CN105703651A - 并网逆变器并联***及控制方法 - Google Patents

并网逆变器并联***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及规模化新能源发电技术领域，旨在提供一种并网逆变器并联***及控制方法。该控制方法包括各H桥并网逆变器直流母线电压差异消除策略与驱动信号同步策略；直流母线电压差异消除通过对各DC-DC变换器控制实现，针对各DC-DC的三环控制***中设置均压调节器、电压调节器与电流调节器；驱动信号同步策略通过在每个H桥并网逆变器的驱动电路之前设置一级驱动信号延时环节实现。本发明克服了现有技术中各直流母线电压不一致以及各逆变单元功率开关管驱动信号不一致引起瞬时环流的缺陷，能更接近理想无环流运行状态，使各并联单元能够均匀分担总并网电流。

Description

并网逆变器并联***及控制方法
技术领域
本发明涉及规模化新能源发电技术领域，尤其涉及一种并网逆变器并联***及控制方法。
背景技术
大容量并网逆变器可以用于光伏发电、风力发电、静止无功发生器、有源电力滤波器等。由于受到电力电子器件功率等级的限制，单个功率器件往往不能满足大电流应用的需求，而并联技术可以很好地弥补功率半导体载流能力有限的缺点。目前并联技术主要有器件级并联、线路级并联与装置级并联。器件在伏安特性、开通时间、恢复电荷等方面的分散性会影响它们直接并联时的电流均衡，为解决器件并联时的静态和动态均流问题，需要在特性的选配、栅(门)极的触发、均流电路等方面采取一定的措施。线路级并联是指各并联桥臂中点串联电抗器后再进行并联，这种并联方式结构简单，但是电抗器体积、重量、成本较高。装置级并联将控制器一并集成到各并联单元中，***的灵活性很高，利于进行简单组合，是应用于大容量并网逆变器***的主流选择。
对于并网逆变器并联***，由于各并网逆变器单元的直流母线是相互独立的，若各直流母线电压不一致，每个逆变器输出的PWM电压必定不相同，从而引起各并联单元间的高次谐波环流，此并联***存在的这种高次谐波环流一方面使得并网电流波形发生畸变，另一方面又会产生额外的损耗；另外，若控制策略为各单元产生的电压调制信号相互独立、互不相同，由于电压调制信号间存在差异，这必将导致各逆变单元产生的功率开关管驱动信号不一致，因此并联单元间必定会存在环流。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种并网逆变器并联***及其控制方法，使各并联单元能够均匀分担并网电流。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种并网逆变器并联***，包含n个并联单元，在并联单元输出侧的两个公共并联节点A与B之间跨接一个公共滤波电容C；还设有一个公共滤波电感L，其一端与公共并联节点B相连，另一端则与电网相连；
对于并联单元i，i＝1，2...n：包括一个高频隔离全桥DC-DC变换器与一个H桥并网逆变器；DC-DC变换器i的输入端跨接电压值为Ei的直流电源或电容；由带反并联续流二极管的全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4构成H桥拓扑，此H桥输入侧与电压值为Ei的直流电源或电容相连，输出侧与高频变压器Ti原边相连；由四个功率二极管Di1，Di2，Di3与Di4构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器Ti副边相连，整流桥输出侧跨接由滤波电感Lfi与滤波电容Cfi构成的低通滤波器；H桥并网逆变器i的输入电压由DC-DC变换器i的输出滤波电容Cfi两端电压提供；由带反并联续流二极管的全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4构成H桥并网逆变器i拓扑，此H桥输入侧与滤波电容Cfi两端相连，H桥两个输出端点分别与滤波电感Li1，Li2的一端相连，滤波电感Li1另一端与端点A相连，滤波电感Li2另一端与端点B相连。
本发明进一步提供了基于前述***的并网逆变器并联控制方法，其中，对DC-DC变换器i的运行控制包括以下步骤：
(1)采样DC-DC变换器i的输出电压Vi与流经滤波电感Lfi的电流ii；
(2)求出DC-DC变换器输出总电压后，算出平均输出电压V；
(3)平均输出电压V与DC-DC变换器i的输出电压，作差后作为均压调节器GVi的输入；
(4)均压调节器GVi的输出与给定直流电压相加之后，再与输出电压Vi作差后的结果作为电压调节器GDi的输入；
(5)电压调节器GDi的输出与滤波电感电流之差作为电流调节器GIi的输入；
(6)电流调节器GIi的输出与三角载波比较得到DC-DC变换器i全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4的驱动信号。
本发明进一步提供了基于前述***的并网逆变器并联控制方法，其中，对***中H桥并网逆变器i的运行控制包括以下步骤：
(1)检测电网的相位Vg/|Vg|，以及公共滤波电感L中的并网电流ig；
(2)并网电流幅值给定值Igref与电网相位Vg/|Vg|相乘，得到并网电流的瞬时给定值igref；
(3)将igref-ig作为并网电流调节器Gg的输入；
(4)Gg的输出与三角载波比较得到各H桥并网逆变器中全控开关管未经优化后的驱动信号S1，S2，S3与S4；
(5)根据传输介质的传输速度v与传输距离Li，测量出在不加延时环节前H桥并网逆变器i驱动信号从控制器到驱动电路的传输时间ti，ti＝Li/v；
(6)选出ti中的最大值T；
(7)计算H桥并网逆变器i驱动信号所需的延时时间di，di＝T-ti；
(8)针对H桥并网逆变器i，在FPGA中构建四个数字移位器，根据数字移位器的时钟频率Clock与延时时间di，计算数字移位器的位数Ni，Ni为[di/Clock]的整数部分；
(9)将S1，S2，S3与S4分别作为四个数字移位器的输入，四个数字移位器的输出经传输介质进入驱动电路得到全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4优化后的驱动信号。
本发明中，对各DC-DC变换器与各H桥并网逆变器需同步控制；并且，各H桥并网逆变器的直流母线电压差异消除策略与驱动信号同步策略应同步进行。
本发明中，对于DC-DC变换器控制***中设置的均压调节器、电压调节器和电流调节器、并网电流调节器，都采用PI调节器。
本发明中，各并联单元所用的电路元件参数尽可能保持一致。
本发明的实现原理描述：
DC-DC变换器输入端跨接电压值为Ei的直流电源或电容，通过H桥拓扑将输入直流电压变换为占空比可变的PWM电压，然后利用高频变压器调节PWM电压的幅值，进而通过二极管桥式整流将PWM电压变换为直流电压，最后经过LC低通滤波器得到稳定的直流电压；H桥并网逆变器输入电压由DC-DC变换器的输出直流电压提供，通过H桥将输入直流电压变换为PWM电压，H桥引出的两个端点分别与两个滤波电感相连，两个滤波电感的另一端与***公共并联节点相连，实现输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的并网逆变器并联***及环流消除策略，克服了现有技术中各直流母线电压不一致以及各逆变单元功率开关管驱动信号不一致引起瞬时环流的缺陷，能更接近理想无环流运行状态，使各并联单元能够均匀分担总并网电流。
附图说明：
图1并网逆变器并联***主电路图；
图2各单元DC-DC变换器驱动信号产生框图；
图3各单元H桥并网逆变器未经优化后的驱动信号产生框图；
图4各单元H桥并网逆变器优化后的驱动信号产生框图。
具体实施方式
本发明的实现基础是，基于并网逆变器并联***，包含n个并联单元。在输出侧的两个公共并联节点A与B间跨接一个公共滤波电容C，公共滤波电感L一端与端点B相连，公共滤波电感L的另一端与电网相连。对于并联单元i(i＝1，2...n)，包括一个高频隔离全桥DC-DC变换器与一个H桥并网逆变器。
DC-DC变换器i输入端跨接电压值为Ei的直流电源。由带反并联续流二极管的全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4构成H桥拓扑，此H桥输入侧与直流电源Ei相连，输出侧与高频变压器Ti原边相连。由四个功率二极管Di1，Di2，Di3与Di4构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器Ti副边相连，整流桥输出侧跨接由滤波电感Lfi与滤波电容Cfi构成的低通滤波器。
H桥并网逆变器i输入电压由DC-DC变换器i的输出滤波电容Cfi两端电压提供。由带反并联续流二极管的全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4构成H桥拓扑，此H桥输入侧与滤波电容Cfi两端相连，H桥两个输出端点分别与滤波电感Li1与Li2一端相连，滤波电感Li1另一端与端点A相连，滤波电感Li2另一端与端点B相连。
本发明中DC-DC变换器i(i＝1，2...n)的具体工作过程按如下步骤进行：
1)采样DC-DC变换器i的输出电压Vi与流经滤波电感Lfi的电流ii；
2)DC-DC变换器输出平均电压V按公式(1)计算；
V = Σ i = 1 n V i n - - - ( 1 )
3)平均输出电压V与DC-DC变换器i输出电压Vi作差后作为均压调节器GVi的输入；
4)[给定直流电压Vref+GVi的输出-Vi]作为电压调节器GDi的输入；
5)[GDi的输出-ii]作为电流调节器GIi的输入；
6)GIi的输出与三角载波比较得到全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4的驱动信号。
本发明中H桥并网逆变器i(i＝1，2...n)的具体工作过程按如下步骤进行：
1)检测电网的相位(Vg/|Vg|)与公共滤波电感L中的并网电流ig；
2)并网电流的瞬时给定值igref按公式(2)计算，Igref为并网电流幅值给定值；
igref＝Igref*(Vg/|Vg|)(2)
3)[igref-ig]作为并网电流调节器Gg的输入；
4)Gg的输出与三角载波比较得到各H桥并网逆变器中全控开关管未经优化后的驱动信号S1，S2，S3与S4；
5)根据传输介质的传输速度v与传输距离Li，按公式(3)测量出在不加延时环节前H桥并网逆变器i驱动信号从控制器到驱动电路的传输时间ti；
ti＝Li/v(3)
6)选出ti(i＝1，2...n)中的最大值T；
7)按公式(4)计算H桥并网逆变器i驱动信号所需的延时时间di；
di＝T-ti(4)
8)针对H桥并网逆变器i，在FPGA中构建四个数字移位器，根据数字移位器的时钟频率Clock与延时时间di，计算数字移位器的位数Ni，Ni为[di/Clock]的整数部分；
9)S1，S2，S3与S4分别作为四个数字移位器的输入，四个数字移位器的输出经传输介质进入驱动电路得到全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4优化后的驱动信号。
下面结合附图和进一步说明本发明。
图1所示为并网逆变器并联***主电路图，包含n个并联单元。在输出侧的两个公共并联节点A与B间跨接一个公共滤波电容C，公共滤波电感L一端与端点B相连，公共滤波电感L的另一端与电网相连。并联单元i(i＝1，2...n)中DC-DC变换器i输入端跨接电压值为Ei的直流电源。由带反并联续流二极管的全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4构成H桥拓扑，此H桥输入侧与直流电源Ei相连，输出侧与高频变压器Ti原边相连。由四个功率二极管Di1，Di2，Di3与Di4构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器Ti副边相连，整流桥输出侧跨接由滤波电感Lfi与滤波电容Cfi构成的低通滤波器。并联单元i中H桥并网逆变器i输入电压由DC-DC变换器i的输出滤波电容Cfi两端电压提供。由带反并联续流二极管的全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4构成H桥拓扑，此H桥输入侧与滤波电容Cfi两端相连，H桥两个输出端点分别与滤波电感Li1、Li2一端相连，滤波电感Li1另一端与端点A相连，滤波电感Li2另一端与端点B相连。
图2所示为DC-DC变换器i(i＝1，2...n)驱动信号产生框图，具体产生过程按如下步骤进行：1)采样各DC-DC变换器i的输出电压Vi与流经滤波电感Lfi的电流ii；2)计算DC-DC变换器输出平均电压V；3)平均输出电压V与DC-DC变换器i输出电压Vi作差后作为均压调节器GVi的输入；4)[给定直流电压Vref+GVi的输出-Vi]作为电压调节器GDi的输入；5)[GDi的输出-ii]作为电流调节器GIi的输入；6)GIi的输出与三角载波比较得到全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4的驱动信号。
图3所示为H桥并网逆变器i(i＝1，2...n)未经优化后的驱动信号产生框图，具体产生过程按如下步骤进行：1)检测电网的相位(Vg/|Vg|)与公共滤波电感L中的并网电流ig；2)计算并网电流的瞬时给定值igref；3)[igref-ig]作为并网电流调节器Gg的输入；4)Gg的输出与三角载波比较得到各H桥并网逆变器中全控开关管未经优化后的驱动信号S1，S2，S3与S4。
图4所示为H桥并网逆变器i(i＝1，2...n)优化后的驱动信号产生框图，具体产生过程按如下步骤进行：1)根据传输介质的传输速度v与传输距离Li，计算出在不加延时环节前H桥并网逆变器i驱动信号从控制器到驱动电路的传输时间ti；2)选出ti(i＝1，2...n)中的最大值T；3)计算H桥并网逆变器i驱动信号所需的延时时间di；4)针对H桥并网逆变器i，在FPGA中构建四个数字移位器，根据数字移位器的时钟频率Clock与延时时间di，计算数字移位器的位数Ni，Ni为[di/Clock]的整数部分；5)S1，S2，S3与S4分别作为四个数字移位器的输入，四个数字移位器的输出经传输介质进入驱动电路得到全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4优化后的驱动信号。

Claims (6)

1.一种并网逆变器并联***，包含n个并联单元，其特征在于，在并联单元输出侧的两个公共并联节点A与B之间跨接一个公共滤波电容C；还设有一个公共滤波电感L，其一端与公共并联节点B相连，另一端则与电网相连；
对于并联单元i，i＝1,2…n：包括一个高频隔离全桥DC-DC变换器与一个H桥并网逆变器；DC-DC变换器i的输入端跨接电压值为Ei的直流电源或电容；由带反并联续流二极管的全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4构成H桥拓扑，此H桥输入侧与电压值为Ei的直流电源或电容相连，输出侧与高频变压器Ti原边相连；由四个功率二极管Di1，Di2，Di3与Di4构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器Ti副边相连，整流桥输出侧跨接由滤波电感Lfi与滤波电容Cfi构成的低通滤波器；H桥并网逆变器i的输入电压由DC-DC变换器i的输出滤波电容Cfi两端电压提供；由带反并联续流二极管的全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4构成H桥并网逆变器i拓扑，此H桥输入侧与滤波电容Cfi两端相连，H桥两个输出端点分别与滤波电感Li1、Li2的一端相连，滤波电感Li1另一端与端点A相连，滤波电感Li2另一端与端点B相连。
2.基于权利要求1所述***的并网逆变器并联控制方法，其特征在于，对该***中DC-DC变换器i的运行控制包括以下步骤：
(1)采样DC-DC变换器i的输出电压Vi与流经滤波电感Lfi的电流ii；
(2)求出DC-DC变换器输出总电压后，算出平均输出电压V；
(3)平均输出电压V与DC-DC变换器i的输出电压，作差后作为均压调节器GVi的输入；
(4)均压调节器GVi的输出与给定直流电压相加之后，再与输出电压Vi作差后的结果作为电压调节器GDi的输入；
(5)电压调节器GDi的输出与滤波电感电流之差作为电流调节器GIi的输入；
(6)电流调节器GIi的输出与三角载波比较得到DC-DC变换器i全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4的驱动信号。
3.基于权利要求1所述***的并网逆变器并联控制方法，其特征在于，对该***中H桥并网逆变器i的运行控制包括以下步骤：
(1)检测电网的相位Vg/|Vg|，以及公共滤波电感L中的并网电流ig；
(2)并网电流幅值给定值Igref与电网相位Vg/|Vg|相乘，得到并网电流的瞬时给定值igref；
(3)将igref-ig作为并网电流调节器Gg的输入；
(4)Gg的输出与三角载波比较得到各H桥并网逆变器中全控开关管未经优化后的驱动信号S1，S2，S3与S4；
(5)根据传输介质的传输速度v与传输距离Li，测量出在不加延时环节前H桥并网逆变器i驱动信号从控制器到驱动电路的传输时间ti，ti＝Li/v；
(6)选出ti中的最大值T；
(7)计算H桥并网逆变器i驱动信号所需的延时时间di，di＝T-ti；
(8)针对H桥并网逆变器i，在FPGA中构建四个数字移位器，根据数字移位器的时钟频率Clock与延时时间di，计算数字移位器的位数Ni，Ni为[di/Clock]的整数部分；
(9)将S1，S2，S3与S4分别作为四个数字移位器的输入，四个数字移位器的输出经传输介质进入驱动电路得到全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4优化后的驱动信号。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，对各DC-DC变换器与各H桥并网逆变器需同步控制；并且，各H桥并网逆变器的直流母线电压差异消除策略与驱动信号同步策略应同步进行。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于DC-DC变换器控制***中设置的均压调节器、电压调节器和电流调节器，都采用PI调节器。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，DC-DC变换器控制***中设置的并网电流调节器采用PI调节器。
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