Advances in Energy and Power Engineering
Vol.04 No.05(2016), Article ID:18847,10 pages
10.12677/AEPE.2016.45024

Study on Distributed Power Grid-Connected Dual Frequency Inverter

Shuhuai An, Yujia Sun, Qian Xu, Jun Ding, Honglei Wang, Yinglei Guo

Qingdao Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Company, Qingdao Shandong

Received: Oct. 8th, 2016; accepted: Oct. 28th, 2016; published: Oct. 31st, 2016

Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc.

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ABSTRACT

A new type topology of dual-frequency photovoltaic grid-connected inverter is researched to improve the efficiency of distributed power grid-connected and reduce the total harmonic distortion rate of the gird-connected current and the switching losses. Part of it works in the low-frequency area to fast-track high-frequency cell current and transit most of the power by using current hysteresis control. The other part works in the high frequency area to improve the dynamic performance of the distributed power grid connected current and make grid-connected current in the same phase and frequency with grid voltage. The voltage and currents changes are analyzed in four work states of phase A. The Simulink model verifies the switching losses and the harmonic distortion rate is greatly reduced; thus grid-connected efficiency is improved.

Keywords:Distributed Power Grid-Connected, Dual-Frequency Inverter, Total Harmonic Distortion Rate, Current Hysteresis Control

可用于分布式电源并网的双频逆变器研究

安树怀,孙裕佳,徐茜,丁军,王宏磊,郭英雷

国网山东省电力公司青岛供电公司,山东 青岛

收稿日期:2016年10月8日;录用日期:2016年10月28日;发布日期:2016年10月31日

摘 要

为提高分布式电源并网的效率,减小并网电流总的谐波畸变率,降低并网逆变器的开关损耗,研究了一种新型双频并网逆变器,其中一部分工作在低频,采用电流滞环控制,快速跟踪高频单元电流,传递大部分功率;另一部分工作在高频,采用空间矢量调制,改善并网电流的动态性能,使并网电流和电网电压同频同相,并且实现了电流有功分量和无功分量的解耦控制。以双频逆变器A相工作的四种状态为例分析了系统的工作原理。Simulink仿真模型验证了双频并网逆变器能够大大降低开关损耗,使并网电流总的谐波畸变率减小,提高了并网效率。

关键词 :分布式电源并网,双频逆变器,总谐波畸变率,电流滞环控制

1. 引言

能源紧缺,环境恶化已成为日趋严重的全球性问题,引起了世界各国政府和能源专家的日益重视。人类为追求可持续发展,正积极发展可再生能源技术,风能、太阳能作为可再生能源之一具有很大的开发潜力,同时新能源发电有望在未来缓解能源紧张这一紧张局面 [1] [2] [3] [4] 。作为并网发电技术的重要设备-并网逆变器近来已成为太阳能应用研究的一个热点,为了使输出电能质量高又提高效率,研究新型拓扑与控制方法已成重点 [5] [6] 。

文献 [6] 针对系统并网时冲击电流大和动态响应较慢的问题,采用幅相控制中的相量调节原理,有效地改善了系统在控制过程并网时刻的动态性能,不足之处为逆变器输出电流相位不能较好地同步于网侧电压相位,影响了并网效率。文献 [7] 提出了一种新型并网逆变器,其结构简单、易于控制,而逆变器开关管处于高频开关状态,增加了开关损耗。文献 [8] 采用一种新的拓扑来实现高功率因数电流源并网逆变,相比于传统三相并网逆变器,具有系统冗余性好,抗电网波动能力强等优点,但增加了电路结构和控制的复杂性,降低了系统的可靠性。根据文献 [9] [10] 提出的一种新的变换器级联控制思想,即双频理论,本文研究了一种三相桥式双频光伏并网逆变器的拓扑结构,该结构由两个传统的三相桥式逆变器级联而成,其中一个工作在高频状态,采用空间矢量调制,改善系统的动态性能,使逆变器输出电流频率、相位同步于网侧电压的频率、相位;另一个工作在低频状态,跟踪高频单元电流采用滞环控制,负责传递大部分能量。

2. 双频逆变器拓扑结构及其工作原理

2.1. 双频逆变器的拓扑结构

双频逆变器是由传统的两个三相桥式逆变器级联而成,其主电路图如图1所示。

在上图中,C为直流侧支撑电容,开关S1~S6构成高频逆变单元,开关SL1~SL6,滤波电感LLa~LLc构成低频逆变单元,La~Lc是并网滤波电感,uga~ugc为电网电压。新能源产生的电能首先转换成直流电源,然后经过三相桥式双频逆变器的转换,经过滤波电感L滤波后,向电网馈入与电网电压同步的正弦波。

2.2. 双频逆变器的工作模式

下面以A相桥臂为例来说明双频逆变器的工作原理,S1,S2是高频逆变单元的开关,SL1,SL2是低频

逆变单元的开关,LLa是低频逆变单元的滤波电感,La是并网滤波电感。由于开关管S1,S2工作在高频状态,开关频率为fH;SL1,SL2工作在低频状态,开关频率为fL。不妨设,即低频开关的一个开关周期包含N个高频开关周期。由于只有四个开关S1,S2,SL1,SL2,则一个低频开关的周期内对应着四种状态 [11] ,每种状态所对应的导通电路如图2所示。

通过图2可以看出在每种状态下双频逆变器的工作模式,为使双频逆变器输出的并网电流波形是与电网电压同频同相的正弦波,同时满足并网谐波小,系统动态性能好,不受电压波动变化影响的要求,应对双频并网逆变器采取适当的控制策略。

3. 系统控制策略

双频逆变器由高频逆变单元和低频逆变单元两部分构成,高、低频单元分别采用不同的控制策略,其中高频单元采用单周控制,低频单元采用电流滞环控制,跟踪高频单元电流。

3.1. 高频单元的控制策略

在本论文中所讨论的三相桥式双频逆变器的高频单元采用空间矢量调制算法进行控制,低频单元采用

Figure 1. Main circuit of dual frequency inverter for photovoltaic grid-connected

图1. 双频逆变器并网主电路图

(a) 状态1时电路 (b) 状态2时电路 (c) 状态3时电路 (d) 状态4时电路

Figure 2. The circuits of phase A arm bridge of four states

图2. 4种状态时A相桥臂电路

电流滞环控制。由于双频逆变器的低频单元跟踪系统输出电流采用电流滞环控制,且高低频单元控制相对独立,因此可以对立地先对高频单元进行分析,首先对高频单元进行分析,高频单元的等效电路如图3所示。

假设三相对称电网中电压为:

(1)

式(1)中为相电压幅值,将三相电网电压通过坐标变换为同步旋转坐标系下的为 [12] :

(2)

图3得出高频等效电路的以下关系

(3)

将式(3)通过坐标变换到两相旋转坐标下得(由于是三相对称系统,可令):

(4)

由式(4)可知,轴电流是一个强耦合系统,为了消除轴之间的相互影响,实现对不同轴独立控制,可令调制电压为:

(5)

上式中,分别含解耦项和调节项两部分,解耦项为:

(6)

Figure 3. The average model of high frequency inverter

图3. 高频单元的等效电路

其中调节项轴电流PI调节器输出即:

(7)

由式(4)~(7)可得解耦后的系统控制框图如图4所示,由控制框图可知,通过控制旋转坐标下电流的直轴分量和交轴分量来控制系统输出有功和无功大小,电流环实现了解耦,的控制互不影响。

3.2. 空间矢量电压分配

三相逆变器中的6个功率开关器件可以产生8个基本的电压矢量,包括6个非零电压矢量(u1~u6)和两个零电压矢量(u0, u7),六个非零电压矢量将整个平面分为6个扇区,任意给定的电压矢量便可以用它所在扇区的两个相邻基本电压矢量来合成。在每一个采样周期内可利用若干个基本电压矢量合成任意给定的参考电压矢量uref。对任意的参考电压矢量uref,当它位于由uk和uk+1组成的扇区内时,利用两个非零电压矢量uk、uk+1和两个零电压矢量合成参考电压矢量uref,如图5所示。当参考矢量uref在任一扇区时,都可以由相邻两矢量uk、uk+1以及零矢量u0或u7来合成,根据伏秒平衡原则有

(8)

其中Ts为系统采用周期,tk、tk+1、t0为对应矢量电压作用的时间,根据图5中各个电压矢量关系可以得出

(9)

式中udc直流母线电压。在实际应用中,为了尽量减小开关状态变化时引起的开关损耗,因此在每个扇区内都应保证每次开关切换状态时只切换一个开关器件,以Ⅰ扇区各个开关的开关序列为例,如图6所示,各个扇区电压矢量作用序列总结为表1所示。

Figure 4. The control block diagram of system

图4. 系统控制框图

Figure 5. Space voltage vector relationship

图5. 空间电压矢量关系

Figure 6. I sector switching sequence

图6. I扇区开关序列

Table 1. The sequence voltage vector of every sector

表1. 各扇区作用电压矢量分配序列

3.3. 低频单元控制策略

对于双频逆变器低频单元的滞环控制以A相桥臂为例进行分析,其电路如图7所示。其中ia为双频逆变器A相输出电流,ila为低频单元A相输出电流,二者的误差通过滞环比较器,环宽为2h。当,且,滞环控制器输出高电平,驱动上桥臂开关器件SL1导通,逆变器输出正电压,使ila增大。当ila增长到与ia相等时,虽然,但滞环比较器仍保持正电平输出,关器件SL1保持导通,使ila继续增大。直到,使滞环翻转,滞环比较器输出低电平,关断开关器件SL1,并经延时后驱动SL2。此后,ila逐渐减小,直到时,到达滞环偏差的下限值,使滞环比较器翻转,又重新使SL1导通。如此循环,使低频电流ila与系统电流ia之间的偏差保持在±h范围内,在正弦波ia上下作锯齿状变化,如图8所示。对于低频单元B、C桥臂工作原理和A桥臂相同,在此不再赘述。

4. 仿真分析

根据双频逆变器主电路图1,由MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型,假设直流侧电压稳定,仿真参数设置如下:直流侧电压,电网电压有效值,高频开关频率,低频开关频率约为。仿真结果如图9~11所示。

图9为A相并网电流和A相电网电压的波形,从可以看出,并网电流和电网电压同频同相,在双频

Figure 7. Hysteresis current control schematics of low frequency part

图7. 低频单元电流滞环控制原理图

Figure 8. Hysteresis current control schematics of low frequency part

图8. 低频单元电流滞环控制原理图

Figure 9. Grid voltage and grid-connected current of phase A

图9. A相并网侧电压与并网电流波形

(a) t/s(b) t/s

Figure 10. The switching currents of S1 and SL1 in the grid-con- nected dual frequency inverter

图10. 双频并网逆变器开关S1和SL1的电流

并网逆变器的作用下实现了良好的并网效果;图10(a)为A相桥臂高频开关S1和低频开关SL1的电流波形,图10(b)为高低频开关电流展开图,可以看出流过高频开关的电流远远小于低频开关电流,因此大大降低了开关损耗,提高了光伏并网的效率。

(a) t/s (高频单元电流) (b) t/s (低频单元电流)(c) t/s (系统输出电流)

Figure 11. The output currents in the grid-connected dual frequency inverter

图11. 双频并网逆变器输出电流

5. 结论

双频并网逆变器是由低频单元和高频单元两部分构成,其中低频单元采用电流滞环控制,迅速跟踪高频单元电流,传递大部分功率;高频单元采用空间矢量调制,实现并网电流与电网电压同频同相,并且并网电流的有功分量和无功分量实习了解耦控制。由于系统电流主要经低频单元流过,高频单元电流很小,因此大大降低了开关损耗,提高并网的效率,同时系统控制简单,易于实现,并网电流能够较好跟踪电网电压,并且使并网电流总的谐波畸变率降低,开关损耗低,提高了系统的动静态性能,通过仿真验证了理论分析的正确性。

基金项目

感谢国家自然科学基金资助项目(项目编号:50902110)。

文章引用

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