一种并网逆变电源的并网控制方法与流程

本发明涉及电力电子装置控制技术领域，特别是涉及一种并网逆变电源的并网控制方法。

背景技术：

随着环境问题与能源问题越来越受到关注，分布式发电，尤其是可再生能源分布式发电技术发展迅速，成为各国能源供给的重点发展方向。传统的电网是由大型发电厂集中发电，通过电网将电能输送和分配到分散各用户进行使用，存在设网损失大，输配电成本高等问题，而可再生能源通常具备发电功率密度小、间歇性及随机性大，采用传统的集中发电方式需要占用大量的面积，而且由于发电的间歇性使得电能的调度和输送带来很大问题，经常出现脱网或者弃电等情况发生，即对电网的安全造成影响，对可再生能源的利用效率也不高，因此可再生能源大规模利用比较适合大规模的分布式发电形式。目前世界各国在进过可再生能源集中电站发电模式以后，都在大力推广分布式发电形式。在用户侧附近根据可再生能源的形式发展分布式发电，直接给用户供电，无需经过输电和配电过程，大大降低电能输送损耗，而且能够提高供电的可靠性。

分布式发电系统的渗透程度不断提高，如基于新能源的分布式发电系统。因此，电力公司也面临着因并网造成电能来源日益增多的巨大挑战。下列挑战，如确保电压调整率、系统稳定性及标准限值内的电能质量等，是这些问题的核心。

灵活交流输电系统装置针对这些提出了一个可行的解决方案，它被越来越多地应用到世界各地的电力系统中。在这里，灵活交流输电系统装置指与电力电子控制器及其他静态控制器组合以提高可控性及功率传输能力的交流输电系统。灵活交流输电系统装置通常用于下列目的：

控制电压：怎讲或控制电线电力传输能力，并防止回流，提高系统瞬态稳定性限值，提高系统阻尼，减少次同步谐振，缓解电压不稳，限制短路电流，提高高压直流输电变流器终端性能，风力发电系统并网。

在灵活交流输电系统装置中，用于达到上述任意或所有目的的部分装置或控制器包括精致无功补偿器、静止同步补偿器等。

静止同步补偿器是一种并联的、可发出和/或吸收无功功率的无功补偿装置，其输出可改变，以控制电流系数的具体参数。一般来说，静止同步补偿器是一种固态开关变换器，当其输入端电能源或能源储存装置馈电时，可在其输出端独立发出或吸收可控有功及无功功率。

更具体的说，静止同步补偿器是从特定输入直流电压产生一组三相交流输出电压的电压源转换器。各输出电压通过一个较小电抗与对应的交流系统电压同相并与之连接，该阻抗可由界面反应器或耦合变压器的漏电感提供。直流电压由储能电容器提供。

众所周知，在现有技术中，静止同步补偿器通过电压源变换器的电压及电流波形的电子出了实现预期无功功率送出及吸收。静止同步补偿器也通过在公共耦合点发出及吸收无功功率来提供电压支持，无需外表反应器或电容器组合。因此，静止同步补偿器占用的物理空间更小。

众所周知，静止同步补偿器可在如下方面提高电力系统性能：

控制电压：增加或控制电线电流传输能力，并防止回流，提供系统瞬态稳定性限值，提高系统阻尼，减少同步谐振，缓解电压不稳，限制短路电流，提高高压直流输电变流器终端性能，风力发电系统并网，控制电压闪变，控制武功功率，必要时控制连接线路中的有功功率。

静止同步补偿器及交流电系统间的无功及有功功率交换可独立于一方面单独控制。如果静止同步补偿器具有合适容量的蓄能装置，可实现有功功率送出与吸收及无功功率送出与吸收的任意组合。在此基础上，可设计一些对有功及无功输出功率调整非常有效的控制战略，以提高瞬态和动态系统的稳定性极限。

在现有电流传输及分配系统中，分布式发电的渗透程度逐渐提高，这面临许多技术性挑战，其中一项为电压沿馈线的变化。习惯上，功率流动的方向是从输电网到连接在配电馈线上的负载。通过在输电馈线或配电馈线的一处或多处调整输电端电压量或提供无功功率支持，可有效解决电压随馈线的长度而下降的问题。电力公司通常采用抽头接换变压器与不同点电容器组合使不同点电压处在标准限值内。

风力发电场控制的分布式发电系统可呈现一种有趣状况，特别是在夜间。此时，只要夜间风速比白天更大，风力涡轮发电机输出更高，电力负载就远小于白天的数值。夜间风力发电场增加的这些功率导致大量功率反向流向主电网。由于现有配电系统在设计及操作上都遵循一条重要假设，既功率总是从主电网流向终端用户，这种功率反向流动的情况导致馈线电压超出正常额定值。在某些情况下，电压可超出通常允许限额的5%。这是公司不能接受的。

当向馈线增加更多分布式发电系统时，反向功率流动就要面临一个巨大挑战。保持电压在特定范围内升高直接影响了能介入特定配电网络的分布式发电系统的数量。当在电网中增加额外的风力风电场时，电力公司将不得不安装灵活交流输电系统控制器等昂贵的电压调节装置，如静止武功补偿器或静止同步补偿器，以解决这一问题。

此外，对于逆变电源装置而言变压器的偏磁是个大问题。由于一旦从偏磁达到饱和，变压器就会失去其功能成为短路负载状态，过电流流到逆变器电路的开关元件，损坏开关元件。由于负载的畸变、开关元件等的特性的偏差、反馈控制系统的不稳定等各种原因而产生偏磁。特别地，最近的你变电源装置，也有工作频率超过100khz的情形，在变压器的铁芯中大多使用在高频下损耗少的铁氧体磁芯。但是，铁氧体磁芯由于饱和磁通量密度的值低，所以稍微偏磁就立即达到饱和，为此，在高频的逆变电源装置中，偏磁对策更加重要。

在实际应用中，很对电力电子负载都要求逆变电路的输出功率能够得到有效和灵活的控制，以满足不同负载的需求。逆变电源的功率调节方式可分为两大类：直流调功和逆变调功。直流调功是对逆变器直流侧的输入电压进行调节，达到调节负载输出功率的目的。目前直流斩波调压调功是直流调功的主要方式。

常规的逆变电源调节功率采取的直流斩波调压方式，在直流母线侧采用降压斩波电路，通过改变占空比的大小来调节直流输出电压，实现对输出功率的调节。采用这种常规控制方式，负载上电压波形为不连续方波，电流波形通常视负载而定，故常规逆变电源的缺点是难以实现输出电流的正弦化，因此谐波分量大，功率因数低，不适合大范围调功。

多台正弦脉宽调制逆变器电源的并联运行可以扩大系统的容量，而且还可以组成并联冗余系统以提高系统的可靠性及可维护性。但是，正弦脉宽调制逆变电源的并联运行相对困难，因为所有并联运行的正弦脉宽调制逆变电源的频率、相位及幅值都必须一致，否则，各台逆变电源之间将存在很大环流，过大的环流会使逆变器的负担加重，发散的环流将使系统崩溃，导致供电中断。

正弦脉宽调制逆变电源的并联运行控制方式一般分为集中控制、主从控制和无互联信号线独立控制方案。现有的集中控制方式需要检测总的负载电流，并通过较高带宽的信号把负载电流的信息传递给所有的逆变电源模块，这严重影响了系统的扩容，系统中存在相互连接的信号线，使得系统的可靠性降低，系统不是冗余的，而在电流分配单元的控制下才能实现并联运行，一旦电流分配单元损坏，系统将崩溃。

与集中控制方式相比较，主从控制方式具有一定的优点，它可以不需要检测负载电流的大小，使得系统易于扩展容量，并且逆变电源间的控制不受逆变电源输出线路阻抗的影响，系统的均流效果很好。但是主从控制方式也有一些不足：主模块的存在使得它不是一个冗余系统，一旦主模块出现故障，整个系统将会瘫痪，系统稳定性取决于并联的从模块个数，主模块与从模块之间存在电流指令信号线，不宜长距离铺设，否则信号会大大衰减，干扰严重，相位严重滞后。

与前两种并联控制方式比较，无互联信号线独立控制方式不需互联的控制信号，通过输出电压的频率，幅值下垂控制来实现负载有功功率及无功功率的均分，从而实现负载电流的均分。这种方式尤其适用于分布式发电系统，但是，无功功率的均分受电路阻抗的影响较为严重，如果线路阻抗匹配不好，则负载所需无功功率将得不到很好均分，所以该方式对系统检测、控制精度要求很高；且这种方式由于采用下垂特性，会牺牲系统输出的电压频率、幅值稳定性指标。

技术实现要素：

本发明正是基于以上一个或多个问题，提供一种并网逆变电源的并网控制方法，用以解决现有技术中存在的单相电压源型逆变电源与单相公共电网并网速度慢，稳定性差，动态性差的问题。

其中，所述并网逆变电源的并网控制方法，一种并网逆变电源的并网控制方法，其特征在于，电网系统中的逆变电源通过逆变器单元连接至公共母线，以并联运行模式运行，所述方法包括：

获取逆变电源和单相公共电网相位的正弦和余弦值；

使逆变电源参考信号的幅值、相位和频率跟随公共电网的幅值、相位和频率；

将逆变电源输出电压值与电网电压值进行比较，得到逆变电源与电网电压之间的电压比较值；

当所述电压比较值在预设的误差范围内时，接通静态开关并入电网。

进一步的，通过锁相环形成逆变电源和单相公共电网相位的正弦和余弦值。

进一步的，所述通过锁相环形成逆变电源和单相公共电网相位的正弦和余弦值包括：

通过锁相环获得逆变电源和单相公共电网电压频率信号后，对频率信号分别进行积分以得到逆变电源和单相公共电网电压相位信号，再通过对相位信号进行正弦和余弦的运算获得电压相位正交信号。

进一步的，所述使逆变电源参考信号的幅值、相位和频率跟随公共电网的幅值、相位和频率通过逆变电源参考信号形成环实现；

所述逆变电源参考信号形成环包括幅值调节器和相位调节器；

所述幅值调节器由幅值检测、低通滤波器、pi控制器、开环增益和减法器组成，所述低通滤波器与幅值检测环相连接所述pi控制器与开环增益连接，所述开环增益与减法器负端相连，所述减法器的正端与单相公共电网的额定电压相连，减法器的输出端为逆变电源电压幅值的给定值；

所述相位调节器由乘法器、pi控制器、开环增益、减法器、积分器和正弦运算环组成，所述pi控制器宇第一减法器的输出端连接，pi控制器的输出与开环增益连接，开环增益与第二减法器负端相连，减法器的正端与单相公共电网的额定频率相连，第二减法器输出端与积分器相连，积分器的输出与正弦运算环节相连，正弦运算环节输出为逆变电源电压相位的给定值。

进一步的，所述方法还包括：

当所述电压比较值在预设的误差范围之外时，断开静态开关；

将所述电压比较值与逆变电源的电流比较值进行调节转换后得到逆变电源的电压同步值；其中，电流比较值由逆变电源的输出电流值与预设电流值进行比较后得到；

当所述逆变电源的电压同步值在预设范围内时，接通静态开关并入电网。

进一步的，所述方法还包括：用所述逆变电源的电压同步值调节逆变电源的输出与电网一致，接通静态开关并入电网。

进一步的，所述逆变电源的输出电压值先通过clarke变换再通过park变换得到。

进一步的，所述电网电压值先通过clarke变换再通过park变换得到。

进一步的，所述逆变电源的电流比较值先经过clarke变换再通过park变换，得到旋转坐标下的逆变电源输出电流值，将所述输出电流值遇电流预设值进行比较后，得到电流比较值。

进一步的，所述逆变电源的电压同步值通过如下步骤得到：

将逆变电源的电流比较值和电压比较值分别经过pi调节器调节后，进行计算得到反馈信号；

将所述反馈信号与逆变电源的输出电压值进行计算后作为电压给定值；

将所述电压给定值先经过park反变换，再经过clarke反变换；再经过脉宽调制器得到并网逆变器功率管的驱动信号。

本发明提供的并网逆变电源的并网控制方法，与现有技术相比，通过在相位正交信号形成环节生成三相交流电路特有正交的正弦和余弦信号，能方便实现单相电压型逆变电路输出电压幅值和相位的调节，并网后逆变器的输出电压幅值和相位完全由单相公共电网决定，实现了逻辑上的主从结构。单相逆变电路与单相公共电网解列时，单相电压源型逆变器的输出电压幅值和相位完全自主决定，主动恢复与单相公共电网的对等结构，具有并网速度快，稳定性强，动态性好，实现简单的特点。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种并网逆变电源的并网控制方法的流程图；

图2是本发明实施例二的分布式电源并入电网示意图；

图3是本发明实施例二的二维坐标和三维坐标叠加形成的旋转坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。

实施例一

本发明实施例一提供一种并网逆变电源的并网控制方法，其中，电网系统中的逆变电源通过逆变器单元连接至公共母线，以并联运行模式运行，如图1所示，所述方法包括：

101、获取逆变电源和单相公共电网相位的正弦和余弦值；

具体的，本步骤中通过锁相环（反馈控制电路）形成逆变电源和单相公共电网相位的正弦和余弦值，包括：

通过锁相环获得逆变电源和单相公共电网电压频率信号后，对频率信号分别进行积分以得到逆变电源和单相公共电网电压相位信号，再通过对相位信号进行正弦和余弦的运算获得电压相位正交信号。

102、使逆变电源参考信号的幅值、相位和频率跟随公共电网的幅值、相位和频率；

具体的，所述使逆变电源参考信号的幅值、相位和频率跟随公共电网的幅值、相位和频率通过逆变电源参考信号形成环实现；

所述逆变电源参考信号形成环包括幅值调节器和相位调节器；

所述幅值调节器由幅值检测、低通滤波器、pi控制器、开环增益和减法器组成，所述低通滤波器与幅值检测环相连接所述pi控制器与开环增益连接，所述开环增益与减法器负端相连，所述减法器的正端与单相公共电网的额定电压相连，减法器的输出端为逆变电源电压幅值的给定值；

所述相位调节器由乘法器、pi控制器、开环增益、减法器、积分器和正弦运算环组成，所述pi控制器宇第一减法器的输出端连接，pi控制器的输出与开环增益连接，开环增益与第二减法器负端相连，减法器的正端与单相公共电网的额定频率相连，第二减法器输出端与积分器相连，积分器的输出与正弦运算环节相连，正弦运算环节输出为逆变电源电压相位的给定值。

103、将逆变电源输出电压值与电网电压值进行比较，得到逆变电源与电网电压之间的电压比较值；

其中，所述逆变电源的输出电压值先通过clarke变换再通过park变换得到。所述电网电压值先通过clarke变换再通过park变换得到。

104、当所述电压比较值在预设的误差范围内时，接通静态开关并入电网。

105、当所述电压比较值在预设的误差范围之外时，断开静态开关；

106、将所述电压比较值与逆变电源的电流比较值进行调节转换后得到逆变电源的电压同步值；

其中，电流比较值由逆变电源的输出电流值与预设电流值进行比较后得到；所述逆变电源的电流比较值先经过clarke变换再通过park变换，得到旋转坐标下的逆变电源输出电流值，将所述输出电流值遇电流预设值进行比较后，得到电流比较值。

所述逆变电源的电压同步值通过如下步骤得到：

将逆变电源的电流比较值和电压比较值分别经过pi调节器调节后，进行计算得到反馈信号；

将所述反馈信号与逆变电源的输出电压值进行计算后作为电压给定值；

将所述电压给定值先经过park反变换，再经过clarke反变换；再经过脉宽调制器得到并网逆变器功率管的驱动信号。

107、当所述逆变电源的电压同步值在预设范围内时，接通静态开关并入电网。

108、用所述逆变电源的电压同步值调节逆变电源的输出与电网一致，接通静态开关并入电网。

本发明提供的并网逆变电源的并网控制方法，通过将逆变电源和单相公共电网电压相位正交信号形成环节、逆变电源参考信号形成环节、并网条件判定环节，其中相位正交信号形成环节是通过锁相环形成逆变电源和单相公共电网相位的正弦和余弦值，逆变电源参考信号形成环节是在通过幅值调节器和相位调节器分别得到逆变电源给定信号的幅值和相位的基础上，并结合单相公共定位额定频率范围，采用正弦参考信号的“三要素”生产方法，来共同作用形成逆变电压参考信号；并网条件判定环节是通过比较由相位调节器和幅值调节器的输入信号与设定值的大小，待两者的误差值在规定的范围内时，发出相关指令闭合合闸开关。本发明与现有技术相比，通过在相位正交信号形成环节生成三相交流电路特有正交的正弦和余弦信号，能方便实现单相电压型逆变电路输出电压幅值和相位的调节，并网后逆变器的输出电压幅值和相位完全由单相公共电网决定，实现了逻辑上的主从结构。单相逆变电路与单相公共电网解列时，单相电压源型逆变器的输出电压幅值和相位完全自主决定，主动恢复与单相公共电网的对等结构，具有并网速度快，稳定性强，动态性好，实现简单的特点。

实施例二

本发明实施例二提供一种并网逆变电源的并网控制方法，本方法先求出分布式电源和电网的输出电压值，如图2所示为分布式电源1与电网的连接示意图，主要包括分布式电源1、并网逆变器2、输出滤波器3、隔离变压器4、静态开关5和检测模块6，分布式电源1输出电流由并网逆变器2逆变为交流后，经输出滤波器3通过隔离变压器4由静态开关5馈入交流电网。

本实施例中，检测模块主要包括分布式电源和电网的电压、电路采集和clarke、park变换、在旋转坐标系下电网电压和并网逆变器电压的比较、模拟开关、滞回比较器及并网信号、反clarke、park变换和pwm脉宽调制。在并网过程中，先将并网逆变器2的输出三相电压和电网三相电压分别先经过clarke变换，再经过park8变换，clarke和park的变换坐标关系如图3所示，变换后得到旋转坐标下的分布式电源电压值和电网电压值。

将得出的分布式电源电压值和电网电压值进行比较，得到电压比较值，该电压比较值分别经过滞回比较器和模拟开关中预设的阈值进行比较，如果在预设的范围之内则输出“1”，否则输出“0”，将电压比较值输出逻辑值再进行相与，与门输出的逻辑值作为判断是否满足并网条件。

电压比较值经过pi调节器后与电流比较值经过pi调解器后得到反馈信号，电压比较值经过pi调节器后与电流比较值经过pi调节器后得到反馈信号，将反馈信号和分布式电源输出电压值比较后作为并网逆变器的电压给定值，电压给定值先经过park变换，再经过clarke变换，然后由pwm脉宽调制得到并网逆变器的电压同步值，此时得到的电压同步值即为并网逆变器需要调整的具体电压数据。

在电网电压和并网逆变器输出电压和电流信号进行park变换及反变换时均要用到相角，现有技术中有各种各样的方法可以得到相角，但都存在一些缺陷，比如过零比较锁相环，它通过检测过零点来计算相位。由于过零点在每半个周期只出现一次，两点间不能获得相位信息，且过零点对谐波、不对称等干扰非常敏感，所以获得的检测结果，其动静态特性差，误差大；另一种是在静态旋转坐标系下对电压值进行反正变换也可以得到相角，这种检测方法比过零点检测有所改进，但是当电网波动的时候需要设计较好的滤波器。本发明中q轴和d轴的夹角是通过三相锁相环来得到的，它是根据旋转坐标系求得的，锁相实现是通过设定d轴电压参考值，将电压参考值和实际电压值比较的输出值通过pi调节器得到电网的角频率，再经过积分器即可得到电网相角来实现的。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。