CN112467795A - 一种智能微电网用一体化逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种智能微电网用一体化逆变器，其包括蓄电池模、块光伏模块和逆变器模块，所述蓄电池模块包括锂电池和第一DC/DC变换器，所述光伏模块包括光伏发电板和第二DC/DC变换器，所述逆变器模块为DC/AC变换器，所述光伏模块、蓄电池模块均和所述逆变器模块连接，所述逆变器模块用于连接电网。本一体化逆变器将光伏发电技术、逆变器技术和储能技术结合，储能技术可以弥补光伏发电随天气变化的随机性、波动性的缺陷，提高光伏发电的电能品质。

Description

一种智能微电网用一体化逆变器
技术领域
本发明属于电子技术领域，特别涉及一种智能微电网用一体化逆变器。
背景技术
近年来光伏等可再生能源发电技术逐渐成熟，分布式发电系统(DistributedGeneration System，DGS)能够增加能源供应，对环境友好，并且供电可靠性高，逐渐得到认可。分布式发电系统一般选择安装在用户端，这就节省了输配电网的巨额投资，同时分布式发电系统还具有发电方式灵活，能源利用率高等优点。分布式发电系统与公共电网结合使用可以改善电网的调峰性能，减小传统电网配置容量，提高系统运行的可靠性。随着分布式光伏发电技术的发展，其在配电网中的渗透率将逐渐提高。而分布式光伏电源功率具有波动性和不确定性及其接入位置灵活等特点，接入电网后会对系统供电质量、供电可靠性、电网调度等多方面产生影响。
(1)对电网电能质量的影响。分布式光伏发电太阳能作为能量来源，受到天气、温度等环境因素影响，因此无法如火电机组一样，提供稳定的可靠性供电。当其功率波动超过接入节点的可调节范围时，会对接入节点造成较大的功率冲击，使得该节点的电压出现较大波动，因而影响系统电能质量；同时，分布式光伏发电装置涉及到了大量的电力电子元件，大量的电力电子变换器增加了大量的非线性负载，会造成电网电流和电压波形崎变，这会对电网产生谐波污染，进而加剧系统电能质量问题。
(2)对系统可靠性的影响。传统配电网网架一般以放射状分布，而分布式发电并入电网后，放射状网络将变成遍布电源和用户互联的网络。当系统出现故障时，会使故障分量的大小、方向以及时间发生改变，加大继电保护装置整定计算的难度，破坏各级保护装置之间的配合，从而使得保护装置动作可靠性降低。
(3)改变电网调度策略。分布式发电一般不被调度中心所调度，则分布式发电的运行和控制在一定程度上存在着盲目和无序的情况，对整个电力系统的运行造成了一定的安全隐患，对配电网的自动化和需求侧管理系统带来改变。
而现有的逆变器无法在解决光伏并网发电系统加入分布式电源后电网调度和策略问题，不能更好的实现微电网系统能量调度和保护。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于分布式光伏并网发电系统的智能微电网用一体化逆变器。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种智能微电网用一体化逆变器，其特征在于，包括蓄电池模、块光伏模块和逆变器模块，所述蓄电池模块包括锂电池和第一DC/DC变换器，所述光伏模块包括光伏发电板和第二DC/DC变换器，所述逆变器模块为DC/AC变换器，所述光伏模块、蓄电池模块均和所述逆变器模块连接，所述逆变器模块用于连接电网。
在上述的智能微电网用一体化逆变器中，所述第一DC/DC变换器包括第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第一DSP控制板、双向DC/DC变换器主电路，所述的第一电压传感器并联到双向DC/DC变换器主电路的电源端，第二电压传感器并联到双向DC/DC变换器主电路的负载端，所述的第一电流传感器串联到DC/DC变换器主电路的电源端，所述的第二电流传感器串联到DC/DC变换器主电路的负载端，所述的第一DSP控制板的输入端分别与第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器连接，所述的第一DSP 控制板的输出端和双向DC/DC变换器主电路连接，所述双向DC/DC变换器主电路的电源端和蓄电池E连接，所述双向DC/DC 变换器主电路的负载端和DC/AC变换器连接。
在上述的智能微电网用一体化逆变器中，所述的双向DC/DC 变换器主电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感L、第二电感L、第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4、第三电容C3和第四电容C4；蓄电池E的正极分别与第一电感L1的一端、第一电容C1的一端、第二电感L2的一端以及第二电容C2的一端相连，蓄电池E的负极分别与第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端连接，第一电感L1的另一端分别与第一开关管T1发射极、第四开关管T4集电极连接，所述的第一开关管T1集电极分别和第三电容C3一端、DC/AC变换器输入侧正极连接，所述的第四开关管T4发射极、第三电容 C3另一端均和DC/AC变换器输入侧负极连接；第二电感L2的另一端分别与第三开关管T3发射极、第二开关管T2集电极连接，所述的第三开关管T3集电极分别和第四电容C4一端、DC/AC变换器输入侧正极连接，所述的第二开关管T2发射极、第四电容 C4另一端均和DC/AC变换器输入侧负极连接；所述的第一开关管 T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4的基极均和第一DSP控制板的输出端连接。
在上述的智能微电网用一体化逆变器中，所述第二DC/DC变换器采用MPPT控制电路控制，所述MPPT控制电路包括用于检测光伏发电板输出电压的第三电压传感器、用于检测光伏发电板输出电流的第三电流传感器、第二DSP控制板，所述第三电压传感器和第三电流传感器分别连接第二DSP控制板的输入端，所述第二DSP控制板的输出端和所述第二DC/DC变换器连接。
在上述的智能微电网用一体化逆变器中，所述第二DC/DC变换器包括依次连接的第三电感L3、第五开关管Q、二极管D和电容C，所述光伏发电板和第三电感L3连接，所述电容C和DC/AC 变换器输入侧连接。
在上述的智能微电网用一体化逆变器中，所述DC/AC变换器为采用SVPWM调制的三相T型三电平逆变器。
与现有技术相比，本智能微电网用一体化逆变器具有以下优点：
1、本智能微电网用一体化逆变器解决了在加入分布式电源后电网调度和策略问题，更好的实现微电网系统能量调度和保护，实现了无功补偿、电压型输出、CPPT、调度响应，PQ运行模式等功能；
2将光伏发电技术、逆变器技术和储能技术结合，储能技术可以弥补光伏发电随天气变化的随机性、波动性的缺陷，提高光伏发电的电能品质；减少弃光限电问题，储能系统在弃光限电期间将光伏多余电力储存起来，在光伏电力不足时将电力释放出来；在微电网中，增加储能功能的光伏逆变器可以参与电力调频，提高AGC调度的响应速度和控制精度，提高电力发电机组的经济性；在户用分布式发电中，带储能功能的光伏逆变器不仅可以充分利用太阳能，还能参与分时电价的电能调节，优化电力消费行为。
附图说明
图1是实施例的智能微电网用一体化逆变器的原理框图。
图2是蓄电池模块的电路示意图。
图3是实施例的光伏模块和逆变器模块的电路示意图。
图4是DC/AC变换器的电路图。
图5是DC/AC变换器的等效模型图。
图6是DC/AC变换器在静止ABC坐标系下的等效电路。
图7是DC/AC变换器在静止αβ坐标下的等效电路。
图8是DC/AC变换器在旋转dq坐标系下的等效电路。
图9是是DC/AC变换器的控制开关状态对应的电压空间矢量图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本智能微电网用一体化逆变器包括蓄电池模、块光伏模块和逆变器模块，蓄电池模块包括锂电池和第一DC/DC 变换器，光伏模块包括光伏发电板和第二DC/DC变换器，逆变器模块为DC/AC变换器，光伏模块、蓄电池模块均和逆变器模块连接，逆变器模块用于连接电网。
具体的说，图2所示，第一DC/DC变换器包括第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第一 DSP控制板、双向DC/DC变换器主电路，的第一电压传感器并联到双向DC/DC变换器主电路的电源端，第二电压传感器并联到双向DC/DC变换器主电路的负载端，的第一电流传感器串联到 DC/DC变换器主电路的电源端，的第二电流传感器串联到DC/DC 变换器主电路的负载端，的第一DSP控制板的输入端分别与第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器连接，的第一DSP控制板的输出端和双向DC/DC变换器主电路连接，双向DC/DC变换器主电路的电源端和蓄电池E连接，双向DC/DC变换器主电路的负载端和DC/AC变换器连接。
其中的双向DC/DC变换器主电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感L、第二电感L、第一开关管T1、第二开关管 T2、第三开关管T3和第四开关管T4、第三电容C3和第四电容 C4。其中，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4均为绝缘栅双极型晶体管IGBT，第一开关管T1反并联续流二极管VD1，第二开关管T2反并联续流二极管VD2，第三开关管T3反并联续流二极管VD3，第四开关管T4反并联续流二极管VD4；第一DSP控制板包括依次连接的采样保持器、模 /数转换器、DSP芯片单元和PWM发生器。
蓄电池E的正极分别与第一电感L1的一端、第一电容C1的一端、第二电感L2的一端以及第二电容C2的一端相连，蓄电池 E的负极分别与第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端连接，第一电感L1的另一端分别与第一开关管T1发射极、第四开关管T4集电极连接，的第一开关管T1集电极分别和第三电容 C3一端、DC/AC变换器输入侧正极连接，的第四开关管T4发射极、第三电容C3另一端均和DC/AC变换器输入侧负极连接；第二电感L2的另一端分别与第三开关管T3发射极、第二开关管T2 集电极连接，的第三开关管T3集电极分别和第四电容C4一端、 DC/AC变换器输入侧正极连接，的第二开关管T2发射极、第四电容C4另一端均和DC/AC变换器输入侧负极连接；的第一开关管 T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4的基极均和第一DSP控制板的输出端连接。
DSP芯片单元是TMS320LF28335数字信号处理器，采样保持器接收第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器的信号并传输给模/数转换器，经过转换后输入给作为DSP芯片单元的TMS320LF28335数字信号处理器，经过 TMS320LF28335数字信号处理器的处理后输出PWM发生器输出 PWM波形驱动第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3 和第四开关管T4。
双向DC/DC变换器主要工作于两种工作模式，即Boost模式和Buck模式。当PWM发生器输出PWM波形驱动第一开关管T1、第四开关管T4工作，使第一开关管T1截止，第四开关管T4导通时，电路运行在Boost模式，其主要作用是通过蓄电池为右侧的作为负载的直流母线提供能量，以维持直流母线电压的稳定。当PWM发生器输出PWM波形使第一开关管T1截止，第四开关管T4导通时，电路运行在Buck模式时，其目的是将直流母线侧多余的能量回馈给蓄电池为蓄电池充电，从而达到能量双向流动的目的。上述过程由DSP芯片单元控制实现，在Boost模式时，控制蓄电池采用限流恒压的放电方式，实时监测蓄电池外部端压，以防过放，如果出现端压过低，低至过放电压的情况，变换器停止工作。在Buck模式时，蓄电池充电状态，此时蓄电池恒压限流充电。
如图3所示，光伏发电板通过第二DC/DC变换器和DC/AC变换器连接，其中的第二DC/DC变换器采用MPPT控制电路控制，MPPT 控制电路包括用于检测光伏发电板输出电压的第三电压传感器、用于检测光伏发电板输出电流的第三电流传感器、第二DSP控制板，第三电压传感器和第三电流传感器分别连接第二DSP控制板的输入端，第二DSP控制板的输出端和第二DC/DC变换器连接。第二DC/DC变换器包括依次连接的第三电感L3、第五开关管Q、二极管D和电容C，光伏发电板和第三电感L3连接，电容C和DC/AC 变换器输入侧连接。
在MPPT控制电路中，采用扰动观察法，通过仿真和实验验证了使用方法，并有效地改善MPPT性能。为探索光照快速变化条件下的功率跟踪轨迹，功率跟踪速度，及其在多功率峰值情景下的跟踪方向，并且结合功率跟踪算法的步长和间隔时间的不同选择，进行分析和仿真。在此基础上，采用电导增量法，利用 Matlab/Simulink监理仿真模型，MPPT控制模块采用S函数实现。
DC/AC变换器采用三相T型三电平逆变，下面对其进行更详尽的分析：
1.模型分析
三相T型三电平逆变器采用SVPWM调制方法，对逆变器进行建模分析如下：
(1)静止ABC坐标系下的数学模型
三相T型三电平逆变器电路如图4所示，以A相为例，当Sa1 导通时，UAO＝+0.5UPV，设P支路，状态“1”；当Sa3和Sa4导通时，UAO＝0，设为O支路，状态“0”；当Sa2导通时，UAO＝-0.5UPV，设N之路，状态“-1”。每相桥臂电路相当于一个单刀三掷开关，将A、B、C三相滤波电感La、Lb、Lc等效为电感Ls和电阻Rs串联，三相T型三电平电路的等效开关电路简化模型如图5所示。
对图7进行一系列数学变换，可以得到在静止ABC坐标系下，三相T型三电平电路的数学模型为：
Figure RE-GDA0002893701770000081
式中：
Figure RE-GDA0002893701770000082
Figure RE-GDA0002893701770000083
在静止ABC坐标下，三相T型三电平电路的等效电路如图6 所示。
(2)静止αβ坐标系下的数学模型
通过Clarke变换将三相T型三电平电路在静止ABC坐标下的数学模型转换到静止αβ坐标系下。该逆变器的数学模型为：
Figure RE-GDA0002893701770000084
式中
Figure RE-GDA0002893701770000091
Figure RE-GDA0002893701770000092
则在静止αβ坐标下，三相T型三电平电路的等效电路如图7 所示。
(3)同步旋转dq坐标系下的数学模型
通过Park变换将三相T型三电平电路在静止αβ坐标下的数学模型转换为旋转dq坐标系下，该逆变器的数学模型为：
Figure RE-GDA0002893701770000093
式中
Figure RE-GDA0002893701770000094
Figure RE-GDA0002893701770000095
令：
Figure RE-GDA0002893701770000101
则在旋转dq坐标系下，三相T型三电平电路的等效电路如图 8所示。
系统的控制策略：
三相T型三电平逆变器每一相有3种开关状态，三相总共有 33＝27种不同的开关状态组合，可得到不同的电压输出状态。在αβ坐标下，三相T型三电平逆变器27组开光状态对应的电压空间矢量如图9。
(1)并网运行模式控制策略
将PQ控制策略应用在并网运行模式下，在此运行模式下由大电网提供逆变器输出电压支撑，此控制需要调节逆变器的有功及无功功率的输出。控制器采用双闭环控制，外环功率环通过计算逆变器实际输出功率与给定参考功率调节生成电流内环参考信号，然后通过电流内环进行精细调节。
由锁相环得到的三相电压Vabc与三相电流Iabc通过Park变换将三相交流量转换为旋转坐标系下的直流量Vdq与Idq。其中功率计算模块的公式为：
Figure RE-GDA0002893701770000102
由此计算得来逆变器实际输出功率与给定的参考值P*与Q*做差后经PI调节器产生电流参考值，对应的控制方程为：
Figure RE-GDA0002893701770000103
式中kvdp、kvqp比例系数，kvqi、kvdi分别为电流环的积分系数。
最终将电流控制器输出电压进行反Park变化和SVPWM调制，得到最终的正弦调制信号完成PQ控制。通过对此控制方式的分析可见PCC点电压依赖于电网，而控制器的设计需要采集电网电压频率及相应等信息进行同步，因此主要应用于光伏储能的并网模式，在孤岛状态下必须有其他分布式电源为其提供电压和频率支撑，不能够单独运行。
(2)离网运行模式控制策略
目前常用的离网运行控制模式主要有两种：恒压恒频控制与下垂控制。与并网运行不同，离网时缺少了电网对PCC点的电压支撑，离网控制模式需要输出满足负载要求的稳定幅值、频率的电压，输出功率由负载决定，即具有电压源的输出特性。
①恒压恒频控制
恒压恒频控制策略的目的是维持逆变器输出电压的幅值与频率恒定，输出功率根据负载需求动态调节。此控制方式由自身指令来产生电压幅值与角度，表现出电压源特性，适用于离网运行工况，如若并网运行则不能控制逆变器功率输出而出现故障。
Vd *、Vq *为给定逆变器运行电压幅值与频率指令，由此与实际采集逆变器输出电压进行电压闭环调节得出电流内环电流参考值 Id *、Iq *，之后采用与PQ调节相似的电流闭环控制方法，增加前馈与解耦项之后输出电压信号进行SVPWM控制。其中电压电流进行 Park变换的相位信息来自于给定角速度w*，由此来保证逆变器输出电压的频率恒定。
②下垂控制
下垂控制是通过模拟传统电力系统中同步发电机下垂外特性来控制逆变器的方法。其输出特性符合下垂曲线，其下垂方程式如下：
Figure RE-GDA0002893701770000121
式中f和U分别为逆变器输出频率和电压；f0和U0分别为额定频率和电压；kp和kq分别为有功功率和无功功率下垂系数；P和Q 分别为逆变器输出有功功率和无功功率；P0和Q0分别为额定有功功率和无功功率。
通过对上述两种离网模式的控制策略分析可知，虽然两种方法的具体实现略有不同，但都是在离网运行缺少电网对PCC点电压的支撑的情况下，逆变器输出来充当电压源以稳定电压的输出，从而保证电网接入节点电压不会出现较大波动，电能质量稳定可靠。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种智能微电网用一体化逆变器，其特征在于，包括蓄电池模、块光伏模块和逆变器模块，所述蓄电池模块包括锂电池和第一DC/DC变换器，所述光伏模块包括光伏发电板和第二DC/DC变换器，所述逆变器模块为DC/AC变换器，所述光伏模块、蓄电池模块均和所述逆变器模块连接，所述逆变器模块用于连接电网。
2.根据权利要求1所述的智能微电网用一体化逆变器，其特征在于，所述第一DC/DC变换器包括第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器、第二电流传感器、第一DSP控制板、双向DC/DC变换器主电路，所述的第一电压传感器并联到双向DC/DC变换器主电路的电源端，第二电压传感器并联到双向DC/DC变换器主电路的负载端，所述的第一电流传感器串联到DC/DC变换器主电路的电源端，所述的第二电流传感器串联到DC/DC变换器主电路的负载端，所述的第一DSP控制板的输入端分别与第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器连接，所述的第一DSP控制板的输出端和双向DC/DC变换器主电路连接，所述双向DC/DC变换器主电路的电源端和蓄电池E连接，所述双向DC/DC变换器主电路的负载端和DC/AC变换器连接。
3.根据权利要求2所述的智能微电网用一体化逆变器，其特征在于，所述的双向DC/DC变换器主电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感L、第二电感L、第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4、第三电容C3和第四电容C4；蓄电池E的正极分别与第一电感L1的一端、第一电容C1的一端、第二电感L2的一端以及第二电容C2的一端相连，蓄电池E的负极分别与第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端连接，第一电感L1的另一端分别与第一开关管T1发射极、第四开关管T4集电极连接，所述的第一开关管T1集电极分别和第三电容C3一端、DC/AC变换器输入侧正极连接，所述的第四开关管T4发射极、第三电容C3另一端均和DC/AC变换器输入侧负极连接；第二电感L2的另一端分别与第三开关管T3发射极、第二开关管T2集电极连接，所述的第三开关管T3集电极分别和第四电容C4一端、DC/AC变换器输入侧正极连接，所述的第二开关管T2发射极、第四电容C4另一端均和DC/AC变换器输入侧负极连接；所述的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4的基极均和第一DSP控制板的输出端连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的智能微电网用一体化逆变器，其特征在于，所述第二DC/DC变换器采用MPPT控制电路控制，所述MPPT控制电路包括用于检测光伏发电板输出电压的第三电压传感器、用于检测光伏发电板输出电流的第三电流传感器、第二DSP控制板，所述第三电压传感器和第三电流传感器分别连接第二DSP控制板的输入端，所述第二DSP控制板的输出端和所述第二DC/DC变换器连接。
5.根据权利要求4所述的智能微电网用一体化逆变器，其特征在于，所述第二DC/DC变换器包括依次连接的第三电感L3、第五开关管Q、二极管D和电容C，所述光伏发电板和第三电感L3连接，所述电容C和DC/AC变换器输入侧连接。
6.根据权利要求1或2或3所述的智能微电网用一体化逆变器，其特征在于，所述DC/AC变换器为采用SVPWM调制的三相T型三电平逆变器。
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