小功率风电逆变电源关键技术应用研究.pdf

a b s t r a c t a tp r e s e n t f o s s i le n e r g i e s s u c ha sc o a l o i l n a t u r a lg a s a r es t i l lt h em a i np a r t so fe n e r g y c o n s u m p t i o n h o w e v e rt h er e s e r v e so ff o s s i lf u e l sa r ef a l l i n gg r a d u a l l ya n dw i l lb em i n e d o u t s o m e d a y w h i l es e r i o u sp o l l u t i o np r o b l e m sc a u s e db yc o n s u m p t i o no ff o s s i le n e r g yh a v e d r a w np e o p l e sa t t e n t i o n a sak i n do fg r e e ne n e r g i e s w i n dp o w e ri si n c r e a s i n g l ya t t r a c t e db y p e o p l e w i n dp o w e rg e n e r a t i o n e s p e c i a l l y t h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e rf o rw i n dp o w e r g e n e r a t i o nh a sb e c o m et h eh o ta n dd i 伍c u l tt o p i ci nt h ew o r l d i nt h er e 舀o n sw i t hr i c hw i n d r e s o u r c e sa n dl o wv o l t a g ep o w e rg r i d s m a l lw i n dp o w e rg ds y s t e mn o to n l yc a l li m p r o v e t h ew i n dp o w e ru t i l i z a t i o n b u ta l s oc a nb r i n gc e r t a i ne c o n o m i cb e n e f i t sf o ru s e r s a c c o r d i n g l y s m a l lw i n dp o w e r 鲥ds y s t e mi sa l li n e v i t a b l et r e n do fw i n dd e v e l o p m e n t aw i n dp o w e ri n v e r t e ru s e di ni n d e p e n d e n t g r i dd u a lm o d ei sp r o p o s e di nt h ep a p e r w h i c ha n a l y z e dt h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fd u a lm o d ei n v e r t e r c o n s i d e r i n gt h er e l i a b i l i t y c o s ta n dw o r ke f f i c i e n c y t h ea r t i c l ef i n a l l yc h o s et h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r ew i t hh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e rw h i c h i sa l w a y su s e df o rs m a l lp o w e r 鲥di n v e r t e r t h es y s t e mw a sd i v i d e di n t ot w op a r t sw i t hb o o s ta n di n v e r s i o nw h i c hw e r ea n a l y z e d d e e p l y b a s e do nt h ea n a l y s i so fc o n t r o lm e t h o d s s i n g l ep o l a r i t ys p w mw a sc h o s e nt o g e n e r a t et h ec o n t r o ls i g n a l sf o ri n v e r t e r a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n ts y s t e mw o r km o d e l d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sw e r et a k e n i no r d e rt oe n s u r et h el o c a ll o a dv o l t a g es u p p o r tw h e n t h es y s t e mo p e r a t e di n d e p e n d e n t l y v o l t a g ec u r r e n tc l o s e dl o o pw a su s e dt oc o n t r o lo u t p u t v o l t a g e w h e nt h es y s t e mr a ni nt h ec o m b i n e dg r i d c u r r e n td o u b l ec l o s e dl o o pw a sa d o p t e dt o c o n t r o lo u t p u tc u r r e n t v o l t a g ec o n t r o lm o d e w a su s e di nt h ei n d e p e n d e n to p e r a t i o nm o d eb yt h ei n v e r t e r w h i l e c u r r e n tc o n t r o lm e t h o di sa d o p t e di n 鲥do p e r a t i o n s oi ns w i t c h i n gp r o c e s so ft w op a t t e r n s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ta n ds e n s i t i v el o a d i t i sn e c e s s a r yt h a tt h ei n v e r t e rw o r k ss m o o t h l y a u t o m a t i c a l l ya n dr e l i a b l y d i f f e r e n ts w i t c h i n gm e t h o d sw e r ea n a l y z e da n da c o n t r o lm e t h o d u s e df o rt w os w i t c h i n gm o d e sw a sg i v e ni nt h ea r t i c l e m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nf o r d i f f e r e n ts w i t c h i n gm e t h o d sp r o v e dt h a tt h es w i t c h i n gm e t h o dc o u l dw o r kw e l l 1 1 1 er e a s o n s d a m a g e sa n dt h ed e t e c t i o nm e t h o d so fi s l a n dc a u s e di ng r i di n v e r t e rw e r e a n a l y z e d o nt h eb a s i so fa c t i v ef r e q u e n c yd r i f t a f d a ni m p r o v e da f d m e t h o dt h a ti sn o l o n g e rs u b j e c t e dt ot h ei n f l u e n c eo ft h el o a dc h a r a c t e r i s t i c sw a sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h ev a l i d i t yo ft h ei m p r o v e da f d a d d i t i o n a l l y h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f3 k ww i n dp o w e ri n v e r t e rw h i c hb a s e do n t m 3 2 0 f 2 8l2d s pw e r ec o m p l e t e di nt h ep a p e r k e yw o r d s i n v e r t e r g r i d c o n n e c t i o nm o d e s t a n d a l o n em o d e s e a m l e s st r a n s i t i o n i s l a n d i n gd e t e c t i o n 目录 第一章绪论 1 1 1 课题研究背景及意义 l 1 1 1 新能源分布式发电系统的应用 1 1 1 2 孤岛效应 2 1 2 独立 并网双模式逆变器的研究现状分析 3 1 3 分布式发电系统的并网标准与要求 3 1 4 论文的主要研究内容 5 第二章双模式逆变器系统电路结构分析及总体设计 6 2 1 双模式逆变器的基本原理 6 2 1 1 主电路拓扑结构比较分析 6 2 1 2 主电路逆变环节工作时序分析 7 2 2 双模式逆变器总体设计 9 2 3 滤波器的选择与设计 1 0 2 3 1 滤波方式的选择 1 0 2 3 2 滤波器参数设计 1 l 第三章双模式逆变器关键技术研究分析 1 3 3 1 逆变器控制技术概述 13 3 2 逆变器前级d c d c 控制策略研究 l5 3 3 并网模式下逆变器控制策略研究 15 3 4 独立模式下逆变器控制策略研究 1 8 3 5 独立 并网双模式切换算法研究 2 0 3 5 1 切换顺序分析 2 0 3 5 2 减少并网冲击的措施 2 l 3 5 3 双模式切换算法 2 l 3 6 孤岛效应检测算法研究 2 2 3 6 1 孤岛效应的产生 2 2 3 6 2 孤岛效应产生的危害 2 3 3 6 3 孤岛检测算法 2 3 3 6 4 改进型a f d 孤岛检测法 2 4 3 7 本章小结 2 6 第四章双模式逆变器系统控制算法的仿真研究与分析 2 7 4 1 逆变器前级d c d c 变换的仿真分析 2 7 4 2 逆变器并网运行的仿真分析 k 2 8 4 3 逆变器独立运行的仿真分析 3 0 4 4 逆变器双模式切换的仿真分析 3 l 4 5 孤岛检测的仿真分析 3 3 4 6 本章小结 3 5 第五章双模式逆变器主电路元器件选型及系统设计 3 6 5 1 双模式逆变器的设计指标 3 6 5 1 1 双模式逆变器的功能实现 3 6 5 1 2 双模式逆变器的设计参数 3 6 5 1 3 系统整体设计 3 6 5 2 双模式逆变器主电路设计 3 7 5 2 1 高频变压器的设计 3 7 5 2 2 主电路功率器件的选择 3 7 5 2 3 主电路功率器件外部电路设计 3 9 5 2 4 基于i p m 逆变器主电路设计 4 0 5 3 双模式逆变器控制电路硬件设计 4 l 5 3 1 主控芯片t m s 3 2 0 f 2 812 简介 4 l 5 3 2 控制系统外围采样电路设计 4 2 5 3 3 系统辅助电源设计 4 4 5 3 4c a n 通信电路设计 4 5 5 3 5 保护电路设计 4 6 5 4 双模式逆变器系统软件设计 4 6 5 4 1 系统的主程序设计 4 6 5 4 2 周期中断子程序设计 4 7 5 4 3 捕获中断子程序设计 4 8 5 4 4s p w m 算法程序设计 5 0 5 4 5 不同模式下逆变器控制策略的程序设计 5 2 s 5 本章小结 5 3 第六章总结与展望 5 4 6 1 总结 5 4 6 2 展望 5 4 参考文献 5 6 发表论文和科研情况说明 5 9 致谢 6 0 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 当前 能源消耗仍然以石油 煤炭以及天然气等化石能源为主 但化石能源不仅会 带来严重的环境污染 而且储量正逐步减少 不符合中国可持续发展的要求 为了适应 我国经济快速健康发展的要求 应对未来可能出现的能源危机 减少对环境的污染破坏 人们已经越来越关注对可再生能源的丌发与利用 目前对可再生能源的开发主要包括风 能 太阳能 水能 地热能以及生物质能等 而风能以其蕴藏量十分丰富 运行成本低 等优势 越来越受到人们的关注 并且国家 十二五 计划明确指出 下大力气解决好风 电接入电网与市场消纳问题 重视就地转化 i 吲 本文的研究工作针对既可工作于独立模式又可工作于并网模式下的双模式单相逆 变器 这种逆变器主要应用于新能源分布式发电系统 不仅最大限度的利用了风力机输 出的能量 也在一定程度上起到了电网调峰的作用 正逐渐成为小风电系统研究的热点 1 1 1 新能源分布式发电系统的应用 如图1 1 所示 将发电设备直接布置在负载的周围或者放置于配电网之中 就构成 了一个基本的分布式发电系统 d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n d g 它能够经济 可靠 稳定 地发电 作为电网的后备能量源 分布式发电系统被认为未来最主要的发电方式 它既 可组成小型电网对本地负载进行供电 也可并入主电网中向电网馈电 删 图1 1 分布式发电系统结构 采用分布式发电系统可以实现以下功能 第一章绪论 1 提高局部重要负载的供电可靠性 2 发生功率缺额时 可完成紧急调峰的任务 3 当主电网发生故障时 能够提供必要的备用容量 4 在一定程度上能够缓解主网改造扩容的压力 5 能够减少电压跌落等电网电能质量问题的发生等 在一些欧美国家 人们采取结合分布式发电系统与大电网系统的方式 不仅提高了 整个系统的灵活性和安全性 而且节约了投资 降低了能耗 随着对新能源的丌发利用的研究 利用j x l 能 水能 太阳能 生物质能等可再生能 源进行发电越来越受到人们的青睐 因此诞生了新能源分布式发电系统 如图1 2 所示 为新能源分布式发电系统结构图 新能源与并网逆变器组成了一个分布式发电系统 与 电网相结合不仅保证了对局部负载提供能量 而且可将多余电量馈入电网 2 p c c 卜 新能源 八 i t li 并 c l 淼分布式发电系统 l 局部负载 1 1 2 孤岛效应 闰1 2 新能源分布式发电系统结构 所谓孤岛效应 是指当电网出现故障而无法正常提供电能时 d g 仍向电网进行馈 电 这样就会形成一个电力公司不能干预的自给供电的孤岛 因此会带来安全隐患等问 题 根据i e e es t d9 2 9 2 0 0 0 t 7 和u l1 7 4 1 1 8 对反孤岛效应的要求 所有具有并网功能逆 变器必须具备孤岛检测的功能 孤岛效应在带来一系列不利影响的同时 若在一定条件下利用孤岛 可更高效率使 分布式发电系统利用能源 在电网j 下常的条件下 分布式发电系统工作在并网发电状态 不仅保证了本地负载的讵常供电 而且可将多余的电能馈入电网 提高了分布式发电系 统的利用率 当电网发生故障时 将其迅速切离电网并以独立供电的状态运行 不仅不 会对电网带来隐患 而且可为本地关键性负载供电 保证了用电设备的安全性卜 因此 研究可工作于独立 并网双模式运行的逆变系统对电网公司 分布式发电系统 发电商以及用户都是有利的 第一章绪论 1 2 独立 并网双模式逆变器的研究现状分析 对逆变器工作于独立模式时 研究起步较早 技术已较为成熟 目前研究重点是逆 变器的并网运行模式 研究方向包括对新型电路拓扑结构的研究 并网电流控制策略的 研究 孤岛检测的研究等 除此之外 针对逆变器在独立运行模式与并网运行模式之间 切换过程的控制也是热点之一 1 国外小风电产业的发展现状 由于研究起步较早 在r 本 英国 美国等发达国家 电网发展已趋于完善 发达 国家对小风电系统的主要利用形式为并网发电 它是当前可再生能源与环保措施中发展 最快的领域之一 可为电力用户降低电费支出 在北美和欧洲这种技术已经非常成熟 由于j x l 电运行成本仅为太阳能发电的三分之一 人们在靠近负载的电网中接入一台小型 风力发电设备 构建一个小型的分布式发电系统 在满足自身需要的同时可将多余电能 馈入电网 因此 小风电并网技术被广泛推广应用i l 2 b j 2 国内小风电产业发展现状 受国家现阶段法规 政策的影响 国内对小风电并网问题的研究起步较晚 目前国 内的小型j x l 电并网系统用户多采用 并网不上网 形式 即风电系统只对本地负载提供能 量 多余的馈入电网的能量不进行经济补偿 因此 使小风电系统的用户大大减少 阻 碍了小风电并网技术的研究 随着2 0 0 6 年实施的 中华人民共和国可再生能源法 及 后续法规的出台 放宽了对小风电系统并网的要求 大大推动了小风电领域的发展 伴 随着相关法律政策的进一步完善 小风电系统的并网必将成为现实i i 4 b j 3 逆变电源常用拓扑研究现状分析 根据升压方式的不同 可将逆变器主电路分为三类 即 工频变压器形式逆变器 无变压器形式逆变器 高频变压器形式逆变器 1 6 l 根据输入电压的大小 无变压器形式 逆变器又可分为b u c k b o o s t 电路形式以及双b u c k 形式等i i 4 逆变电源控制策略研究现状分析 当逆变器工作于独立运行模式时 主要作用是为本地负载提供电压支持 因此一般 采用的控制策略是电压电流双闭环控制 其中根据电流采样信号的不同 可分为两种控 制方式 即 电感电流反馈控制与电容电流反馈控制 当逆变器工作于并网模式时 主要包括四种控制方式 即电压源电压控制方式 电 压源电流控制方式 电流源电压控制方式 电流源电流控制方式i i 也憎j 1 3 分布式发电系统的并网标准与要求 随着分布式发电系统的发展 为满足不同分柿式发电系统接入电网的需求 国外相 关组织制定了一系列的并网标准与要求 其中 在2 0 0 3 年6 月i e e e 标准制定委员会第 一个针对风电及光伏发电等分布式发电系统制定了i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 标准 i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 是针对频率6 0 h z 容量小于1 0 m v a 的分柿式发电系统 由于 第一章绪论 国内采用频率为5 0 h z 的市电标准 因此可将本标准按比例修改后作为参考 并网标准 包括 电网电压异常范围与响应时i h j 标准 频率异常范围与响应时问要求 并网电流谐 波要求标准 并网同步要求标准 以及输出电压谐波要求标准等 2 0 1 电网电压异常范围与响应时l 目j 标准 根据i e e es t dl5 4 7 2 0 0 3 的规定 将电网电压的正常范围规定为标准电压的 8 8 l1 0 若超过正常范围 逆变器必须及时检测出来并脱离电网 标准如表1 1 所 示 表1 1 电网电压异常时并网系统响应时间标准 电压范隔 标准l 乜压的白 分比 响应时间 s v 5 0 v 5 0 v v 8 8 1 1 0 v v 1 2 0 v t v 1 2 0 o 1 6 2 o o 1 o o 0 1 6 2 频率异常范围与响应时问要求 i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 规定 频率为6 0 h z 的分布式发电系统 频率正常范围为 5 9 5 硼 5 h z 由于容量大小不同 在功率大于3 0 k w 的系统中数据范围可变 具体标准 如表1 2 所示 表1 2 电网频率异常时并网系统的响应时间标准 3 并网运行时并网电流谐波标准 i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 规定 在并网运行时 不允许分布式发电系统对电网带来谐波 污染 具体谐波技术标准如表1 3 所示 表1 3 并网系统输山电流的谐波技术标准 4 并网运行时频率 相位同步要求 i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 规定 当分布式发电系统并网运行时 其频率 相位必须与电 网电压同步 且在并网i j i 必须使输出电压幅值跟踪电网电压 爿 能允许系统与电网连接 工作 具体技术指标如表1 4 所示 第一章绪论 表l 4 并网系统与电网同步的技术标准 5 输出电压谐波要求标准 i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 规定 当分布式发电系统工作在独立运行模式时 电压谐波要 求标准如表1 5 所示 表l 5 分布式发电系统输出电压谐波技术标准 1 4 论文的主要研究内容 本课题主要研究可工作于独丑并网双模式的逆变器的关键技术 研究工作主要针对 功率为3 k w 的风电逆变系统 论文主要包括以下内容 1 分析逆变器的常规电路结构及其工作机理 设计出针对本文小风电系统独立 并网双模式运行的逆变电源装置 2 利用m a t l a b 软件建立起3 k w 小风电逆变系统的仿真模型 提出逆变器的 d c d c 变换 并网运行模式 独立运行模式下的控制策略 并进行仿真 3 针对逆变器在独立运行模式与并网运行模式的切换过程 设计出一套包括并 网过程与脱网过程的完整的模式切换的控制策略 即无缝切换算法 以实现切换过程中 关键性负载上的电压平滑过渡 减少对电网的冲击 4 对孤岛检测算法的研究 在分析常用的主动式孤岛检测与被动式孤岛检测存 在问题的基础上 采用了一种改进式的主动频率偏移算法 并进行m a t l a b 仿真 本 算法能够不受负载特性的影响 在规定时问内完成孤岛的检测 5 完成了综合性能相对优化的基于d s p 的功率为3 k w 的小风电逆变电源的硬件 设计与软件设计 第一二章舣模式逆变器系统电路结构分析及总体设计 第二章双模式逆变器系统电路结构分析及总体设计 目前市场上的逆变器 基本上只利用了逆变器的单一用途 即 独立运行供电 或 者只作并网逆变器使用 当逆变器独立运行供电时 若负载较轻则不能将多余的电供给 远程负载来使用 所以不能高效地利用设备 由于小型风力发电系统受风速 电网状况 等一系列条件的影响 需要它能工作在独立与并网双模式下 从而提高系统的可靠性 可再生能源利用率以及功率密度 当条件满足并网标准时 逆变器工作在并网模式下 逆变器可将多余的电能送至电网供给远程负载使用 提高了系统的利用率 而当电网不 正常或者系统达不到并网标准时 逆变器工作在独立运行模式 为本地负载提供电能 从而满足本地负载的用电需求 2 1 双模式逆变器的基本原理 2 1 1 主电路拓扑结构比较分析 逆变器根据输入与输出是否隔离 可分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器 隔离方 式可采用在a c 输出侧加入低频隔离变压器的方式 或在d c 输入侧加入d c a c d c 结 构的高频变压器的方式i z 根据升压方式不同 逆变器的主电路拓扑结构可分为三种不同形式 即 采用工频 变压器的逆变器主电路形式 不采用变压器的逆变器主电路形式 i 刀以及采用高频变压器 的逆变器主电路形式瞄j 采用工频变压器形式的逆变器主电路如图2 1 所示 它由工频p w m 逆变环节 工 频变压器环节和输出滤波器组成 此类逆变器采用工频变压器实现输入与输出的隔离 前级电路一般采用推挽式电路结构 当推挽电路工作时 推挽电路的上下两只对称的功 率开关管每次只导通一只 所以这使得开关管的导通损耗较小 但是由于工频变压器的 存在 使此类逆变器不仅体积与重量加大 音频噪声较高 而且影响了逆变器的响应速 度 会使逆变器输出波形发生严重的畸变 此外 此种逆变器带非线性负载的能力较差 j 蚂 rt 工频p 删开关部分工频变压器 图2 1 采用l 频变压器形式的逆变器土电路 6 负 载 第二章舣模式逆变器系统l 也路结构分析及总体设计 图2 2 所示为不采用变压器的逆变器主电路 它由升压环节 工频p w m 逆变环节 以及输出滤波器组成 相对于工频变压器形式逆变器的主电路 此种逆变器的优点是体 积小 重量轻 但是结构较为复杂 并且输入与输出问未进行信号隔离 根掘直流输入 电压的大小不同 此类逆变器的升压环节可替换为b u c k 电路 双b o o s t 电路 b u c k b o o s t 电路等 来满足负载的需要 纠牛 将 一十e rt1t 升压部分工频p 删开关部分 图2 2 不采用变压器的逆变器主电路 负 载 如图2 3 所示所示为采用高频变压器形式的逆变器主电路结构 它由五部分组成 高频开关部分 高频变压器部分 整流器部分 工频逆变器部分以及输出滤波器部分 这类逆变器的突出特点是采用高频变压器进行输入输出问的隔离 从而克服了传统工频 变压器体积和重量大的缺点 并且使逆变器性能得到了很大提升 其工作原理为 风力 机输出的低压直流电先逆变为高频矩形波 经升压整流得到电压相对较高且稳定的直流 母线电压 最后通过工频逆变器和输出滤波器变换成满足负载需求的工频交流电 弋 蝎 rt 一 一1 j j 么 l 将 t 1t 高频开关部分 s p w m 逆变 图2 3 采用高频变压器的逆变器主电路 负 载 综合相关电路的特点与本课题特定的应用背景考虑 本文选取图2 3 所示的采用高 频变压器的逆变器主电路 对输入输出信号进行升压隔离 2 1 2 主电路逆变环节工作时序分析 在工频逆变环节的选择上 与半桥逆变电路相比 全桥逆变电路可达到最大功率输出 且 第 二章舣模式逆变器系统电路结构分析及总体i 5 2 计 逆变输出波形较好 根掘直流侧电源性质的不同 逆变电路又可分为两种 即 直流侧是电压 源的电压型逆变电路和直流侧是电流源的电流型逆变电路 由于在电流型逆变电路中 为了得 到稳定的直流电流 直流侧需要串联一个容量较大的电感 这样系统的动念响应能力会大大减 弱 因此本课题选用电压型全桥逆变电路 如图2 4 所示 一厂 r n q je3 帅2 j k 1 本d 2 j c q j 巨孑 3 q 4 je l 本d 4i l jl l il 图2 4 单相全桥逆变电路 负 载 当逆变器工作于独立运行模式时 属于无源逆变 并网运行模式时属于有源逆变 无论是 工作在独立模式还是并网模式 本文均采用带有电压 电流瞬时值反馈的单极性s p w m 控制策 略 在图2 4 所示的电路中共有四种工作状态 2 3 1 如图2 5 所示 c 虻 负 囊 负 戴 图2 5 全桥逆变电路 i 作状态图 负 复 负 蠢 上图中 a b 逆变器工作在正弦波的证半周期 c d 工作在负半周期 图2 5 a 所示表示功率器件q 1 与q 4 导通的情况 直流侧电压加剑负载的两端 导通 后电流增大 输出电感l 电流增大 储存能量 图2 5 b 所示表示功率器件q l 导通与d 2 续流的情况 此时输入的直流电会对滤波电 容进行充电 而滤波电感的存在 使得电流不能发生突变 因此负载电流的流向是通过功率器 件q l 与续流二极管d 2 组成的回路续流 而负载两端所加的电压为零 图2 5 c 所示表示功率器件q 2 与q 3 导通的情况 直流侧电压反向加到负载的两端 第二章烈模式逆变器系统电路结构分析及总体设计 导通后反向电流增大 图2 5 d 所示表示功率器件q 3 导通与d 4 续流的情况 同样此时输入的直流电会对滤 波电容进行充电 而滤波电感的存在 使得电流不能发生突变 因此负载电流的流向是通过功 率器件q 3 与续流二极管d 4 组成的回路续流 而负载两端所加的电压为零 2 2 双模式逆变器总体设计 图2 6 小风电系统域模式逆变器总体设计 i 乜 网 本文设计的小风电系统双模式逆变器的总体结构如图2 6 所示 逆变器采用先进的p w m 调制技术 2 4 1 能够灵活地对系统的有功功率与无功功率进行调节 降低了功率器件的开关损耗 大大地提高了系统的工作效率 保证了逆变器系统的并网功率能够达到最大化 本系统主要包括 d s p 主控制器模块 逆变驱动电路模块 逆变电路模块 直流电压采样 单元 并网电流采样单元 电网电压电流采样单元以及升压变流单元等 各模块的功能如下 1 d s p 主控制器模块 主控模块采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片 该芯片是目前控制领域最高性能的处 理器 精度高 速度快 集成度高 可以为小风电并网系统提供高性能以及价格适中的 解决方案 2 5 1 其主要作用 1 实现全数字锁相功能 保证了逆变器输出的并网电流与电网电压能够同频 同相 同幅 2 通过控制输出s p w m 脉冲周期的大小 达到调节输出频率的目的 通过加 减驱动脉冲的宽度 达到调节逆变器输出电压大小的目的 3 可以产生i g b t 所需的驱动脉冲信号 4 实现过压 过流 欠压 短路 断电等保护功能 第二章舣模式逆变器系统l 乜路结构分析及总体殴计 2 逆变驱动电路模块 1 放大d s p 输出的p w m 信号 使之能够保证i g b t 的证常导通与关断 2 可以使d s p 模块与p w m 信号之i 日j 能够实现电气隔离 提高了系统的可靠性 3 具有电路保护功能 能够封锁丌关管的脉冲信号 并且具有过流信号处理的 能力等 3 逆变电路模块 1 整流模块输出的直流电经四个i g b t 的通断 将直流电逆变成交流电 2 电路保护功能 当发生短路 开关管的直通或者输出过载等状况时 可引发 保护电路的动作 从而保护其余器件不会受到损坏 4 直流母线电压采样单元 1 对直流母线电压进行采样 判断当前是否能够满足并网的要求 2 在系统j 下常运行时 可为整个系统提供j 下确的参数与指标 当发生故障时 会产生一个故障报警信号 并进行相应处理 即 通过继电器的开关控制i g b t 驱动电 路模块 并使d s p 封锁p w m 输出脉冲信号 5 并网电流采样单元 1 实现过流 过压 欠压及断电保护 2 从电流互感器得到交流采样信号 若采样信号大于设定值 则启动保护电路 6 电网电压电流信号采样单元 1 对电网的频率与相位信号进行采样 采样结果送至d s p 的捕获引脚 d s p 通 过调用软件锁相程序保证逆变器输出s p w m 信号与电网电压的频率与相位保持同步 2 将采样得到的电网电压的幅值信号进行a d 转换 d s p 调用s p w m 控制算法 调节占空比 达到调节输出电压的目的 7 升压变流单元 此部分主要功能是将风力机输出的直流电先逆变成高频交流电 然后经高频变压器升压 整流后为工频逆变模块提供稳定的直流母线电压 2 3 滤波器的选择与设计 2 3 1 滤波方式的选择 逆变器中常采用的滤波器有三种 即 l 型 l c 型及l c l 型 如图2 7 所示 三 种方式各有优缺点 需根据实际需要来选择 第二章舣模式逆变器系统i 乜路结构分析及总体设计 q 一 一 一 t 寸一 图2 7l 型 l c 型 l c l 型滤波器 图2 7 a 所示的单l 滤波器是一阶滤波器 结构简单 滤波效果差 在并网逆变 器中经常使用 而在逆变器独立运行时受其滤波效果的影响而很少使用 图2 7 b 所示的l c 滤波器是二阶滤波器 其滤波效果较好 逆变器独立运行时 常使用这种滤波器 此时滤波电容可对整个系统提供无功电流 若采用电压电流双闭环 的控制策略 则能够保证在空载时系统能够稳定地工作 而逆变器工作在并网运行模式 时 这种滤波器的滤波性能亦能满足系统的要求 图2 7 c 所示的l c l 滤波器是三阶滤波器 滤波效果较好 且在逆变器并网运 行时经常使用 2 6 2 7 1 但当逆变器独立运行时 则不宜选用l c l 滤波器 如图 c 所示 的l c l 滤波器中 若负载接在a 点 即电容两侧 那么并网运行模式时负载两端电压 与电网电压不同 若此时电网电压较高 则此时负载可能会出现不能正常工作的情况 并且也会对电网引入谐波 若负载接在b 点 即电感端 那么逆变器在独立运行模式时 要求输入较高的直流母线电压 使系统的整体效率下降 故在要求双模式运行的逆变器 中 此类滤波器不适合选用 由于本文所设计的逆变器要求既可工作在独立运行模式 又可工作在并网运行模 式 根据i i 面的对比分析 选用l c 滤波器 2 3 2 滤波器参数设计 由于l c 滤波器属于低通滤波器 若谐波频率高于其转折频率 则以4 0 d b d o c 的衰 减频率衰减 而当开关频率z 大于转折频率以时 及其附近频带的谐波会受到l c 滤波器较强的抑制作用 本文中的开关频率正 2 0 k h z 我们选取转折频率为z 的l 1 0 则 五丽1 2 眦 2 1 电感的最小值受滤波器的电流纹波影响 它们存在以下的关系 小掣 掣 2 2 第二章双模式逆变器系统i 乜路结构分析及总体没计 其中 是纹波电流 u d 是直流母线电压 是交流输出瞬时电压 l 是滤波电 感 d f 是占空比 由于丌关管的丌关频率远大于工频频率 所以得到 u o o u d d 0 0 一d o 0 2 3 由于本文采用单极性逆变方式 故每个开关周期的占空比为 将其代入到 2 2 中得到 圳 岩 所以当 f 誓时纹波电流最大 址 一 砑u d 2 4 2 5 2 6 由于开关频率的限制 电感l 不能取的太小 否则会因电流波动太大而使输出谐波 大 无法j 下常工作 所以电感取值需满足 丝 4 l 一 2 7 综合滤波电感最大电流脉动 系统动态响应性能以及成本等因素考虑 选取 l i 5 m h c 4 2 u f 盟鹏 d 一 弩 第二章舣模式逆变器犬键技术研究分析 第三章双模式逆变器关键技术研究分析 对逆变器关键技术的研究分析 本文从以下几个方面进行 逆变器前级d c d c 变 换器控制策略 逆变器分别在独立 并网模式下的控制策略 两种模式i 日j 的无缝切换技 术 实现与电网电压同频同相的锁相环技术 针对分布式发电系统的孤岛检测技术 3 1 逆变器控制技术概述 由于逆变器本身既可被看作一个电流源 也可被看作一个电压源 根据控制方式的 不同 逆变器控制技术可分为电流源电流控制 电流源电压控制 电压源电流控制以及 电压源电压控制四种 但当把逆变器看作是电流源时 会大大降低逆变器的动态响应能 力 因此 目l j 普遍采用把逆变器看作一个电压源的控制方式 当逆变器工作在独立运行模式时 主要目的是对本地负载提供电压支持 保证负载 的正常运行 因此必须控制输出电压保证电压的稳剧2 8 2 9 当逆变器工作在并网运行模 式时 可以把电网看作一个大的电压源 控制方式分为电压控制与电流控制两种 若采 用电压控制 那么可以把小风电系统与电网看成是两个电压源的并联 受电网电压的钳 制作用 逆变器的输出电压很难得到精确的控制 而且还有可能出现环流 而采用电流 控制时 我们只需保证逆变器输出电流的频率 相位与电网电压的频率 相位同步 就 可以实现系统的j 下常运行 因此 电流控制方式比较容易实现 逆变器并网运行时通常 采用这种控制方式1 3 2 1 综上所述 本文设计的逆变器工作在独立运行模式时采用的控 制方式为电压源电压控制 并网运行模式时采用的控制方式为电压源电流控制 当逆变器工作在并网运行模式下 对电流的控制一般分为间接电流控制方式和直接 电流控制方式 3 3 3 4 1 所谓间接电流控制是指通过调节交流侧输出端电压的幅值和相位来 实现调节输出电流的目的 白j 接电流控制的优点是控制方法比较简单 容易实现 但 是会使系统的电流响应比较慢 只适用于对系统的动态响应能力要求不高的场合 不适 合本文的小风电逆变系统 直接电流控制是指将参考谁弦波直接作为交流侧输出电流给 定 调节输出电流的控制方式 这种方式电流相应速度较快 且稳定性高 在直接电流 控制方式中 常采用的控制方法有 双闭环电流控制 滞环电流控制 神经网络控制 模糊控制 重复控制 空j 日j 矢量控制等 均能得到良好的电流输出 但在实际系统中有 些控制方法因算法与控制结构复杂而不常被采用 电流跟踪控制技术是把实际电压电流波形作为反馈信号 与给定的瞬时值比较来决 定功率丌关管的通断 实时跟踪指令信号 常采用滞环控制和s p w m 控制方式 1 电流滞环控制方式 电流滞环控制方式原理如图3 1 所示 第二章舣模式逆变器关键技术研究分析 滞环比较器 图3 1 电流滞环控制原理图 指令电流f 跟并网电流f 相比较 两者只差 f 经滞环比较器产生p w m 控制信号 来驱动电路控制功率开关管的通断 从而控制f 跟随f 耐变化 3 5 这样通过宽度为2 f 的 滞环比较器的控制 使并网电流f 在o 越和f 硝 茁之间呈锯齿状地跟踪i o n 所以 滞环宽度对系统的跟踪性能影响较大 若宽度过大 则开关频率低 跟踪误差较大 反 之 则跟踪误差小 开关频率较高 甚至超过开关管的允许频率范围 这种控制方式控制方法简单 响应快 硬件实现较简单 但滞坏比较器使开关频率 不固定 开关损耗较大 2 s p w m 控制方式 s p w m 控制技术 s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 的控制思想是 使每个矩形 脉冲的面积跟相对应的j 下弦波电压呈现讵比例的关系 从而获得一系列幅值相等而宽度 不相等的脉冲序列 这样就能保证逆变器输出电压波形接近j 下弦基准电压p 州 s p w m 控 制方式的原理如图3 2 所示 三角波 图3 2s p w m 控制原理图 s p w m 的控制原理是 并网电流的采样信号f 与指令信号f 一相比较 二者之差送 入到p i 调节器中 p i 调节器的输出与三角波相比较 从而得到一系列的p w m 控制信 号 经驱动电路放大后便可控制丌关管的导通与关断 其中p i 调节器的参数直接影响 着逆变器的电流跟踪特性 这种控制方式功率丌关管的丌关频率足固定的 等于载波频 率 与电流滞环控制方式相比 这种方式输出电流谐波含量少 适用于谐波和噪声要求 较严格的场合 第二章舣模式逆变器关键技术研究分析 3 2 逆变器前级d c d c 控制策略研究 q j 唪叱j 串 斗幸 图3 3 单相两级双模式逆变器结构 本文所选用的单相三级式逆变器电路结构如图3 3 所示 前级d c d c 变换器的主 要作用是把小j x l 机输出的直流电压升高 主要由输入电容 带续流二极管的i g b t 管 高频变压器 整流器以及直流侧滤波器组成 本文中d c d c 变换器采用电压瞬时值反馈控制 控制系统结构图如图3 4 所示 直流母线电压 的采样信号 与电压基准 作差后经电压调节器g 调节输出后与三 角波比较产生p w m 控制信号 来控制丌关管的通断 p w m 控制与变换器可看作是一 阶滞后环节 延时时间取开关周期的一半 即乃 k 是p w m 控制器的放大倍数 一 z 口 是电压反馈系数 图3 4 前级d c d c 变换控制框图 3 3 并网模式下逆变器控制策略研究 当逆变器工作在并网运行模式时 一般采用电流单环控制的策略便可实现并网电流 与电网电压同频同相 但由于本文选用l c 滤波器 故电容的存在将使并网电流与电感 电流存在一定的相位差 3 7 j 8 1 并网电流f 电感电流吒与电容电路f c 之间存在如图3 5 所示的关系 第三章舣模式逆变器关键技术研究分析 名 电嘲 图3 5l c 滤波器电流关系向苗图 易 名 从上图中可以看出 电感电流f 的相位幅值受到并网电流f 电网电压v g 的变化的影 响 必须时刻调整t 给定的幅值与相位才能保证f 与v g 同频同相 所以这罩我们采取电 感电流和并网电流双闭环的控制方法来保证输出电流不受电感电流的影响 控制方式框 图如图3 6 所示 图3 6 逆变器并网模式下控制框图 控制原理是 并网电流的采样信号 与电流基准信号f 相比较 输出的误差信号经 外环电流调节器g f l g 的输出信号作为内环的电流基准f f 与电感电流反馈信号i 的误差信号经电感电流调节器g 的输出信号后与三角波比较产生p w m 控制信号控制 开关管的通断 其中 k 是p w m 控制器的放大倍数 与c 为滤波电感 滤波电容 口 是并网电流反馈系数 厉是电感电流反馈系数 由电流内环简化结构可得内环开环传递函数为 将内环电流调节器设计为比例调节器 即 3 1 3 2 第j 章舣模式逆变器火键技术研究分析 内环变为i 型系统 故传递函数为 帅 莉k n f l 2 k p 2 与 其惝 半件乃 取k 正 0 5 则调节器放大系数为 内环传递函数为 k 瓦l 西2 3 3 3 4 叭加南t ks21 毒2 南 3 5 这样 把双闭环系统简化后 外环开环传递函数为 呸 哪 2 南x g f l 若系统设计为i 型系统 则外环电流调节器设计为积分调节器 即 因此 外环传递函数为 1 i n c 1 5 1 7 2 2 哪 2 磊南2 高 其中 k 2 丽o t 2 丁 f 上 由k t o 5 得 3 6 3 7 3 8 第二章舣模式逆变器犬键技术研究分析 3 9 把z 2 0 k h z r s 5 0 u s k 4 0 0 口2 0 9 9 厥 0 0 1 厶 1 5m h c 2 4 2 u f 代入 3 5 和 3 5 得k p l 7 5 9 9 m s 3 4 独立模式下逆变器控制策略研究 当逆变器工作在独立运行模式时 主要是为本地负载提供电压支撑 保证本地负载 的正常运行 因此需要控制逆变器的输出电压 3 8 因此我们采用输出电压外环与电感电 流内环的双闭环控制策略 如图3 7 所示为本文设计的逆变器在独立运行模式时的控制 系统原理图 控制原理是 输出电压的采样信号屹 与电压基准信号v 二相比较 得到的 误差信号送入电压调节器g 以 g 以的输出信号作为电流内环的基准信号f 电感电流 反馈信号f 与f 相比较 得到的误差信号送入电感电流调节器g g 的输出信