表示正弦脉宽调制环节，它取决于直流侧输入电压Vin与三角载波幅值Vtri的比值。Gc(s)为滤波电容与电阻组成的串联支路表达式：
整个框图包括两部分，一部分是并网电流单闭环控制回路，即并网电流基准值i2α *到并网电流ig的环路部分；另一部分是锁相环回路，即公共电压点电压UPCC通过锁相环到并网电流基准值i2α *的环路部分。因此，并网电流i2α可以表示为：
其中，
考虑锁相环对控制系统的影响后，并网电流只受到公共电压点的影响，故可将其改写为如下形式：
其中，ZPLL(s)为锁相环回路的等效阻抗，Zo(s)为并网电流控制回路的输出阻抗，定义系统的等效输出阻抗为Zinv(s)。因此Zinv(s)是由锁相环等效阻抗ZPLL(s)与并网电流控制回路的输出阻抗Zo(s)并联而成，表达式如下。图8所示为包括锁相环在内的并网逆变器诺顿等效电路。
首先分析Zinv(s)的稳定性。由图8可知，其与Zo(s)和ZPLL(s)有关。由于1/Zo(s)是在不考虑锁相环回路且电网阻抗Zg(s)＝0的前提下，已经预先按照稳定性标准设计完成，所以通常认为1/Zo(s)稳定；而ZPLL(s)为负阻抗性质，幅值与Gx1、Gx2、Im *、TPLL(s)有关。Gx1、Gx2由系统固有参数决定，因此影响ZPLL(s)幅值特性和相位特性的变量是Im *和TPLL(s)。Im *越大，ZPLL(s)的幅值越小，由并联知识可知，ZPLL(s)对Zinv(s)的幅值影响越大，同时会导致Zinv(s)的相角越小，从而稳定性变差。因此，并网电流参考值Im *的选取不宜过大。
图9是并网电流控制回路输出阻抗Zo(s)和系统输出阻抗Zinv(s)的bode图。从图中可以看出，锁相环的存在降低了输出阻抗的模值，而且在低频段还带来了相位滞后的问题，从而影响Zinv(s)的稳定性，这一问题可以通过对锁相环参数的合理设计得以解决，其中在幅值低频段中Zo(s)线条位于Zinv(s)的上方，在相位低频段中Zo(s)线条依然位于Zinv(s)的上方。
其次，要考虑Zg(s)/Zinv(s)部分，该部分在满足奈奎斯特稳定性判据时才能保证并网逆变器的稳定性，即要求Zg(s)/Zinv(s)在幅值相等时有一定的相位裕度。设Zg(s)/Zinv(s)幅值相等时对应的频率为交截频率fi，则相位裕度PM为：
相应地，Zg(s)/Zinv(s)在nyquist曲线图中表现为与单位圆有至少一个的交点，这些交点与和原点形成的直线与实轴的负半轴的夹角即为相位裕度，如图10所示。从图中可以看出，随着电网阻抗的增加，相位裕度逐渐减小为负数，会增大交截频率附近的谐波，甚至造成并网逆变器系统的不稳定。由于电网阻抗默认为纯感性，为了解决电网阻抗增大时造成的相位裕度减小问题，只能提升逆变器输出阻抗Zinv(s)的相角。
基于以上分析，本发明提出定义一个超前校正网络Gp(s)作为相角补偿函数来解决这一问题，表达式如下。选择将Gp(s)作为电容电流前馈通路上的反馈函数来实现相位的补偿，对应的控制框图如图11所示。
此时并网逆变器的等效输出阻抗为：
比较看出，相位补偿以后的输出阻抗分别在分子和分母上多了一项与Gp(s)有关的表达式，从数学角度分析，Zinv_p(s)可由Zinv(s)先串联Zc(s)，后并联Zb(s)得到，如图12所示。
其中：
因此，要实现对逆变器输出阻抗的相位补偿，应对Gp(s)的参数进行合理的设计。其基本原则是：基于现有的电网阻抗在线测量技术确定电网阻抗值，计算电网阻抗与逆变器输出阻抗在交截频率处的实际相位裕度值，然后将实际值与设定的相位裕度进行对比，基于差值来对Gp(s)中的z和p进行设计。
由于Gp(s)实现的是对相位的补偿，所以只对Gp(s)频率特性的相频函数进行分析：
根据实际实验条件下并网逆变器的额定功率，假定已经测量出电网阻抗为2mH。已知的电网阻抗和逆变器输出阻抗的bode图如图13所示。在相位补偿前，Zinv(s)与Zg(s)在交截频率处对应的相位裕度约为-1.4o，这时的逆变器接近临界稳定状态，因此需要对相位裕度进行补偿。若假定最大补偿相角为45o，则补偿后的相角接近45°，可以在很大程度上减少谐波问题。
对Gp(s)频率特性的相频函数求导可以得出在ωm处存在一个最大的补偿相角
由图13读出ωm＝13446rad/s，设定联解上式得到p＝32465，z＝5568。同样图13可以看出，基于此设计出的经过相位补偿以后的输出阻抗与电网阻抗的交截频率几乎不变，而相位裕度为43°，基本上达到了想要的相位裕度补偿效果。同时，由于输出阻抗在中低频段的幅值增益几乎不变，保证了并网逆变器对电网电压的抗干扰能力。
图14所示为考虑锁相环对系统的影响后，理想电网下的系统稳态性能测试。可以看出，并网电流无明显低频振荡，说明并网系统具有良好的稳定性。仿真中将电网阻抗设置为2mH，对应的并网点电压电流波形如图15所示。由两图对比可知，在理想电网条件下，并网逆变器稳定工作，系统有足够的相位裕度，此时并网电流的THD值为2.12％，符合并网要求。当电网阻抗增大为2mH时，明显增加了并网电压的畸变率，造成并网电流剧烈振荡现象的产生，不利于接入电网的其他设备的正常运行。这与图13所示的相位补偿前，系统的输出阻抗与电网阻抗在交截频率处相位裕度为负值的结果一致。图16为在前述相同情况下，采用所提补偿相位裕度后的并网电压与电流图。可以看出，经过相位补偿以后的的并网电压和电流的波形畸变率都大大减小，电容支路上的前馈补偿函数消除了电网阻抗带来的不利影响，此时的并网电流的THD值1.86％，且主要为高次谐波，便于消除。
其次，图17给出了当指令电流改变时，所提方法并网电流的A相动态仿真波形，图中两条波形近似重合。由图可知，经过相位补偿以后的系统可以实现对指令电流的精准跟踪，从满载到半载时的动态超调量为3.07A，但一个周期内就达到了稳定状态，具有较好的动态响应能力。系统从满载到半载，再到满载的并网电流THD值分别为2.34％、3.73％、1.83％，均达到了并网电流THD值小于5％的并网标准。
与现有技术相比，在使用阻抗法对并网逆变器进行分析与控制时，针对锁相环的建模与电网阻抗增加降低系统稳定裕度的问题，本发明将锁相环进行小信号建模，通过检测LCL滤波器电容支路的电流，将其通过一个超前校正网络反馈给电流闭环控制器的输出端，可解决电网阻抗带来的系统稳定裕度降低问题，显著提高并网逆变器的稳定性。
综上所述，本发明的控制策略从阻抗分析的角度出发，给出了一种提升并网逆变器系统稳定性的方法，且设计过程简便，便于在工程实际中进行推广应用，并为其他阻抗控制方法提供设计思路。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种并网逆变器故障监控系统，其特征在于：包括用于采集太阳能的光伏组件(100)、用于所述光伏组件(100)的汇流接线且保证其有序连接的汇流箱(200)、与所述汇流箱(200)连接的直流柜(300)以及并入电网的计量装置(400)；还包括，
监测模块(1000)，其包括数据收集器(1001)、温度仪(1002)、光照传感器(1003)、终端(1004)；所述温度仪(1002)采集环境温度和组件温度，所述光照传感器(1003)采集光照强度，所述数据收集器(1001)收集采集的信息发送至所述终端(1004)处理生成监测报告；
并网逆变器(500)，其两端通过中断开关(600)分别与所述直流柜(300)和计量装置(400)连接，用于接收电力后并入电网，且所述并网逆变器(500)采用如下控制方法，包括以下步骤：
S1：绘制包括锁相环在内的LCL型并网逆变器控制框图；其还包括S11：绘制包括锁相环在内的三相LCL型并网逆变器控制框图；S12：将abc三相静止坐标系下的电压电流分量转换到α、β两相静止坐标系下；S13：建立α轴下的并网逆变器控制框图及等效控制框图；
S2：建立包括锁相环在内的并网逆变器等效输出阻抗模型，定义系统的等效输出阻抗为Zinv(s)，所述等效输出阻抗模型如下式：
式中ZPLL(s)为锁相环回路的等效阻抗、Zo(s)为并网电流控制回路的输出阻抗、定义系统的等效输出阻抗为Zinv(s)、L1为逆变器侧电感、L2为电网侧滤波电感、KPWM表示正弦脉宽调制环节、Gc(s)为滤波电容、Im *为并网电流参考值、TPLL(s)为锁相环的传递函数、Gi(s)为控制器的传递函数、Gd(s)为延迟环节的传递函数，
S3：采用阻抗分析法分析锁相环以及电网阻抗对并网逆变器稳定性的影响，考虑锁相环对控制系统的影响，根据锁相环在内的并网逆变器诺顿等效电路，并网电流只受到公共电压点的影响，故可将其改写为如下形式：
式中等效输出阻抗Zinv(s)是由锁相环等效阻抗ZPLL(s)与并网电流控制回路的输出阻抗Zo(s)并联而成，且i2α(s)为并网电流、UPCCα为α轴下的公共电压点电压；
S4：验证超前校正网络对系统稳定裕度的提升作用，定义超前校正网络Gp(s)作为相角补偿函数，选择将Gp(s)作为电容电流前馈通路上的反馈函数来实现相位的补偿，其表达式如下：
此时并网逆变器的等效输出阻抗为：
式中Gp(s)为相角补偿函数、Zinv_p(s)为加入超前校正网络后的等效输出阻抗、s为复参数、z和p为两个需要整定的变参数；
检测模块(700)，能够检测来自所述并网逆变器(500)的输出电流；
控制器(800)，所述控制器(800)接收由所述检测模块(700)检测的电流信息，根据检测信息与预设信息对比分析后控制所述中断开关(600)中断。
2.如权利要求1所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：还包括与所述控制器(800)连接的指示模块(900)，所述检测模块(700)将检测到的异常信息发送至所述控制器(800)中，由所述指示模块(900)发出指示或报警电路的异常状态。
3.如权利要求1或2所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：所述并网逆变器(500)还包括壳体(501)，设置于所述壳体(501)内且通过导体对应连接的输入端(502)、控制开关(503)、主板(504)、正接线柱(505)以及负接线柱(506)；
电流由所述直流柜(300)的输出端进入所述输入端(502)中，通过所述控制开关(503)控制电流进入所述主板(504)内经过逆变电路实现转化，并最终由所述正接线柱(505)和所述负接线柱(505)将电流输出。
4.如权利要求3所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：所述壳体(501)的前、后端面对称向凹陷后形成安装空间，且所述输入端(502)、控制开关(503)、正接线柱(505)以及负接线柱(505)贯穿所述壳体(501)的底面与所述主板(504)连接，且所述主板(504)的上方还连接有控制显示器(507)，所述输入端(502)还包括若干根接线柱。
5.如权利要求4所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：所述壳体(501)侧壁上还设置散热孔(501a)以及手提孔(501b)，所述散热孔(501a)还设置于壳体(501)的底面，用于所述并网逆变器(500)的散热；操作人员能够通过所述手提孔(501b)将所述并网逆变器(500)移动。
6.如权利要求4或5所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：所述并网逆变器(500)还包括安装板(508)，所述安装板(508)为“c”型板，其两端延伸的部分设置固定螺孔(508a)且中间部分设置安装螺孔(508b)，所述固定螺孔(508a)通过螺栓与所述壳体(501)后端面固定连接，所述安装螺孔(508b)出设置安装件(508c)，所述安装件(508c)与所述并网逆变器(500)需要安装的位置对应配合。
7.如权利要求6所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：所述正接线柱(505)和所述负接线柱(506)设置于限位台(509)上，所述限位台(509)两端设置延伸脚(509a)，所述正接线柱(505)和所述负接线柱(506)贯穿所述限位台(509)中限位，且所述延伸脚(509a)通过螺栓与所述壳体(501)底面连接。
8.如权利要求1、2或7任一所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：所述计量装置(400)包括电能计量箱、电能计量柜或若干电能表；通过联合接线方式安装于电路中，能够采用三点计量法，包括计量用户与公共电网交换的电能量、计量光伏电源发电能量以及计量用户自用电能量。
9.如权利要求8所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：所述检测模块(700)包括在逆变器电路中安装的至少一个电流传感器以及用于将检测到的电流转换为数字值的模拟数字转换器。
10.如权利要求2所述的并网逆变器故障监控系统，其特征在于：所述指示模块(900)能够被安装在所述并网逆变器(500)、所述中断开关(600)和所述控制器(800)的周围，包括至少一个灯、发光二极管和/或扬声器。
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