CN109245156A - 一种并网逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并网逆变器，包括，箱体，包括隔板，所述隔板将所述箱体的腔体隔成第一腔室和第二腔室；处理组件，置于所述第一腔室内，包括供电件和主控件，所述主控件与所述供电件相连通，并输出给控制组件；以及，控制组件，置于所述第二腔室内，与所述主控件连接，接受所述主控件给出的命令。使用阻抗法对并网逆变器进行分析与控制时，针对锁相环的建模与电网阻抗增加降低***稳定裕度的问题，本发明将锁相环进行小信号建模，通过检测LCL滤波器电容支路的电流，将其通过一个超前校正网络反馈给电流闭环控制器的输出端，可解决电网阻抗带来的***稳定裕度降低问题，显著提高并网逆变器的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备的技术领域，特别是，涉及一种并网逆变器。
背景技术
可再生能源发电技术日益进步的今天，基于太阳能的分布式发电技术是人类应对环境污染和能源危机的一项重要手段，受到越来越多的重视。然而，由于分布式电源接入位置的分散性以及输电线路、变压设备的存在等原因，使公共电网等效出一个不可忽略的电网阻抗，表现出弱电网特性。并网逆变器作为连接分布式发电***和电网主要的功率接口单元，当其工作在弱电网情况下，***的稳定裕度会受到影响，严重时将失去稳定。
针对并网逆变器工作于弱电网环境下，如何保证***稳定性，提高并网电流质量等问题，国内外很多学者做了很多研究，尤其是近年来基于阻抗分析法的控制技术得到了越来越多的关注。Xu J等人在Proceedings of IEEE Applied Power ElectronicsConference and Exposition上发表的《Robust control and design based onimpedance-based stability criterion for improving stability and harmonicsrejection of inverters in weak grid》使用阻抗分析法揭示了弱电网情况下电网电流的谐波抑制效果与***稳定裕度的内在联系，并对常用的比例谐振(PR)控制器做出了串联校正改进，以增强***鲁棒性；Wang X等人在IEEE Transactions on Power Electronics上发表的《Grid-Current-Feedback Active Damping for LCL Resonance in Grid-Connected Voltage-Source Converters》在采用并网电流反馈有源阻尼技术的基础上，提出沿其阻尼路径增加负高通滤波环节，从而实现对电网侧电感进行阻感支路与负电感支路并联的虚拟阻抗控制的方法，该方法可以减小数字控制***带来的相位滞后问题。
关于阻抗分析的相关理论均基于对***输出阻抗的准确建模，因此对锁相环这一为电流闭环控制提供所需电流基准值的环节进行阻抗建模也是必要的。经过对现有文献的检索，其中“吴恒，阮新波，杨东升.弱电网条件下锁相环对LCL型并网逆变器稳定性的影响研究及锁相环参数设计[J].中国电机工程学报，2014，34(30)：5259-5268”；“张旸，陈新等.弱电网下并网逆变器的阻抗相角动态控制方法[J].电工技术学报，2017，32(01):97-106.”等均对锁相环节进行了建模分析。但不足之处是所提策略在工程实际中实现难度大，可行性不高，有待于进一步改进。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明其中一个目的是提供一种并网逆变器，且能在弱电网下基于阻抗分析的三相LCL型并网逆变器进行控制。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种并网逆变器，包括，箱体，包括隔板，所述隔板将所述箱体的腔体隔成第一腔室和第二腔室；处理组件，置于所述第一腔室内，包括供电件和主控件，所述主控件与所述供电件相连通，并输出给控制组件；以及，控制组件，置于所述第二腔室内，与所述主控件连接，接受所述主控件给出的命令。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：所述控制组件包括第一电容、IGBT和排线，所述IGBT通过所述排线与所述第一电容相连接。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：所述控制组件还包括IGBT控制电路板，所述IGBT控制电路板置于所述第二腔室内，一端接收所述主控件发出的命令，一端控制所述IGBT的通闭的状态。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：所述控制组件还包括第二电容，所述第二电容与所述第一电容相并联，且所述第二电容的电容量大于所述第一电容的电容量。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：所述排线包括第一母排、第二母排和第三母排；所述IGBT包括第一主端子、第二主端子、第三主端子、第一辅助端子和第二辅助端子；所述第一主端子与所述第一母排相连接，所述第二主端子与所述第二母排相连接，所述第三主端子与所述第三母排相连接；其中，所述第一主端子和所述第二主端子连接的是直流电，所述第三主端子输出的是交流电。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：还包括监控组件，所述监控组件与所述第三母排相连接，测量所述第三母排上电流，并反馈给所述主控件。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：所述监控组件包括电流互感器和电流控制板，所述电流互感器置于所述电流控制板上，且所述电流控制板与所述主控件相连接。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：所述控制组件还包括电感，所述电感设于所述第一母排和所述第二母排的前端，过滤输入电。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：所述箱体的外侧设有电源接入端和电源输出端，所述电源接入端分为电源正极和电源负极，所述电源正极与所述第一母排相连接，所述电源负极与所述第二母排相连接，所述电源输出端与所述第三母排相连接。
作为本发明所述并网逆变器的一种优选方案，其中：所述IGBT的数量为3个。
本发明的有益效果：使用阻抗法对并网逆变器进行分析与控制时，针对锁相环的建模与电网阻抗增加降低***稳定裕度的问题，本发明将锁相环进行小信号建模，通过检测LCL滤波器电容支路的电流，将其通过一个超前校正网络反馈给电流闭环控制器的输出端，可解决电网阻抗带来的***稳定裕度降低问题，显著提高并网逆变器的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中并网逆变器的整体结构示意图；
图2为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中隐藏了部分结构后的结构示意图；
图3为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中中隐藏了所述IGBT的整体结构示意图；
图4为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中三相LCL型并网逆变器拓扑及控制结构图；
图5为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中锁相环控制框图；
图6为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中包括锁相环在内的并网逆变器控制框图；
图7为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中包括锁相环在内的并网逆变器诺顿等效电路图；
图8为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中考虑锁相环前后，并网逆变器输出阻抗bode图；
图9为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中电网阻抗与逆变器等效输出阻抗比的奈奎斯特图；
图10为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中经过相位补偿后的并网逆变器控制框图；
图11为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中相位补偿后，并网逆变器的等效诺顿电路图；
图12为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中相位补偿前后电网阻抗与逆变器等效输出阻抗比的bode图；
图13为本发明并网逆变器提供的第一个实施例中理想电网(电网阻抗为零)下，并网***PCC电压与电流波形图；
图14为本发明并网逆变器提供的第二个实施例中并网逆变器中隐藏了所述隔板后的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
参照图1～图13，为本发明并网逆变器提供的第一个实施例，该实施例中的并网逆变器的主体包括箱体300、处理组件100、控制组件200，处理组件100和控制组件200均置于箱体300内，在本实施例中的处理组件100相当于人的大脑，控制组件200相当于人的手，两者之间互相联系。
具体的，参照图1～图3，箱体300包括隔板301，隔板301将箱体300的腔体隔成第一腔室302和第二腔室303。
处理组件100置于第一腔室302内，包括供电件101和主控件102，主控件102与供电件101相连通，供电件101给主控件102持续供电，主控件102将其输出的命令给控制组件200，让控制组件200动作。
控制组件200置于第二腔室303内，与主控件102连接，接受主控件102给出的命令。
控制组件200包括第一电容201、IGBT202、IGBT控制电路板205和排线203，IGBT202通过排线203与第一电容201项链连接，并于IGBT控制电路板205相连接。IGBT控制电路板205一端与主控件102相连接，听起支配，另一端与IGBT202相连接，支配IGBT202的开合状态。在这个关系链中，主控件102是大脑，IGBT控制电路板205是手，IGBT202是灯，通过大脑控制手，手去操作灯一样，主控件102控制IGBT控制电路板205上的电路，IGBT控制电路板205操作IGBT202的开合状态。
其中，控制组件200还包括第二电容204，第二电容204与第一电容201相并联，且第二电容204的电容量大于第一电容201的电容量。
需要说明的是，在本实施例中，优选为3个IGBT，每一个IGBT均分别与一个控制IGBT控制电路板205相连接，而每一个控制IGBT控制电路板205上均设有一个第二电容204，因此，第二电容204的数量也优选为3个。
应当说明的是，第二电容204和第一电容201位置不同，且作用不同。第一电容201的电容量较大，但是其运行速度较慢，第二电容204的电容量较小，但是其运行速度较快，两者在控制组件200相辅相成。因为第一电容201的电容量较大，因此采用一般的电容量较大的即可，而第二电容204的电容量较小且运行速度快，因此，优选为无感电容，对型号不限，能实现该效果即可。
在本实施例中，排线203包括第一母排203a、第二母排203b和第三母排203c，IGBT202包括第一主端子202a、第二主端子202b、第三主端子202c、第一辅助端子202d和第二辅助端子202e。第一主端子202a与第一母排203a相连接，第二主端子202b与第二母排203b相连接，第三母排203c与第三主端子202c相连接。
其中，第一主端子202a和第二主端子202b连接的是直流电，第三主端子202c输出的是交流电。因此，第一母排203a、第二母排203b分别连接外接电源的正极和负极，并通过第三母排203c输出。
其中，箱体300的外侧设有电源接入端304和电源输出端305，电源接入端304分为电源正极304a和电源负极304b，电源正极304a与第一母排203a相连接，电源负极304b与第二母排203b相连接，电源输出端305与第三母排203c相连接。
由于，逆变器在弱电网环境下，***的稳定性不好把握，所以在本实施例中采用阻抗的方式对并网逆变器进行改进。
如图4所示，图中，Vin为直流侧输入电压；L1为逆变器侧电感，Cf为滤波电容，R为与Cf进行串联的阻尼电阻，L2为电网侧滤波电感，它们共同组成具有无源阻尼性质的LCL滤波器；i1和i2分别为逆变器侧电流和并网电流；PCC为分布式电网公共耦合点；Zg是电网阻抗；Ug为电网电压；控制器采用PI控制；控制***通过锁相环获得与PCC电压同步的并网电流指令信号i2αβ *。其中锁相环采用基于同步旋转坐标系的软件锁相法(Synchronous ReferenceFrame Phase Locked Loop，SRF-PLL)，其控制框图如图5所示。
以α轴电流控制为例，图6所示为包括锁相环在内的并网逆变器控制框图。KPWM表示正弦脉宽调制环节，它取决于直流侧输入电压Vin与三角载波幅值Vtri的比值。Gc(s)为滤波电容与电阻组成的串联支路表达式：
整个框图包括两部分，一部分是并网电流单闭环控制回路，即并网电流基准值i2α *到并网电流ig的环路部分；另一部分是锁相环回路，即公共电压点电压UPCC通过锁相环到并网电流基准值i2α *的环路部分。因此，并网电流i2α可以表示为：
其中，
考虑锁相环对控制***的影响后，并网电流只受到公共电压点的影响，故可将其改写为如下形式：
其中，ZPLL(s)为锁相环回路的等效阻抗，Zo(s)为并网电流控制回路的输出阻抗，定义***的等效输出阻抗为Zinv(s)。因此，Zinv(s)是由锁相环等效阻抗ZPLL(s)与并网电流控制回路的输出阻抗Zo(s)并联而成，表达式如下。
图7所示为包括锁相环在内的并网逆变器诺顿等效电路。
首先分析Zinv(s)的稳定性。由图7可知，其与Zo(s)和ZPLL(s)有关。由于1/Zo(s)是在不考虑锁相环回路且电网阻抗Zg(s)＝0的前提下，已经预先按照稳定性标准设计完成，所以通常认为1/Zo(s)稳定；而ZPLL(s)为负阻抗性质，幅值与Gx1、Gx2、Im *、TPLL(s)有关。Gx1、Gx2由***固有参数决定，因此影响ZPLL(s)幅值特性和相位特性的变量是Im *和TPLL(s)。Im *越大，ZPLL(s)的幅值越小，由并联知识可知，ZPLL(s)对Zinv(s)的幅值影响越大，同时会导致Zinv(s)的相角越小，从而稳定性变差。因此，并网电流参考值Im *的选取不宜过大。
图8是并网电流控制回路输出阻抗Zo(s)和***输出阻抗Zinv(s)的bode图。从图中可以看出，锁相环的存在降低了输出阻抗的模值，而且在低频段还带来了相位滞后的问题，从而影响Zinv(s)的稳定性，这一问题可以通过对锁相环参数的合理设计得以解决。
其次，要考虑Zg(s)/Zinv(s)部分，该部分在满足奈奎斯特稳定性判据时才能保证并网逆变器的稳定性，即要求Zg(s)/Zinv(s)在幅值相等时有一定的相位裕度。设Zg(s)/Zinv(s)幅值相等时对应的频率为交截频率fi，则相位裕度PM为：
相应地，Zg(s)/Zinv(s)在nyquist曲线图中表现为与单位圆有至少一个的交点，这些交点与和原点形成的直线与实轴的负半轴的夹角即为相位裕度，如图9所示。从图中可以看出，随着电网阻抗的增加，相位裕度逐渐减小为负数，会增大交截频率附近的谐波，甚至造成并网逆变器***的不稳定。由于电网阻抗默认为纯感性，为了解决电网阻抗增大时造成的相位裕度减小问题，只能提升逆变器输出阻抗Zinv(s)的相角。
基于以上分析，本发明提出定义一个超前校正网络Gp(s)作为相角补偿函数来解决这一问题，表达式如下。选择将Gp(s)作为电容电流前馈通路上的反馈函数来实现相位的补偿，对应的控制框图如图10所示。
此时并网逆变器的等效输出阻抗为：
比较看出，相位补偿以后的输出阻抗分别在分子和分母上多了一项与Gp(s)有关的表达式，从数学角度分析，Zinv_p(s)可由Zinv(s)先串联Zc(s)，后并联Zb(s)得到，如图11所示。
其中：
因此，要实现对逆变器输出阻抗的相位补偿，应对Gp(s)的参数进行合理的设计。其基本原则是：基于现有的电网阻抗在线测量技术确定电网阻抗值，计算电网阻抗与逆变器输出阻抗在交截频率处的实际相位裕度值，然后将实际值与设定的相位裕度进行对比，基于差值来对Gp(s)中的z和p进行设计。
由于Gp(s)实现的是对相位的补偿，所以只对Gp(s)频率特性的相频函数进行分析：
根据实际实验条件下并网逆变器的额定功率，假定已经测量出电网阻抗为2mH。已知的电网阻抗和逆变器输出阻抗的bode图，如图12所示。在相位补偿前，Zinv(s)与Zg(s)在交截频率处对应的相位裕度约为-1.4°，这时的逆变器接近临界稳定状态，因此需要对相位裕度进行补偿。若假定最大补偿相角为45°，则补偿后的相角接近45°，可以在很大程度上减少谐波问题。
对Gp(s)频率特性的相频函数求导可以得出在ωm处存在一个最大的补偿相角
由图12读出ωm＝13446rad/s，设定联解上式得到p＝32465，z＝5568。同样图12可以看出，基于此设计出的经过相位补偿以后的输出阻抗与电网阻抗的交截频率几乎不变，而相位裕度为43°，基本上达到了想要的相位裕度补偿效果。同时，由于输出阻抗在中低频段的幅值增益几乎不变，保证了并网逆变器对电网电压的抗干扰能力。
图13所示为考虑锁相环对***的影响后，理想电网下的***稳态性能测试。可以看出，并网电流无明显低频振荡，说明并网***具有良好的稳定性。
参照图14，本发明并网逆变器提供的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是：逆变器还包括监控组件400，监控组件400与第三母排203c相连接，测量第三母排203c上的电流，并反馈给主控件102。
其中，所述监控组件400包括电流互感器401和电流控制板402，电流互感器401置于电流控制板402上，电流控制板402与主控件102相连接。
因为在本申请中的IGBT为3个，所以出来的第三母排203c应该是3个，并分别对应电源输出端305上的三个输出口。值得一提的是，在本实施例中的电流互感器401只采用了两个，通过电流互感器401测量出连接的两个电流，第三个通过减法间接得出，监测三个第三母排203c的电流值是否稳定。
较佳的，控制组件200还包括电感206，电感206设于第一母排203a和第二母排203b的前端，即第一母排203a和第二母排203b在分别于电源接入端304的正极、负极相连接时，通过电感206先过滤一下该直流电，避免干扰。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种并网逆变器，其特征在于：包括，
箱体(300)，包括隔板(301)，所述隔板(301)将所述箱体(300)的腔体隔成第一腔室(302)和第二腔室(303)；
处理组件(100)，置于所述第一腔室(302)内，包括供电件(101)和主控件(102)，所述主控件(102)与所述供电件(101)相连通，并输出给控制组件(200)；以及，
控制组件(200)，置于所述第二腔室(303)内，与所述主控件(102)连接，接受所述主控件(102)给出的命令。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征在于：所述控制组件(200)包括第一电容(201)、IGBT(202)和排线(203)，所述IGBT(202)通过所述排线(203)与所述第一电容(201)相连接。
3.根据权利要求2所述的并网逆变器，其特征在于：所述控制组件(200)还包括IGBT控制电路板(205)，
所述IGBT控制电路板(205)置于所述第二腔室(303)内，一端接收所述主控件(102)发出的命令，一端控制所述IGBT(202)的通闭的状态。
4.根据权利要求1～3任一所述的并网逆变器，其特征在于：所述控制组件(200)还包括第二电容(204)，所述第二电容(204)与所述第一电容(201)相并联，且所述第二电容(204)的电容量大于所述第一电容(201)的电容量。
5.根据权利要求2或3所述的并网逆变器，其特征在于：所述排线(203)包括第一母排(203a)、第二母排(203b)和第三母排(203c)；
所述IGBT(202)包括第一主端子(202a)、第二主端子(202b)、第三主端子(202c)、第一辅助端子(202d)和第二辅助端子(202e)；
所述第一主端子(202a)与所述第一母排(203a)相连接，所述第二主端子(202b)与所述第二母排(203b)相连接，所述第三主端子(202c)与所述第三母排(203c)相连接；
其中，所述第一主端子(202a)和所述第二主端子(202b)连接的是直流电，所述第三主端子(202c)输出的是交流电。
6.根据权利要求5所述的并网逆变器，其特征在于：还包括监控组件(400)，
所述监控组件(400)与所述第三母排(203c)相连接，测量所述第三母排(203c)上电流，并反馈给所述主控件(102)。
7.根据权利要求6所述的并网逆变器，其特征在于：所述监控组件(400)包括电流互感器(401)和电流控制板(402)，所述电流互感器(401)置于所述电流控制板(402)上，且所述电流控制板(402)与所述主控件(102)相连接。
8.根据权利要求6或7所述的并网逆变器，其特征在于：所述控制组件(200)还包括电感(206)，
所述电感(206)设于所述第一母排(203a)和所述第二母排(203b)的前端，过滤输入电。
9.根据权利要求8所述的并网逆变器，其特征在于：所述箱体(300)的外侧设有电源接入端(304)和电源输出端(305)，
所述电源接入端(304)分为电源正极(304a)和电源负极(304b)，所述电源正极(304a)与所述第一母排(203a)相连接，所述电源负极(304b)与所述第二母排(203b)相连接，所述电源输出端(305)与所述第三母排(203c)相连接。
10.根据权利要求2、3、6、7或9任一所述的并网逆变器，其特征在于：所述IGBT(202)的数量为3个。
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| CN201811166402.3A CN109245156B (zh) | 2018-10-08 | 2018-10-08 | 一种并网逆变器 |
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| CN109245156A true CN109245156A (zh) | 2019-01-18 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109802385A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-05-24 | 湖南大学 | 电压源型逆变器的阻抗建模方法 |
| CN114498643A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-13 | 上海电力大学 | 一种基于改进锁相环的并网电流谐波抑制的方法 |
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| KR101727741B1 (ko) * | 2016-08-26 | 2017-04-17 | (주) 동보파워텍 | 3 레벨 부스트 컨버터가 구비된 고효율 태양광 인버터 시스템 |
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