一种不平衡单周控制的三相并网逆变器及其调控方法

技术领域

本发明涉及并网发电逆变控制技术领域，具体为一种不平衡单周控制的三相并网逆变器。

背景技术

新能源发电是解决能源危机和环境污染的重要方式之一，以风电、光伏为代表的新能源发电方式在国内外得到快速发展，对于促进和实现碳达峰、碳中和发挥着重要作用，并已成为全球重要的能源产业，具有广阔的应用前景。随着新能源发电装机容量的大幅上升及其接入电网的比例不断增加，新能源并网发电系统与电力系统之间的相互影响不容忽视。中大容量的新能源发电系统主要采用三相并网逆变器作为接口向电网输送电能，并网逆变器作为新能源并网发电的关键设备，其并网运行性能的优劣尤其是电网不平衡故障工况下的运行特性直接影响新能源发电系统自身及电力系统的安全运行。

电网实际运行过程中，电网三相不对称及单相电压跌落故障时有发生，相关理论研究和实际工程实践表明此时采用各种平衡控制结构的三相并网逆变器直流侧电压则会出现波动和并网电流非正弦化畸变，继而又会引发逆变器并网功率波动，降低了新能源并网发电效率，增加了逆变器的谐波损耗，甚至会出现逆变器功率控制系统不稳定而烧毁逆变器以至新能源并网系统的运行崩溃；并网电流发生畸变将直接影响新能源发电并网系统的供电电能质量，污染电网，加剧电网的不稳定性，危及电网的安全运行。为维护电网稳定，可以预见，今后不具备克服电网电压不平衡故障的新能源并网设备将不被允许接入电网，因此新能源并网发电系统必须采用不平衡控制结构进行设计和生产。

综上所述，针对电网运行过程中经常发生的电网电压不平衡故障，三相并网逆变器亟需具备克服电网电压不平衡故障的运行性能，以提高其并网发电的输电质量和维护电力系统的稳定运行。因此，开展电网电压不对称工况下逆变器拓扑结构和控制结构的研究与创新，对稳定并网逆变器直流侧电压、抑制电网电流谐波、稳定并网功率和提高逆变器转化效率以及简化逆变器不平衡控制电路拓扑具有积极意义，具有较高的理论研究价值和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对三相电网不平衡工况下新能源并网发电系统运行稳定性问题，提出一种三相并网逆变器不平衡单周控制结构及其物理实现方法。针对电网电压不平衡工况，在传统逆变器单周控制系统的基础上，通过引入电网负序电压前馈控制抑制并网电流畸变和稳定并网有功功率以及控制逆变器直流侧电压稳定，提高并网逆变器在电网电压不平衡工况下的并网输电质量、运行效率和稳定性。

本发明的技术方案是：

一种不平衡单周控制的三相并网逆变器，包括：

三相逆变器功率电路，

以及不平衡单周控制系统，包括三相对应的电网负序电压前馈控制单元、电网反馈电流修正控制单元以及由直流电压控制器PI、定时复位积分器、三相对应的比较器和RS触发器构成的基础单周控制单元；

其中：电网负序电压前馈控制单元的输入端与逆变器直流电压传感器输出端、逆变器直流电压控制器输出端、三相交流电压传感器输出端、定时复位积分器输出端相连，所述的电网负序电压前馈控制单元的同相比较信号输出端与基础单周控制单元的对应相比较器的同相比较输入端相连，所述的电网负序电压前馈控制单元的电流修正信号输出端与所述的电网反馈电流修正控制单元的电流修正输入端相连；

所述的电网反馈电流修正控制单元的电流输入端与电网交流电流传感器输出端相连，所述的电网反馈电流修正控制单元的电流修正输入端与所述的电网负序电压前馈控制单元的电流修正输出端相连，所述的电网反馈电流修正控制单元的反相比较信号输出端与基础单周控制单元的对应相比较器的反相比较输入端相连；

三相对应的比较器信号输出端分别与对应的RS触发器相连，产生驱动信号以驱动三相逆变器功率电路中的开关器件进行开关动作。

进一步地，所述的电网负序电压前馈控制单元包括模数转换器AD、数模转换器DA、嵌入式微处理器MPU和运算放大器，所述MPU的时钟信号输出端与所述的定时复位积分器的复位端和RS触发器的置位端相连，AD作为所述的电网负序电压前馈控制单元的输入端与逆变器直流电压传感器输出端、逆变器直流电压控制器输出端、三相交流电压传感器输出端相连，AD和DA与MPU以串行或并行数据总线方式相连，DA的模拟输出端口作为所述的电网负序电压前馈控制单元的同相比较信号输出端和电流修正信号输出端，其同相比较输出端与基础单周控制单元中对应相比较器的同相比较输入端相连，其电流修正输出端与所述的电网反馈电流修正控制单元的电流修正输入端相连。

进一步地，所述的电网反馈电流修正控制单元包括运算放大器，所述的电网反馈电流修正控制单元的电流输入端与电网交流电流传感器输出端相连，所述的电网反馈电流修正控制单元的电流修正输入端与所述的电网负序电压前馈控制单元的电流修正输出端相连，运算放大器的输出端口作为电网反馈电流修正控制单元的反相比较信号输出端与基础单周控制单元中对应相比较器反相比较输入端相连。

进一步地，所述电网负序电压前馈控制单元和电网电流反馈控制单元构成的不平衡单周控制结构，其中对电压信号采用数字信号处理方法，对电流信号采用模拟信号处理方法。

进一步地，所述的定时复位积分器的时钟输入信号由MPU采用其内部定时器产生，同时该时钟信号输出至所述基础单周控制单元中RS触发器的置位端，所述的定时复位积分器的信号输入端与所述逆变器直流电压控制器输出端相连，所述的定时复位积分器输出端与所述的电网负序电压前馈控制单元中的运算放大器的同相输入端相连。

一种不平衡单周控制的三相并网逆变器的调控方法，三相并网逆变器运行于三相电网电压不平衡工况下，所述的电网负序电压前馈控制单元和电网反馈电流修正控制单元对三相基础单周控制单元中对应相比较器的同相比较端和反相比较端输入信号的修正形成负序电压前馈闭环控制，以抑制在三相电网电压不平衡工况下三相逆变器并网电流的畸变，控制逆变器直流侧电压稳定。

进一步地，所述电网负序电压前馈控制单元执行电网负序电压与直流电压比例计算，以及电流修正值计算；

基于电网负序电压和直流电压进行比例计算,将前述比例与所述定时复位积分器的输出信号采用运算放大器构成的减法电路进行相减生成同相比较信号，并传输至基础单周控制单元中比较器的同相比较输入端；

比例＝直流电压控制器输出值×(1+2×负序电压÷直流电压)；

基于电网电压和负序电压计算出电流修正值，并将电流修正值传送至所述电网反馈电流修正控制单元的电流修正输入端；

电流修正值＝0.5×并网电流限制系数×(电网电压–2×负序电压)。

进一步地，所述的电网反馈电流修正控制单元执行反相比较信号值计算：

基于电网实时电流和来自电网负序电压前馈控制单元的电流修正值采用运算放大器构成的减法电路进行减法计算生成反相比较信号，并传送至基础单周控制单元中比较器的反相比较输入端；

反相比较信号值＝电流修正值–电流取样电阻×电网电流。

本发明的有益效果：

本发明涉及不平衡单周控制的三相并网逆变器，在三相电网电压不平衡工况下，通过引入电网负序电压前馈控制抑制并网电流畸变，实现了并网电流的正弦化控制，提高了并网输电质量；

本发明涉及不平衡单周控制的三相并网逆变器，在三相电网电压不平衡工况下，抑制并网功率波动以稳定并网功率，提高并网逆变器在电网电压不平衡工况下的运行稳定性，为电网从电压不平衡故障中恢复提供必要支撑；

本发明涉及不平衡单周控制的三相并网逆变器，在三相电网电压不平衡工况下，通过控制并网逆变器直流侧电压稳定，有效降低逆变器的运行损耗，提高新能源并网逆变器的运行效率；

本发明涉及电网负序电压前馈控制单元和电网电流反馈控制单元构成的不平衡单周控制结构，其中涉及电压信号采用数字信号处理方法，具有较高的数据处理精度和灵活性，涉及电流信号采用模拟信号处理方法，具有较高的动态响应特性，同时可对逆变器开关器件形成可靠的过流保护。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更为明显。

图1为本发明的不平衡单周控制的三相并网逆变器总体结构图；

图2为本发明的不平衡单周控制系统的结构图；

图3为本发明的电网负序电压前馈控制单元结构图；

图4为本发明的电网反馈电流修正控制单元结构图。

具体实施方式

下面将参照附图1-4更详细地描述本发明的优选实施方式，虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，但是应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被此处阐述的实施方式所限制，以下重点阐述电网负序电压前馈控制单元和电网反馈电流修正控制单元构成的三相并网逆变器不平衡单周控制单元的实施方式，其余部分不属于本文的权利要求范畴，不展开说明。

本发明提供一种不平衡单周控制的三相并网逆变器，包括：由RS触发器、比较器、可复位积分器构成的传统逆变器单周控制单元部分；由电网负序电压前馈控制单元、电网反馈电流修正控制单元构成的不平衡单周控制单元；由电容C、滤波电感Lf和变流器构成的逆变器功率单元；

所述的电网负序电压前馈控制单元由AD、DA、MPU和运算放大器构成，同时MPU通过内部定时器输出定时时钟信号，为定时复位积分器复位和RS触发器置位，AD通过模拟输入端口采集逆变器直流侧电压值、直流电压控制器输出信号、三相电网电压值并进模数转换，MPU通过数字接口读取AD转换值并根据以上的计算规则进行计算，将计算结果的数字量通过数字接口输出至DA转换器，DA在其模拟量输出端口输出电流修正信号和电网负序电压与直流电压比例信号，电流修正信号输出至所述的电网反馈电流修正控制单元的电流修正输入端口，电网负序电压与直流电压比例信号输出至由运算放大器构成的减法电路与定时复位积分器的输出信号进行减法计算，由电网负序电压前馈控制单元中的运算放大器构成的减法电路的输出为同相比较信号，此同相比较信号输出至基础单周控制单元中比较器的同相比较输入端；

所述的电网反馈电流修正控制单元由高速运算放大器构成的减法电路，

运算放大器的同相输入端口作为电网电流信号的输入端，采集来自三相电网电流传感器的输出信号，运算放大器的反相输入端口作为电网负序电压与直流电压比例信号的输入端，采集来自电网负序电压前馈控制单元的电流修正信号，运算放大器输出反相比较信号，并传输至基础单周控制单元中比较器的反相比较输入端。

一种不平衡单周控制的三相并网逆变器的不平衡单周控制方法，包括：

所述MPU中实现的电网负序电压与直流电压比例计算，规则为：直流电压控制器输出×(1+2×负序电压÷直流电压)；

所述MPU中由软件方式实现的电流修正计算模块的计算，规则为：0.5×并网电流限制系数×(电网电压–2×负序电压)；

所述电网反馈电流修正控制单元由高速运算放大器构成的减法电路的计算，规则为：电流修正信号–电流取样电阻×电网电流。

实施例：

如图1、2所示，图1为不平衡单周控制的三相并网逆变器总体结构，其中包括不平衡单周控制系统和三相逆变器功率电路。

不平衡单周控制系统的控制结构如图2所示，不平衡单周控制系统主要包括直流电压控制器、电网负序电压前馈控制单元和电网反馈电流修正控制单元以及传统基础单周控制单元的定时复位积分器、比较器、RS触发器，此处直流电压控制器采用比例积分控制器(PI)，不平衡单周控制系统采集逆变器直流侧电压、三相电网交流电压和交流电流，经过不平衡单周控制系统的计算和处理后由RS触发器的3组互补输出端产生驱动信号以驱动三相并网逆变器的6只开关器件进行开关动作。

如图3所示，所述的电网负序电压前馈控制单元采用MPU、AD、DA和高速运算放大器进行设计，MPU可采用国产微处理器GD32F407，AD可采用并行模数转换器AD7656，DA可采用并行数模转换器AD5725，高速运算放大器可采用TL074和TL072，AD和DA可采用并行数字接口与MPU并行数据和地址总线相连，所述的电网负序电压前馈控制单元中的运算放大器根据电网负序电压前馈控制单元的模拟运算需求设计成减法器，计算步骤遵循以上计算规则，电路的参数物理意义如图3所标注，图3中R1＝R2，R3＝R4。

如图4所示，所述的电网反馈电流修正控制单元采用高速运算放大器进行设计，运算放大器根据电网反馈电流修正控制单元的模拟运算需求设计成减法器，计算步骤遵循以上计算规则，电路的参数物理意义如图3所标注，图3中，R1＝Rs，Rs为等效电流取样电阻，R2＝0.5*R3，R3＝R4。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。