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。<br/>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.
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
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
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 [
文献 [
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。
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
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。
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。
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
图1. 双频逆变器并网主电路图
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:
式(1)中
由图3得出高频等效电路的以下关系
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
由式(4)可知,
上式中,
图3. 高频单元的等效电路
其中调节项
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,
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
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
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。
图4. 系统控制框图
图5. 空间电压矢量关系
图6. I扇区开关序列
作用时间 | 扇区 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
I | II | III | IV | V | VI | |
t0/4 | u0(000) | u0(000) | u0(000) | u0(000) | u0(000) | u0(000) |
ta/2 | u1(100) | u3(010) | u3(010) | u5(001) | u5(001) | u1(100) |
tb/2 | u2(110) | u2(110) | u4(011) | u4(011) | u6(101) | u6(101) |
t7/2 | u7(111) | u7(111) | u7(111) | u7(111) | u7(111) | u7(111) |
tb/2 | u2(110) | u2(110) | u4(011) | u4(011) | u6(101) | u6(101) |
ta/2 | u1(100) | u3(010) | u3(010) | u5(001) | u5(001) | u1(100) |
t0/4 | u0(000) | u0(000) | u0(000) | u0(000) | u0(000) | u0(000) |
表1. 各扇区作用电压矢量分配序列
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
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
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
图7. 低频单元电流滞环控制原理图
图8. 低频单元电流滞环控制原理图
图9. A相并网侧电压与并网电流波形
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。
图11. 双频并网逆变器输出电流
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。
感谢国家自然科学基金资助项目(项目编号:50902110)。
安树怀,孙裕佳,徐 茜,丁 军,王宏磊,郭英雷. 可用于分布式电源并网的双频逆变器研究 Study on Distributed Power Grid-Connected Dual Frequency Inverter[J]. 电力与能源进展, 2016, 04(05): 184-193. http://dx.doi.org/10.12677/AEPE.2016.45024