CN110120683A - 一种交流微电网模拟系统及其控制方法 - Google Patents

一种交流微电网模拟系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交流微电网模拟系统及其控制方法，它包括两台相同的三相逆变器，直流电压源一的输出端接三相逆变器一的输入端，三相逆变器一的输出端连接至公共节点；直流电压源二的输出端接三相逆变器二的输入端，三相逆变器二的输出端经断路器S 2并联至公共节点；断路器S 1的输入端接公共节PCC，断路器S 1的输出端接负载，本发明所提出的硬件系统和软件控制方法可以推广至分布式微网中去；解决了并网逆变器输出电流谐波较大，会污染电网，降低电能质量等技术问题。

Description

一种交流微电网模拟系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及交流微电网技术领域,特别涉及一种交流微电网模拟系统及其控制方法。
背景技术
随着全世界对能源的需求日益增长，分布式能源发电在能源结构中的作用变得尤为重要，越来越多的采用电力电子技术的输配电设备，越来越多的新型负荷不断出现。并网逆变器作为分布式发电系统与电网的接口装置，需要解决一系列的技术挑战。单台逆变器实现宽电压输入范围和高电压大功率等特性，但是受电力电子器件功率的限制，无法满足大规模的分布式用电场合。并网逆变器输出电流谐波较大，会污染电网，降低电能质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种交流微电网模拟系统及其控制方法以解决并网逆变器输出电流谐波较大，会污染电网，降低电能质量等技术问题。
本发明技术方案：
一种交流微电网模拟系统，它包括两台相同的三相逆变器，直流电压源一的输出端接三相逆变器一的输入端，三相逆变器一的输出端连接至公共节点；直流电压源二的输出端接三相逆变器二的输入端，三相逆变器二的输出端经断路器S2并联至公共节点；断路器S1的输入端接公共节PCC，断路器S1的输出端接负载。
直流电源一包括直流源一和电源模块一，直流源一与电源模块一连接；直流电压源二包括直流源二和电源模块二，直流源二与电源模块二连接。
直流源一的输出端分二路输出，第一路输出直接接变流器模块一的直流电压输入端，变流器模块一的交流输出端接LC滤波器模块一的输入端，LC滤波器模块一的输出端接交流电压采样模块一的输入端，交流电压采样模块一的输出端接公共节点，从公共节点接交流电流采样模块一的输入端，交流电流采样模块一的输出端接断路器S1的输入端，断路器S1的输出端接负载；直流源一的第二路输出接电源模块一，电源模块一给控制模块一、功率驱动模块一、交流电压采样模块一和交流电流采样模块一供电；直流源二的输出端分二路输出，第一路输出直接接变流器模块二的直流电压输入端，变流器模块二的交流输出端接LC滤波器模块二的输入端，LC滤波器模块二的输出端接交流电流采样模块二的输入端，交流电流采样模块二的输出端接断路器S2的输入端，断路器S2的输出端接公共节点；直流源二的第二路输出接电源模块二，电源模块二给控制模块二、功率驱动模块二交流电流采样模块二供电。
所述三相逆变器的主功率模块采用N型的CSD19535开关器件，由6个为一组共同形成三相桥式的拓扑结构实现直流向交流的变换过程。
所述LC滤波器模块一或LC滤波器模块二属于低通滤波器，将变流器输出的高频载波型号变成低频的工频信号，LC功率滤波器模块采用3mH的环形电感，4.7uF的滤波电容组成。
交流电压电流采样模块采用电压互感器、交流电流采样模块采用电流霍尔传感器；电压互感器采用电流型互感器DL-PT202H1，用于进行交流电压的采样；电流霍尔传感器采用型号为HXN-5-P电流霍尔传感器。
控制模块一或二采用采用DSP28335芯片，实现ADC采样、PWM输出和控制算法执行功能。
根据权利要求3所述的一种交流微电网模拟系统的控制方法，其特征在于：它包括：
控制模式1：两台逆变器并联运行且带同一负载，采用主从控制对交流微电网模拟系统进行控制，通过控制从逆变器的的输出电流，改变从逆变器对负载的输出功率，进而实现功率分配；
控制模式2：两台逆变器并联运行且带同一负载，采用无互联线的下垂控制实现对交流微电网模拟系统进行控制；
控制模式3：为抑制第一台逆变器的输出电流谐波大，第二台逆变器工作在有源滤波模式，使得给负载提供干净的电流。
本发明的有益效果：
本发明利用一机多用的思想，并提出了三种工作模式，主从控制和无互联线的下垂控制可以有效解决单台逆变器带大功率负荷的弊病，提高系统的灵活性和冗余性；当负荷为非线性负荷或者逆变器1的输出电流谐波较大，逆变器2工作在有源滤波模式，可以降低系统的谐波含量，提高系统的THD。本发明所提出的硬件系统和软件控制方法可以推广至分布式微网中去；解决了并网逆变器输出电流谐波较大，会污染电网，降低电能质量等技术问题。
附图说明
图1 是系统的结构框图；
图2 是系统的硬件框图和主从控制原理图；
图3 是无互联线的下垂控制原理图；
图4 是电能质量治理的控制原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明专利的附图，对涉及的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的核心是提供一种交流微电网模拟系统及控制方法。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的一种交流微电网模拟系统的结构框图。该系统由两台相同的三相逆变器并联组成，其中直流电压源一的输出端接三相逆变器一的输入端，三相逆变器一的输出端连接至公共节点；直流电源二的输出端接三相逆变器二的输入端，三相逆变器二的输出端经断路器S 2并联至公共节点；断路器S 1的输入端接公共节PCC，而输出端接公共负载。
附图2是本发明提供的系统硬件框图，直流电压源一的输出端分2路输出，1路直接接变流器模块一的直流电压输入端，变流器模块一的交流输出端接LC滤波器模块一的输入端，LC滤波器模块一的输出端接交流电压采样模块一的输入端，交流电压采样模块一的输出端接公共节点，从公共节点接交流电流采样模块一的输入端，交流电流采样模块的输出端接断路器S 1的输入端，断路器S 1的输出端接负载；另1路的直流电压源输出端接电源模块一，电源模块一给控制板模块、功率驱动模块和电压电流采样模块进行供电。
系统硬件框图的三相逆变器二的大部分与三相逆变器一相同，不同的是，逆变器二的LC滤波器模块二输出接交流电流采样模块二的输入端，交流电流采样模块2的输出端接断路器S 2的输入端，断路器S 2的输出端接公共节点。
系统的硬件结构组成包括直流源模块、电源模块、控制模块、功率驱动模块、变流器模块、LC滤波模块、三相交流电压电流采样模块和断路器模块。
所述的直流源模块均采用普通电源，其最大输出电压为36V，最大输出电流为3A。
所述的电源模块（也叫辅助电源模块）采用LM2576-15的DC-DC芯片，可以将输入为36V电压，转换成正负15V的低电压，用于系统的给整个控制回路供电。
所述的控制模块由DSP28335的核心控制单元和外围的信号调剂电路组成。DSP核心控制单元由ADC模块和PWM模块组成，ADC模块用于采集各个信号量，DSP对信号量进行处理后，结合所使用的算法，使PWM模块输出驱动信号。
功率驱动模块将DSP输出的PWM信号进行隔离放大，功率驱动的信号输出能直接控制Mos管的关断，可直接驱动CSD19535。功率驱动模块采用WRB1515-03的DC-DC模块，实现不同地之间的隔离；而A3120先通过光耦将PWM信号进行隔离，再经过功率放大器将驱动的电压电流提高。
所述的变流器模块也叫功率变流模块采用三相桥式的拓扑结构，其中Mos管使用CSD19535芯片，实现直流向交流的变换。
系统的LC功率滤波器模块，属于低通滤波器，将逆变器输出的高频载波型号变成低频的工频信号。LC功率滤波器模块采用3mH的环形电感，4.7uF的滤波电容。
所述的三相交流电压电流采样模块采用电压互感器、电流霍尔传感器和运算放大器，将大电压大电流转换成DSP的ADC模块直接能够采样的范围。电压互感器采用电流型互感器DL-PT202H1，用于进行交流电压的采样。交流电流的采样使用型号为HXN-5-P电流霍尔传感器。运算放大器采用型号为LM358的通用运放。
所述的断路器模块采用用于控制电路的开断过程。
在上述硬件系统的基础上，本发明也提供了三种不同的应用场景，可在本套系统上进行主从控制、无互联线的下垂控制和电能治理等算法的研究。
所述的主从控制算法验证，其中第一台逆变器采用交流电压控制，保证负载侧电压的恒定，用来模拟交流微电网，作为主逆变器，给第二台逆变器提供电压幅值、频率和相位的基准。而第二台逆变器采用直接电流控制，作为从逆变器，模拟一个可控的交流电流源。利用锁相环锁定第一台逆变器出口电压的相位，作为第二台逆变器的触发信号，并联在第一台逆变器输出侧，实现主从控制的两台逆变器共同向负载供电。同时如附图2所示，从逆变器2通过ADC模块实时检测流向负载上的总电流，通过控制从逆变器2的输出电流，改变逆变器2对负载的输出功率，进而实现功率分配。
所述的无互联线下垂控制算法验证如附图3所示，在采用下垂控制的2台并联系统中，每台逆变器之间没有互联线，分别人为地引入下垂系数，检测自身的有功功率和无功功率，对输出频率和电压幅值进行调节，从而实现均流。首先检测电感电流ilabc、逆变器输出端口电压uoabc和并网电流ioabc,利用检测量uoabc和ilabc实现电压电流双闭环，使并网逆变器进入离网运行模式。再检测电网电压ugabc，进行电网电压幅值和相位与并网逆变器同步控制。当电压幅值相位同步后，离网模式转并网模式，将下垂控制环加进去。利用瞬时功率计算法将检测量uoabc和ioabc算出输出功率，结合下垂方程生成参考电压指令。通过上边的方法可以实现单台逆变器并网。要实现前1台并网逆变器并联运行且接入电网，同样采用先离网的模式接入前一台并网逆变器，待正常运行后，再引入下垂控制环，最后取掉锁相信息，以此方式是实现无互联的下垂控制实现前N-1台并网逆变器并联运行。
所述的电能质量算法研究如附图4所示，针对电能质量中的谐波问题，利用三相逆变器与APF在物理结构的一致针，对电能质量中的谐波问题，只需要修改算法就可以实现APF功能，采用基于瞬时无功功率理论的补偿电流方法，实时检测公共接点与负载之间的谐波，并将其反极性后作为APF的指令电流，由电流控制器控制并联至APF的网侧，从而补偿电网电流的谐波。
综上，本发明专利提供了一种交流微电网模拟系统及其控制方法，实现了一机多用，主从控制和无互联线的下垂控制可以有效解决单台逆变器带大功率负荷的弊病，提高系统的灵活性和冗余性；当负荷为非线性负荷或者逆变器1的输出电流谐波较大，逆变器2工作在有源滤波模式，可以降低系统的谐波含量，提高系统的THD。本发明所提出的硬件系统和软件控制方法可以推广至分布式微网中去。

Claims (8)

1.一种交流微电网模拟系统，其特征在于：它包括两台相同的三相逆变器，直流电压源一的输出端接三相逆变器一的输入端，三相逆变器一的输出端连接至公共节点；直流电压源二的输出端接三相逆变器二的输入端，三相逆变器二的输出端经断路器S 2并联至公共节点；断路器S 1的输入端接公共节PCC，断路器S 1的输出端接负载。
2.根据权利要求1所述的一种交流微电网模拟系统，其特征在于：直流电源一包括直流源一和电源模块一，直流源一与电源模块一连接；直流电压源二包括直流源二和电源模块二，直流源二与电源模块二连接。
3.根据权利要求1所述的一种交流微电网模拟系统，其特征在于：直流源一的输出端分二路输出，第一路输出直接接变流器模块一的直流电压输入端，变流器模块一的交流输出端接LC滤波器模块一的输入端，LC滤波器模块一的输出端接交流电压采样模块一的输入端，交流电压采样模块一的输出端接公共节点，从公共节点接交流电流采样模块一的输入端，交流电流采样模块一的输出端接断路器S1的输入端，断路器S 1的输出端接负载；直流源一的第二路输出接电源模块一，电源模块一给控制模块一、功率驱动模块一、交流电压采样模块一和交流电流采样模块一供电；直流源二的输出端分二路输出，第一路输出直接接变流器模块二的直流电压输入端，变流器模块二的交流输出端接LC滤波器模块二的输入端，LC滤波器模块二的输出端接交流电流采样模块二的输入端，交流电流采样模块二的输出端接断路器S2的输入端，断路器S 2的输出端接公共节点；直流源二的第二路输出接电源模块二，电源模块二给控制模块二、功率驱动模块二交流电流采样模块二供电。
4.根据权利要求1所述的一种交流微电网模拟系统，其特征在于： 所述三相逆变器的主功率模块采用N型的CSD19535开关器件，由6个为一组共同形成三相桥式的拓扑结构实现直流向交流的变换过程。
5.根据权利要求3所述的一种交流微电网模拟系统，其特征在于：所述LC滤波器模块一或LC滤波器模块二属于低通滤波器，将变流器输出的高频载波型号变成低频的工频信号，LC功率滤波器模块采用3mH的环形电感，4.7uF的滤波电容组成。
6.根据权利要求3所述的一种交流微电网模拟系统，其特征在于：交流电压电流采样模块采用电压互感器、交流电流采样模块采用电流霍尔传感器；电压互感器采用电流型互感器DL-PT202H1，用于进行交流电压的采样；电流霍尔传感器采用型号为HXN-5-P电流霍尔传感器。
7.根据权利要求3所述的一种交流微电网模拟系统，其特征在于：控制模块一或二采用采用DSP28335芯片，实现ADC采样、PWM输出和控制算法执行功能。
8.根据权利要求3所述的一种交流微电网模拟系统的控制方法，其特征在于：它包括：
控制模式1：两台逆变器并联运行且带同一负载，采用主从控制对交流微电网模拟系统进行控制，通过控制从逆变器的的输出电流，改变从逆变器对负载的输出功率，进而实现功率分配；
控制模式2：两台逆变器并联运行且带同一负载，采用无互联线的下垂控制实现对交流微电网模拟系统进行控制；
控制模式3：为抑制第一台逆变器的输出电流谐波，第二台逆变器工作在有源滤波模式，使得给负载提供干净的电流。
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