一種基於九開關管逆變器的多功能分布式電源併網裝置的製作方法

2023-05-21 09:46:16 1

本發明涉及一種基於九開關管逆變器(NSI)的多功能分布式電源併網裝置的配置方案，適用於分布式電源的併網控制，為補償大量非線性和衝擊負載接入後造成的公用電網諧波汙染問題，實現分布式電源逆變器在電網故障狀態下的低電壓穿越，基於九開關管逆變器的拓撲結構，而設計的一種新型分布式電源併網逆變裝置，屬於分布式發電技術領域。

背景技術：

隨著地球傳統化石能源的枯竭，可再生能源成為全球新的研究熱點。其中光伏、風電產業發展迅速，技術相對成熟，已實現了規模化商業開發。在電網電壓跌落時，分布式電源的直流側可能出現過電壓、過電流等一系列暫態過程，進而損壞分布式電源併網變流器中的電力電子設備。新的分布式電源併網導則要求風機、光伏等發電機組必須具備一定的低電壓穿越能力。

與此同時，隨著利用電力電子裝置的非線性負荷和分布式發電系統大量接入配電網，使得電網電流的諧波含量驟增，上述諧波汙染使公用電網的諧波汙染日趨嚴重。較大的諧波電流將直接威脅到配電網的運行安全。在現有技術手段中，電力有源濾波(APF)技術是治理電網諧波汙染的主要手段之一，在電網，尤其是配電和用電領域的應用越來越廣泛。

為解決分布式電源接入時的低電壓穿越問題，國內外學者提出了眾多分布式電源低電壓穿越方案，總結起來可分為以下3類：(1)在直流環節加裝卸荷電阻，通過卸荷電阻消耗多餘的有功功率，可將直流母線電壓的波動範圍限制在10％的額定範圍內，但系統效率較低，散熱設計困難；(2)通過機側變流器控制直流母線電壓，將不能釋放的能量存儲在機組傳動鏈中，由於發電機轉速不受控，會對系統安全運行帶來風險；(3)採用儲能裝置將多餘的能量存儲起來，雖然可實現功率平滑，但會增加系統成本。本發明依據德國E.ON標準規定，通過兩個網側變流器埠向併網點注入無功功率來實現分布式電源的低電壓穿越。

現有的電能質量問題表現為諧波汙染和無功缺額，傳統可供選擇的治理方法主要分為以無源電力濾波器、並聯補償電容器為代表的無源設備，以及以有源濾波器和靜止無功補償器為代表的有源設備。其中無源設備具有結構原理簡單、運行可靠性高、維護費用低等優點，但亦有與電網參數發生諧振的潛在危險，且當系統以小方式運行時，容易造成無功過補償，增加系統損耗，威脅電網運行安全。而有源設備因具有運行方式靈活、擴展性強、調節速度快等優點，正逐步取代無源設備成為中、低壓配電網中電能質量治理裝置發展的主流。

技術實現要素：

發明目的：為了解決分布式電源併網點諧波和無功等電能質量問題的治理、分布式電源低電壓穿越控制的問題，本發明設計了一種基於九開關管逆變器(NSI)的多功能分布式電源併網裝置的配置方案。利用九開關管逆變器所提供的兩組輸出埠，分別構成分布式電源併網逆變器的網側主、輔變流器埠，在電網正常運行時，實現分布式電源併網饋能的同時進行諧波抑制和無功補償，以改善電網電能質量；在電網故障發生電壓跌落時，通過NSI兩個輸出埠間的協調控制來滿足低電壓穿越的要求，從而在同一套併網裝置內把分布式電源併網控制、無功和諧波電流補償、低電壓穿越功能結合在一起，減小系統投資成本，提高分布式電源的穩定性和電網電能質量。

技術方案：

一種基於九開關管逆變器的多功能分布式電源併網裝置，包括九開關管逆變器；所述九開關管逆變器的一個上輸出埠通過併網變壓器與電網連接，另一個下輸出埠並聯接入電網；所述九開關管逆變器的兩個輸出埠分別形成分布式電源併網逆變器的網側主、輔變流器埠；

在電網正常運行時，所述網側主變流器埠將微源產生的電能逆變成符合併網條件的交流電，並維持變流器直流母線電壓穩定；所述網側輔變流器埠在電流環中加入諧波電流補償值；

在電網故障時，利用兩個輸出埠之間的協調配合，實現分布式電源的低電壓穿越，將分布式電源產生的能量順利送入電網，同時向電網發出無功，支持電網電壓恢復。

所述九開關管逆變器由三個橋臂並聯形成；所述橋臂包括三個串聯在一起的開關管；

定義靠近直流母線正極開關管為上開關管，記為SjH(j＝a,b,c)；靠近直流母線負極開關管為下開關管，記為SjL(j＝a,b,c)；各橋臂的三個開關管中，除去上、下開關管後餘下的開關管為中開關管，記為SjM(j＝a,b,c)；

將所述九開關管逆變器上、下輸出埠的調製波信號UrefH、UrefL共用三角載波進行調製；若UrefH大於載波，則對應相的開關管SjH(j＝a,b,c)導通，否則SjH關斷；若UrefL大於載波，則對應相的開關管SjL(j＝a,b,c)關斷，否則SjL導通；而每相中間管SjM(j＝a,b,c)的驅動信號為對應相SjH與SjL的異或獲得。

所述網側主變流器採用基於電網電壓定向的前饋補償dq解耦方式來分別控制d軸有功電流和q軸無功電流；

網側主變流器是在dq坐標系內完成控制的，其中d軸分量與併網點電壓矢量同向；濾波電容端電壓矢量與網側主變流器注入電流矢量之間的關係為：

其中L1為濾波電抗，ed、eq為濾波電容C1兩端電壓的d、q軸分量，ucd、ucq為所述九開關管逆變器上埠輸出電壓的d、q軸分量，id1、iq1為所述九開關管逆變器上埠輸出電流的d、q軸分量，ωe為系統角頻率；

所述網側主變流器採用雙環控制，其中直流母線電壓控制外環，通過將直流母線電壓的參考值udcref與實測值udc比較做差後，通過PI控制器產生d軸電流指令值id1ref，通過給定的功率因數設定q軸電流指令值iq1ref；將電網正常工況電流指令值id1ref、iq1ref或電網故障工況電流指令值igd1ref、igq1ref輸入解耦PI控制器構成的電流內環，產生相應的調製信號d、q軸分量u*gd1和u*gq1，通過Park逆變換獲取三相調製信號，再根據PWM調製算法，完成對所述九開關管逆變器上埠的輸出控制。

3、根據權利要求1所述的多功能分布式電源併網裝置，其特徵在於：所述網側輔助變流器是在dq坐標系內完成控制的，其中d軸分量與併網點電壓矢量同向；濾波電容端電壓矢量與網側主變流器注入電流矢量之間的關係為：

其中L2為濾波電抗，Ugd、Ugq為濾波電容C2兩端電壓的d、q軸分量，uad、uaq為NSI上埠輸出電壓的d、q軸分量，id2、iq2為NSI上埠輸出電流的d、q軸分量，ωe為系統角頻率；

所述網側輔助變流器採用單環控制，將諧波檢測環節獲取的電流指令值idh、iqh或電網故障工況電流指令值igd2ref、igq2ref分別與輔助逆變器埠對應d、q軸電流實測值id2、iq2相減後，輸入解耦PI控制器構成的電流環，產生相應的調製信號d、q軸分量u*gd2和u*gq2，通過Park逆變換獲取三相調製信號，再根據PWM調製算法，完成對所述九開關管逆變器下埠的輸出控制。

在電網正常運行時，所述網側輔助變流器的參考電流值即為諧波電流補償值；所述諧波電流的檢測如下：

數字鎖相環PLL跟蹤電網a相電壓相位，三相負載電流ia、ib、ic經abc/dq變換後得到兩相旋轉坐標系下的有功和無功電流分量id、iq，將id、iq通過低通濾波器後，獲取負載基波電流所對應的直流分量idb、iqb，則id與idb之差即為dq坐標系內諧波電流的d軸分量idh，iq與iqb之差即為dq坐標系內諧波電流的q軸分量iqh。

當電網故障並發生電壓跌落時，網側主、輔變流器切換至LVRT模式，在無功支持和有功平衡兩個層面協同工作；

在無功支持層面，將NSI輸出無功電流控制的參考值分別設定為：

式中ug為電網電壓，uref為故障前電網電壓，igq1ref和igq2ref分別為主變流器和輔助變流器q軸無功指令電流，所有值均為標么值；

在系統無功支持策略確定後，計算出網側變流器在保持系統能量平衡的前提下，NSI主、輔變流器的d軸指令電流值分別為：

式中igd1ref和igd2ref分別為主、輔變流器d軸有功指令電流，Ps為故障前系統輸出有功功率。

當網側電壓發生深度跌落時，輔助使用直流斬波控制和直流母線卸荷電路，把直流側電壓控制在1.1倍標么值內。

有益效果：(1)利用NSI的兩個輸出埠構造主、輔分布式電源併網埠，可達到與傳統背靠背型全控逆變器相同的併網與補償效果，但使用本發明所述結構相比較背靠背型電路卻可節省3個開關管，從而縮小裝置體積，減少投資成本；(2)利用輔助並聯埠，在電網未發生故障時，實現有源濾波器功能，利用有源濾波器運行方式靈活、擴展性強、調節速度快的優點，實現對分布式電源併網點諧波、無功等電能質量問題的治理，提高電網電能質量；(3)在電網發生故障時，通過協調控制NSI的兩個輸出埠實現分布式電源併網變流器LVRT策略，按照國際相關標準向電網提供無功支持，並儘量減小直流側卸荷電阻的散熱壓力，維持系統能量平衡，實現分布式電源的低電壓穿越。本發明所提系統將分布式電源併網控制、無功和諧波電流補償、低電壓穿越功能相結合，提高了系統的穩定性和電能質量，有較高的性價比和系統利用率，因此具有良好的工程應用前景。

附圖說明

圖1是十二開關管逆變器與九開關管逆變器拓撲關係圖。

圖2是基於九開關管逆變器(NSI)的多功能分布式電源併網裝置結構圖。

圖3是多功能分布式電源併網裝置的網側主變流器控制框圖。

圖4是多功能分布式電源併網裝置的網側輔助變流器控制框圖。

圖5是多功能分布式電源併網裝置諧波電流檢測原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

本發明採用九開關管逆變器作為電力電子主電路，為分布式電源併網裝置提供兩個獨立的輸出埠。

圖1給出了十二開關管逆變器與九開關管逆變器之間的拓撲關係。圖1的左側為較常採用的背靠背型十二開關管逆變器，圖1的右側為新型九開關管逆變器。可見九開關管逆變器與十二開關管逆變器同樣能對外提供兩組三相輸出埠，但是九開關管逆變器可比十二開關管逆變器節約3個開關管。通過比較可知，九開關管逆變器具有結構緊湊、成本較低的優勢。因此，可利用九開關管逆變器的兩個輸出埠，分別形成分布式電源併網接口的主變流器部分和輔助變流器部分。

定義三個串聯在一起的開關管構成一個橋臂，則可將NSI的九個開關管分為三個橋臂。為了避免將直流母線短接，每個橋臂上所串聯的三個開關管不能同時導通。當負載含有感性元件時，為了避免輸出端懸空，應控制每個橋臂上至少同時有兩個開關管導通。定義靠近直流母線正極開關管為上開關管，記為SjH(j＝a,b,c)；靠近直流母線負極開關管為下開關管，記為SjL(j＝a,b,c)；各橋臂的三個開關管中，除去上、下開關管後餘下的開關管為中開關管，記為SjM(j＝a,b,c)。將NSI上、下輸出埠的調製波信號UrefH、UrefL共用三角載波進行調製。若UrefH大於載波，則對應相的開關管SjH(j＝a,b,c)導通；否則SjH關斷。若UrefL大於載波，則對應相的開關管SjL(j＝a,b,c)關斷；否則SjL導通。而每相中間管SjM(j＝a,b,c)的驅動信號為對應相SjH與SjL的異或獲得。

圖2給出了基於九開關管逆變器(NSI)的多功能分布式電源併網逆變器結構圖。設計了一種基於九開關管逆變器(NSI)的多功能分布式電源併網裝置的配置方案。利用九開關管逆變器所提供的兩組輸出埠，分別構成分布式電源併網逆變器的網側主、輔變流器埠，在電網正常運行時，利用NSI所提供的一個輸出埠構成主輸出埠，保證系統的併網饋能，同時利用NSI所提供的另一個輸出埠構成輔助輸出埠，實現無功和諧波補償，改善併網點周邊的電能質量，實現分布式電源併網饋能的同時進行諧波抑制和無功補償，以改善電網電能質量；在電網故障發生電壓跌落時，通過NSI兩個輸出埠間的協調控制實現分布式電源的LVRT策略，並按照相關標準向電網提供無功支撐，儘量減小直流側卸荷電阻的散熱壓力，維持系統能量平衡，來滿足低電壓穿越的要求，從而在同一套併網裝置內把分布式電源併網控制、無功和諧波電流補償、低電壓穿越功能結合在一起，減小系統投資成本，提高分布式電源的穩定性和電網電能質量，有較高的性價比和系統利用率。

其中九開關管逆變器的直流側並聯有等效直流母線電容C，同時並聯有微源控制及直流斬波環節用於控制直流母線電壓以及微電源實現MPPT等功能。九開關管逆變器的一個輸出埠通過由電感L1、電容C1構成的LC濾波電路及併網變壓器接入電網，將微源產生的電能逆變成符合併網條件的交流電，並維持變流器直流母線電壓穩定；九開關管逆變器的另一個輸出埠通過由電感L2、電容C2構成的LC濾波電路直接接入併網變壓器的電網側，在電流環中加入諧波電流補償值，用於改善電網電能質量。電網側包含網側等效電抗Lgrid和三相等效電壓源Uj(j＝a,b,c)。由於並聯運行的兩個逆變器埠之間可能產生環流，會給並聯繫統帶來加大開關元件負擔、增加系統損耗、甚至損壞功率器件的不利影響。本發明通過併網變壓器將作為主、輔逆變器的兩個輸出埠進行隔離，以消除主、輔變流器之間的環流。

如圖3所示為本發明所提出的多功能分布式電源併網裝置的網側主變流器控制框圖，網側主變流器用以維持NSI直流側母線電壓，同時調節NSI與大電網之間無功功率的交換，其主要控制目標為將分布式電源產生的有功功率注入電網，並按要求調節功率因數。

網側主變流器採用基於電網電壓定向的前饋補償dq解耦方式來分別控制d軸有功電流和q軸無功電流。

網側主變流器是在dq坐標系內完成控制的，其中d軸分量與併網點電壓矢量同向。可將濾波電容端電壓矢量與網側主變流器注入電流矢量之間的關係描述為：

其中L1為濾波電抗，ed、eq為濾波電容C1兩端電壓的d、q軸分量，ucd、ucq為NSI上埠輸出電壓的d、q軸分量，id1、iq1為NSI上埠輸出電流的d、q軸分量，ωe為系統角頻率。

圖3中的網側主變流器採用雙環控制，其中直流母線電壓控制外環，通過將直流母線電壓的參考值udcref與直流母線電壓的實測值udc比較做差後，通過PI控制器產生d軸電流指令值id1ref，通過給定的功率因數設定q軸電流指令值iq1ref；將電網正常工況電流指令值id1ref、iq1ref或電網故障工況電流指令值igd1ref、igq1ref輸入解耦PI控制器構成的電流內環，產生相應的調製信號d、q軸分量u*gd1和u*gq1，通過Park逆變換獲取三相調製信號，再根據PWM調製算法，完成對NSI上埠的輸出控制。

在電網正常運行時，通過d軸分量的雙環控制器來穩定NSI直流母線電壓，從而使得分布式電源產生的有功功率能夠及時注入電網；通過對q軸分量的單環控制器，按照事先設定的無功功率輸出相應的無功電流參考值。在電網故障時，主逆變器埠電流的d、q軸分量由低電壓穿越控制策略決定。

如圖4所示為本發明所提出的多功能分布式電源併網裝置的網側輔助變流器控制框圖，網側輔助變流器的電流環中添加諧波電流補償值，用於控制產生補償電流，改善電網電能質量。當電網正常時，輔助變流器埠工作於APF模式下，其指令電流為諧波檢測環節獲得的補償電流值；當電網故障時，輔助變流器埠與主變流器埠相配合，實現分布式電源併網逆變器的低電壓穿越。

網側輔助變流器埠工作於有源濾波器(APF)模式，控制其向電網注入諧波和無功補償值，用於改善分布式電源併網點的電能質量。網側輔助變流器埠的電流參考值源自諧波電流檢測算法，並在d-q坐標系內，採用電流環解耦控制實現對指令電流的跟蹤。

網側輔助變流器是在dq坐標系內完成控制的，其中d軸分量與併網點電壓矢量同向。可將濾波電容端電壓矢量與網側主變流器注入電流矢量之間的關係描述為：

其中L2為濾波電抗，Ugd、Ugq為濾波電容C2兩端電壓的d、q軸分量，uad、uaq為NSI上埠輸出電壓的d、q軸分量，id2、iq2為NSI上埠輸出電流的d、q軸分量，ωe為系統角頻率。

圖4中的網側輔助變流器採用單環控制，將諧波檢測環節獲取的電流指令值idh、iqh或電網故障工況電流指令值igd2ref、igq2ref分別與輔助逆變器埠對應d、q軸電流實測值id2、iq2相減後，輸入解耦PI控制器構成的電流環，產生相應的調製信號d、q軸分量u*gd2和u*gq2，通過Park逆變換獲取三相調製信號，再根據PWM調製算法，完成對NSI下埠的輸出控制。

在電網正常運行時，輔助變流器工作於有源濾波器模式，此時輔助變流器的參考電流值為網側諧波電流的補償量。因此諧波電流補償值被添加給電流環，用以提高電網的電能質量。如圖5為本發明提出的諧波電流檢測原理圖。數字鎖相環PLL跟蹤電網a相電壓相位，用以保證諧波電流檢測的精度，三相負載電流ia、ib、ic經abc/dq變換後得到兩相旋轉坐標系下的有功和無功電流分量id、iq，將id、iq通過低通濾波器後，獲取負載基波電流所對應的直流分量idb、iqb，則id與idb之差即為dq坐標系內諧波電流的d軸分量idh，iq與iqb之差即為dq坐標系內諧波電流的q軸分量iqh。

當電網故障並發生電壓跌落時，網側逆變器的功率輸出受到限制。如果分布式電源的功率不調整，多餘的能量將造成併網逆變器直流側過電壓，危害到分布式電源的運行安全。此時，可以充分利用主、輔變流器的容量，將兩個變流器切換至LVRT模式，在無功支持和有功平衡兩個層面協同工作，從而將分布式電源產生的能量順利送至電網，同時向電網發出無功功率，支持電網電壓恢復。

在無功支持層面，根據德國E.ON公司標準規定：電網電壓每跌落1％的額定電壓，以風力發電系統為例的分布式電源需向電網發出2％額定電流大小的無功電流。因此，分布式電源首先滿足無功電流的要求，根據電網電壓跌落的幅度決定輸送給電網的無功電流的大小。將NSI輸出無功電流控制的參考值分別設定為：

式中ug為電網電壓，uref為故障前電網電壓，igq1ref和igq2ref分別為主變流器和輔助變流器q軸無功指令電流，所有值均為標么值。

在系統無功支持策略確定後，計算出網側變流器在保持系統能量平衡的前提下，NSI主、輔變流器的d軸指令電流值分別為：

式中igd1ref和igd2ref分別為主、輔變流器d軸有功指令電流，Ps為故障前系統輸出有功功率。但由於NSI輸出電流的限制，網側變流器的控制策略只能滿足一定跌落程度的LVRT。當網側電壓發生深度跌落時，需要輔助使用直流斬波控制和直流母線卸荷電路，把直流側電壓控制在1.1倍標么值內。

本發明未特別限定的技術均為現有技術。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。