一种基于三相逆变器的微电网模拟系统
技术领域
本发明涉及微电网模拟技术领域,尤其涉及一种基于三相逆变器的微电网模拟系统。
背景技术
我国正在向绿色能源进行转变,常见的几种新能源包括光伏太阳能、风能、生物质能等,但是因为阳光、云彩、风力等自然的不确定因素,存在供给电源不稳定、能量难储存的问题。同时,随着用电侧的种类和数量的快速增加,大规模集中式发电在复杂的用电端面前,安全问题显得更加严重,电网对于外来电力的需求逐渐不堪重负。显然,一味地扩大电网规模并不能满足用户的要求,需要改变能源体系,从而引入分布式发电。分布式发电具有清洁、可靠、能源转换效率高、便于安装等优点,这有效解决了大规模集中式发电的许多潜在问题。
虽然分布式电源基本符合我们所要求的能源要求,而且易于安装,但是接入存在成本高、难控制的问题,对于力求经济效益和安全性的企业端来说,是一大弊端。另外,相对于大电网来说,分布式电源完全是一个未知数的存在,大电网必须采取限制和隔离的方式来处理分布式电源的接入,以防止分布式电源的接入对大电网的冲击影响和造成的瘫痪。
为了能够充分展示分布式电源对电网端和用户端所体现的优势所在,研究人员指出,除了改善在常规电网中的控制和保护技术外,微电网是使电力系统变得健壮的一个强有力的解决方案。微电网主要解决了分布式电源的不可控性,实现了分布式电源的灵活、高效,解决多用户接入、多样化电源并网的问题。
微电网是采用新能源的规模较小的分散的独立系统,主要由分布式电源、储能装置、局部负荷和功率变换器等组成一体的小型发配电系统,具有离网/并网两种切换模式。微电网用户侧提供给用户满足其个性需求的电能,实现了多样化能源供给,让更多的用户参与发电与用电,用规模化来平滑用电的峰谷,并可搭载互联网+实现能源互联网,借助于计算机网络通讯技术实现和用户良好的互动效果,实施更加方便可靠的管理措施。
微电网运行控制的核心是如何协调控制其内部的逆变电源,通常会采取多级并联的方式,经过并联运行的逆变电源在实际的运行过程中,按照主逆变器的参考数值实现自我调整,即自行调整输出功率的配比,并且能够保护负载端的运行。同时,如何让并网过程中友好地接入另一个电源,减少分布式电源接入对原系统造成的冲击,实现并网/离网模式的平滑切换也是需要克服的难点之一。由此可见,现有的微电网并网模式下的运行控制还没有找到最佳的自治协调控制策略。
因此,有必要对微电网并网模式下的运行控制进行模拟,找寻到最佳的自治协调控制策略,为未来微电网系统的应用提供理论研究基础,对于提高电网供电并网过程中的可靠性、改善电能质量方面等具有重要意义。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于,提供一种基于三相逆变器的微电网模拟系统,能够模拟出微电网并网模式下最佳的自治协调控制策略,为未来微电网系统的应用提供理论研究基础,对于提高电网供电并网过程中的可靠性、改善电能质量方面等具有重要意义。
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种基于三相逆变器的微电网模拟系统,包括并行线、接入所述并行线一侧的负载以及同时并接于所述并行线另一侧的第一电源子系统和第二电源子系统;其中,
所述第一电源子系统包括第一直流电源、第一逆变器和第一控制器;其中,所述第一直流电源经所述第一逆变器接入所述并行线上;所述第一控制器的第一端与所述第一逆变器和所述并行线之间的连线相连,第二端与所述第一逆变器相连;所述第一控制器,用于采集所述第一逆变器和所述并行线之间连线上的电压和电流,并根据所采集到的电压和电流,实时调整用于驱动所述第一逆变器的脉冲源能产生恒定的脉冲幅度,使得所述第一直流电源经所述第一逆变器输出的第一电压为恒压;
所述第二电源子系统包括第二直流电源、第二逆变器和第二控制器;其中,所述第二直流电源经所述第二逆变器接入所述并行线上;所述第二控制器的第一端与所述第二逆变器和所述并行线之间的连线相连,第二端与所述第二逆变器相连,第三端与所述第一控制器的第三端相连;所述第二控制器,用于采集所述第二逆变器和所述并行线之间连线上的电压和电流,以及获取所述第一控制器所采集到的所述第一逆变器和所述并行线之间连线上的电压和电流,并根据所采集到的第二逆变器和并行线之间连线上的电压和电流以及获取到的第一逆变器和并行线之间连线上的电压和电流,实时调整用于驱动所述第二逆变器的脉冲源能产生恒定的脉冲幅度,使得所述第二直流电源经所述第二逆变器输出的第二电压为恒压,且所述第二电压与所述第一电压具有相同的频率和相同的相位。
其中,所述第一控制器包括依序连接的第一电压电流采样电路、第一单片机、第一复杂可编程逻辑器件、第一SPWM正弦脉冲源和第一驱动电路;其中,所述第一电压电流采样电路还与所述第一逆变器和所述并行线之间的连线相连,用于采集所述第一逆变器和所述并行线之间连线上的电压和电流;所述第一单片机,用于计算所采集到的第一逆变器和并行线之间连线上的电压和电流的有效值;所述第一复杂可编程逻辑器件,用于根据所述第一单片机计算的电压和电流的有效值,反馈调节所述第一SPWM正弦脉冲源产生的正弦脉冲波幅度为恒定;所述第一SPWM正弦脉冲源,用于产生恒定的正弦脉冲;所述第一驱动电路还与所述第一逆变器相连,用于根据所述第一SPWM正弦脉冲源产生的恒定正弦脉冲,驱动所述第一逆变器,使得所述第一直流电源经所述第一逆变器输出的第一电压为恒压;
所述第二控制器包括依序连接的第二电压电流采样电路、第二单片机、第二复杂可编程逻辑器件、第二SPWM正弦脉冲源和第二驱动电路,还包括与所述第二电压电流采样电路及所述第二单片机串接成回路的过零比较器和锁相环;其中,所述第二电压电流采样电路还与所述第二逆变器和所述并行线之间的连线相连,用于采集所述第二逆变器和所述并行线之间连线上的电压和电流;所述第二单片机还与所述第一单片机相连,用于计算所采集到的第二逆变器和并行线之间连线上的电压和电流的有效值,以及获取所述第一单片机计算出的第一逆变器和并行线之间连线上的电压和电流的有效值;所述过零比较器,用于将所述第一单片机计算出的第一逆变器和并行线之间连线上的电压和电流的有效值进行降压和过零检测,得到一定幅值方波,以便所述第二单片机捕获;所述锁相环,用于将所述第二单片机计算的电压和电流的有效值和所述第一单片机计算的电压和电流的有效值实现频率和相位同步;所述第二复杂可编程逻辑器件,用于根据所述第二单片机实现同步的电压和电流的有效值,反馈调节所述第二SPWM正弦脉冲源产生的正弦脉冲波幅度为恒定;所述第二SPWM正弦脉冲源,用于产生恒定的正弦脉冲;所述第二驱动电路还与所述第二逆变器相连,用于根据所述第二SPWM正弦脉冲源产生的恒定正弦脉冲,驱动所述第二逆变器,使得所述第二直流电源经所述第二逆变器输出的第二电压为恒压,且所述第二电压与所述第一电压具有相同的频率和相同的相位。
其中,所述第一SPWM正弦脉冲源产生的恒定正弦脉冲和所述第二SPWM正弦脉冲源产生的恒定正弦脉冲为幅值24V,频率50Hz的三相正弦波。
其中,所述第一逆变器和所述第二逆变器采用相同结构的全桥式三相逆变器。
其中,所述第一控制器和所述第二控制器通过WIFI通信方式相连。
实施本发明实施例,具有如下有益效果:
本发明通过第一控制器采集自身输出,并通过PID反馈调节驱动第一逆变器的脉冲使其输出恒定的第一电压,同时第二控制器获得第一控制器的电压、电流、相位等数据后,与自身输出的电压、电流、相位等数据对比,经过相应的算法处理来动态调整自身输出的电压、电流、相位等数据,保证输出的第二电压恒定,且与第一电压同频同相位,从而模拟出微电网并网模式下最佳的自治协调控制策略,为未来微电网系统的应用提供理论研究基础,对于提高电网供电并网过程中的可靠性、改善电能质量方面等具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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,根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的基于三相逆变器的微电网模拟系统的结构示意图;
图2为图1中第一控制器的系统结构示意图;
图3为图1中第二控制器的系统结构示意图;
图4为本发明实施例提供的基于三相逆变器的微电网模拟系统的应用场景图;
图5为图2中第一逆变器和图3中第二逆变器的应用场景图;
图6为图2中第一驱动电路和图3中第二驱动电路的应用场景图;
图7为图2中第一电压电流采用电路所含采样电路和图3中第二电压电流采用电路所含采样电路的应用场景图;
图8为图2中第一电压电流采用电路所含运算放大器和图3中第二电压电流采用电路所含运算放大器的应用场景图;
图9为图3中过零比较器的应用场景图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示,为本发明实施例中,提出的一种基于三相逆变器的微电网模拟系统,包括并行线L、接入并行线L一侧的负载R以及同时并接于并行线另一侧的第一电源子系统1和第二电源子系统2;其中,
第一电源子系统1包括第一直流电源11、第一逆变器12和第一控制器13;其中,第一直流电源11经第一逆变器12接入并行线L上;第一控制器13的第一端a1与第一逆变器12和并行线L之间的连线相连,第二端a2与第一逆变器12相连;第一控制器13,用于采集第一逆变器12和并行线L之间连线上的电压和电流,并根据所采集到的电压和电流,实时调整用于驱动第一逆变器12的脉冲源能产生恒定的脉冲幅度,使得第一直流电源11经第一逆变器12输出的第一电压为恒压;
第二电源子系统2包括第二直流电源21、第二逆变器22和第二控制器23;其中,第二直流电源21经第二逆变器22接入并行线L上;第二控制器23的第一端b1与第二逆变器22和并行线L之间的连线相连,第二端b2与第二逆变器22相连,第三端b3与第一控制器13的第三端a3相连;第二控制器23,用于采集第二逆变器22和并行线L之间连线上的电压和电流,以及获取第一控制器13所采集到的第一逆变器12和并行线L之间连线上的电压和电流,并根据所采集到的第二逆变器22和并行线L之间连线上的电压和电流以及获取到的第一逆变器12和并行线L之间连线上的电压和电流,实时调整用于驱动第二逆变器22的脉冲源能产生恒定的脉冲幅度,使得第二直流电源21经第二逆变器22输出的第二电压为恒压,且第二电压与第一电压具有相同的频率和相同的相位。
应当说明的是,第一逆变器12和第二逆变器22采用相同结构的全桥式三相逆变器。
在本发明实施例中,第二控制器23和第一控制器13可以通过多种方式相连,即第二控制器23的第三端b3与第一控制器13的第三端a3相连有多种方式,包括有线通信方式(如以太网、光纤等)和无线通信方式(如WIFI、蓝牙、ZigBee、4G/5G等),使得第一控制器13采集到的各相输入电压、电流、相位反馈给第二控制器13,让第二控制器13获得第一控制器13的电压、电流、相位等数据后,与自身输出的电压、电流、相位等数据对比,经过相应的算法处理来动态调整自身输出的电压、电流、相位等数据,保证输出的第二电压恒定,且与第一电压同频同相位,从而模拟出微电网并网模式下最佳的自治协调控制策略,为未来微电网系统的应用提供理论研究基础,对于提高电网供电并网过程中的可靠性、改善电能质量方面等具有重要意义。
在一个实施例中,第二控制器23和第一控制器13通过WIFI通信,将各自输出的电流有效值信息对比,通过调整各自的电流电压,使输出电流的差值绝对值在0.1A范围内,而在相位方面,完全由从第二控制器23向第一控制器13逼近,此时第二控制器23和第一控制器13的功率比值锁定在K为1:2~2:1之间。
如图2所示,第一控制器13包括依序连接的第一电压电流采样电路131、第一单片机132、第一复杂可编程逻辑器件133、第一SPWM正弦脉冲源134和第一驱动电路135;其中,第一电压电流采样电路131还与第一逆变器12和并行线L之间的连线相连,用于采集第一逆变器12和并行线L之间连线上的电压和电流;所述第一单片机132,用于计算所采集到的第一逆变器12和并行线L之间连线上的电压和电流的有效值;第一复杂可编程逻辑器件133,用于根据第一单片机132计算的电压和电流的有效值,反馈调节第一SPWM正弦脉冲源134产生的正弦脉冲波幅度为恒定;第一SPWM正弦脉冲源134,用于产生恒定的正弦脉冲;第一驱动电路135还与第一逆变器12相连,用于根据第一SPWM正弦脉冲源134产生的恒定正弦脉冲,驱动第一逆变器12,使得第一直流电源11经第一逆变器12输出的第一电压为恒压;
如图3所示,第二控制器23包括依序连接的第二电压电流采样电路231、第二单片机232、第二复杂可编程逻辑器件233、第二SPWM正弦脉冲源234和第二驱动电路235,还包括与第二电压电流采样电路231及第二单片机232串接成回路的过零比较器236和锁相环237;其中,第二电压电流采样电路231还与第二逆变器22和并行线L之间的连线相连,用于采集第二逆变器22和并行线L之间连线上的电压和电流;第二单片机232还与第一单片机132相连,用于计算所采集到的第二逆变器22和并行线L之间连线上的电压和电流的有效值,以及获取第一单片机132计算出的第一逆变器12和并行线L之间连线上的电压和电流的有效值;过零比较器236,用于将第一单片机132计算出的第一逆变器12和并行线L之间连线上的电压和电流的有效值进行降压和过零检测,得到一定幅值方波,以便第二单片机232捕获;锁相环237,用于将第二单片机232计算的电压和电流的有效值和第一单片机132计算的电压和电流的有效值实现频率和相位同步;第二复杂可编程逻辑器件233,用于根据第二单片机232实现同步的电压和电流的有效值,反馈调节第二SPWM正弦脉冲源234产生的正弦脉冲波幅度为恒定第二SPWM正弦脉冲源234,用于产生恒定的正弦脉冲;第二驱动电路235还与第二逆变器22相连,用于根据第二SPWM正弦脉冲源234产生的恒定正弦脉冲,驱动第二逆变器22,使得第二直流电源21经第二逆变器22输出的第二电压为恒压,且第二电压与第一电压具有相同的频率和相同的相位。
在本发明实施例中,第一SPWM正弦脉冲源134产生的恒定正弦脉冲和第二SPWM正弦脉冲源234产生的恒定正弦脉冲为幅值24V,频率50Hz的三相正弦波。
如图4至图9所示,对本发明实施例中的基于三相逆变器的微电网模拟系统中各个部件的应用场景做进一步说明:
第一单片机132和第二单片机232均采用ST公司的STM32F103RDT6,第一复杂可编程逻辑器件133和第二复杂可编程逻辑器件233均采用Altera公司MAX II系列的CPLD;此时,第一单片机132和第一复杂可编程逻辑器件133可集成在一起,第二单片机232和第二复杂可编程逻辑器件233可集成在一起。其中,STM32F103拥有丰富的外设资源,其核心板的各个模块所分配的工作任务如下表1所示:
表1
同时,Altera公司MAX II系列的CPLD,在传统PID控制算法中,引入积分环节的主要目的是为了消除静差。但是在急停、急行过程中,很短的时间内需要系统达到设定的电压电流值,这会使偏差量很大,因此会造成PID运算的积分饱和,以至于达到设定电压电流后引起系统较大的震荡。这与微电网模拟系统并网过程中要尽可能减少对原主系统的电压电流冲击要求不符,是绝对不允许的。
为此,引进了积分分离控制的方法,当被控量与设定值偏差较大时,取消积分作用,防止积分的饱和作用使系统的稳定性下降,增加超调量;当被控量接近设定值时,再引入积分作用,消除静差,提高系统的控制精度。公式如下:
其中
具体实现步骤如下:
(1)根据实际系统,人为设定一个阈值ε>0;
(2)当|ek|>ε时,采用PD控制,即可避免产生过大的超调量;
(3)当|ek|<ε时,引入积分作用,采用PID控制,提高控制精度。
如图5所示,第一逆变器12和第二逆变器22采用相同结构的全桥式三相逆变器,考虑到本次系统主要模拟的功能是并网发电,并且转换效率要高达87%,与半桥式三相逆变器相比较,该电路具有电路拓扑结构更为简单、容易实现对开关管的控制、开关管的性能要求较低、板载小等优点。
如图6所示,为第一驱动电路135和第二驱动电路235的应用场景图。利用STM32F103通过软件程序产生3组(6个)SPWM控制信号,利用高级定时器设定死区时间为防止全桥逆变器的上下管,因为开关速度问题而发生同时导通。MOS管驱动芯片选择L6388ED,其动态响应快,典型通断延迟时间为225/160ns、内部死区时间220~420ns、匹配延迟时间40ns;栅极驱动输入电压宽达-0.3~18V,具有600V自举能力,400mA/650mA输出驱动能力的高速MOSFET驱动芯片,并可支持400kHz高频开关。
第一电压电流采样电路131和第二电压电流采样电路231需要实时、准确地检测输出电压和电流的有效值,因此前端的传感器需要其灵敏度高、能进行单相交流检测、快速性能好、精确度高等特点。第一电压电流采样电路131和第二电压电流采样电路231均包括采样电路、运算放大器和LC无源滤波器组成。在图7中,给出了采样电路的应用场景图;在图8中,给出了运算放大器的应用场景图,该运算放大器的型号为MCP6004,由4个轨到轨的输入输出运放组成,并且有极低失调电压、高输入阻抗等特点。将采集到的电流电压经过运放放大器的反向端,VGND经过运放放大器的同向端,根据“虚短虚断”的方法,运放将其放大20倍,并由103电容C1构成一个积分器将采集到的信息做一个积分处理,去除毛刺,尽可能让噪声干扰减到最小。LC无源滤波器的LC截止频率选择范围通常为电感根据XL=2πf*L,需要做到感抗小,并不使电感处于饱和状态,电容采用CBB电容,用于减小输出脉动和低频干扰。由于本系统输出最大电流需达到3A,综合考虑,实际选用的LC器件的参数分别为L=4mH,C=4.7uF。该LC滤波器在1kHz以内可以无衰减通过,即工频50Hz可以无衰减通过,而对于开关频率18kHz而言,谐波也主要集中在这附近,其所产生的高频分量可以得到很好的抑制。
如图9所示,为过零比较器236的应用场景图,该过零比较器将正弦波输出进行降压和过零检测,得到幅值在3V左右的方波,以便于STM32F103处理器进行捕获,然后锁相控制环节通过算法程序软件锁频锁相。该系统采用STM32F103的TIMER 4模块的IC1、IC2进行捕获,其中IC1捕获上升沿,IC2捕获下降沿。分别捕获上升沿和下降沿是为了弥补过零比较器失调电压、零点漂移等造成的方波不规整,进而采取两次捕获值的平均值进行50Hz的定时来弥补获得一个周期的相位补偿。这样,在每一个50Hz周期进行相应的调整,跟踪上主系统的输出。
在本发明实施例中,采用下表2中的仪器对本发明实施例中的基于三相逆变器的微电网模拟系统进行检测。
表2
序号 |
仪器名称及型号 |
数量 |
用途 |
1 |
FLUKE15B数字万用表 |
3 |
测量电压 |
2 |
Fluke362钳形表 |
3 |
测量电流 |
3 |
DS-1052A100MHz示波器 |
1 |
观察电源工作波形 |
4 |
TEKTRONIX PA1000 |
1 |
测量功率与THD |
5 |
滑动变阻器 |
5 |
用作测量负载 |
当第一控制器13和第二控制器23共同向负载R输出功率时,测试结果如下表3所示:
表3
从表3中可以得到,第一控制器13和第二控制器23共同向负载输出功率,负载线电流有效值Io达到3A,频率fo为50Hz左右。当负载线电流有效值Io在1~3A间变化时,第一控制器13和第二控制器23输出功率约为1:1分配,两个控制器器输出线电流的差值绝对值不大于0.1A。负载调整率SI2≤0.3%符合要求。
设定系统功率比分别为1:1.1、1:1.3、1:1.7、1.7:1、1.75:1,第一逆变器12和第二逆变器22共同向负载R输出功率,测试结果如下表4所示:
表4
U<sub>o1</sub>(I<sub>o</sub>=1A) |
23.93 |
23.95 |
23.94 |
23.93 |
23.94 |
U<sub>o2</sub>(I<sub>o</sub>=3A) |
24.1 |
24.2 |
24.2 |
24.1 |
24.1 |
S<sub>I2</sub> |
0.21% |
0.21% |
0.25% |
0.29% |
0.25% |
P<sub>1</sub> |
66.956 |
71.54 |
78.607 |
49.51 |
50.257 |
P<sub>2</sub> |
57.74 |
53.16 |
46.10 |
75.198 |
78.1127 |
o1 |
1.6108 |
1.721 |
1.891 |
1.191 |
1.209 |
o2 |
1.3892 |
1.279 |
1.109 |
1.809 |
1.791 |
K(功率比) |
1:1.1 |
1:1.3 |
1:1.7 |
1.7:1 |
1.75:1 |
实施本发明实施例,具有如下有益效果:
本发明通过第一控制器采集自身输出,并通过PID反馈调节驱动第一逆变器的脉冲使其输出恒定的第一电压,同时第二控制器获得第一控制器的电压、电流、相位等数据后,与自身输出的电压、电流、相位等数据对比,经过相应的算法处理来动态调整自身输出的电压、电流、相位等数据,保证输出的第二电压恒定,且与第一电压同频同相位,从而模拟出微电网并网模式下最佳的自治协调控制策略,为未来微电网系统的应用提供理论研究基础,对于提高电网供电并网过程中的可靠性、改善电能质量方面等具有重要意义。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。