1、北京交通大学硕士学位论文三相逆变器并联技术研究姓名：卢彦杰申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：梁晖201106中文摘要中文摘要摘要：随着新能源的快速发展，微电网技术和分布式发电技术变得日益重要。在交流微网中，分布式电源可以经过三相逆变器后并联到交流母线上向负载供电。本文研究微电网处于离网独立运行时的三相逆变器并联控制技术。三相逆变器并联的控制目标是各台逆变器输出电流均流和负载功率均分。首先建立基于旋转坐标系下三相逆变器的数学模型，在此基础上实现对三相逆变器的电压电流双闭环S v P W M 控制。然后分析并联逆变器主电路和环流产生的原理。通过开环控制逆变器并联和双闭环控制逆变器并联两种情
2、况的仿真，研究了无并联均流控制时并联逆变器的环流情况。其次研究了并联逆变器的主从控制策略。本文采用一种公共电压调节器的主从控制策略。主逆变器采用电压电流双闭环控制，从逆变器采用单电流闭环控制。从逆变器的电流指令都由主逆变器电压环输出给定。再次研究了并联逆变器的无互联线下垂特性控制。通过分析传统下垂特性控制的基本原理，发现传统下垂特性控制存在动态响应慢、输出电压和频率存在稳态偏差的缺点。因此本文提出了一种改进的下垂特性控制，在下垂公式中加入功率的微分项来提高动态性能，加入高通滤波器来消除稳态电压幅值和频率的偏差。本文还研究了微网变流器在并网与离网工况切换时控制策略。给出了一种双模式控制的切换方案
3、。最后，本文基于S i m l n i n l(对以上理论分析与控制策略做了仿真验证与研究。关键词：逆变器；并联；均流；下垂特性；并网和离网切换分类号：T M 6 1 4A B S T R A C TA B S T R A C T：M i c r 0 一鲥dt e d m 0 1 0 9 ya I l dd i s t r i b u t c dg e l l e r a 时o n 慨h n o l o g yw i t ht h em p i dd e V e l o p m e n to fr e n e w a b l ee n e r g yb e c o m ei n c r e a
4、 S i n 百yi I l l p o r t a n t T h ed i s t r i b u t e dg e I l e 眦i o n si nA CM i c r o 豇dc a nb ec 0 彻e 曲e dt 0A Cb u sb yt h r e ep h a S ei n V e r t e LT h ec o n 协mm e t h o d o fp a r a l l e lt h r e e-p 1 1 暑略ei I l V e r t e r si sr e s e a r c h e di nt h ep a p e LP a r a l l e lt h r
5、c e-p l l a S ei n V e r t e rC O l l t I 0 1o b j e c t i V ei ss h a r i n gt h e0 1 I 电u tc I：嘣斌o f 廿l ei n V e r t e r sa n dp o w e rn o wo fl o a d F i r s t l y t h em a t b 豇n 血c a lm o d e lo ft h et h r e e-p t 娜ei n v e r t e rb 硒o do nt h er o t a：巧c o o r d i n a t es y s t 钿i s 鹪t a：b
6、l i s h e d o nt 1 1 i sb a s i s，t h eV o l t a g ea n dc I H 彻td o u b l eC l o s e d-l o o pS V P W Mo 幽lo ft 1 1 ej n 碉r t e ri sr e a l i z e d 1 1 啪c i r c l d a t i n gc u n 韧吐a n dt l l em a i nc i 础i to ft h ep a r a l l e li n v e r t c 稿a r e 觚a l y z e d W 弛1 0 u tC u 瞅础蛐gc o n t r o lm
7、e t h o dt h ec i r c u l a t i n gc I u 骶疆l ti sr e s r c h mo nt h ec o n d i t i o no fb o t ho p e nl o o pc o n t r o l觚dd o u b l e1 0 叩C 0 n 啪lp a m l l di n v e n e r s S e c o n d l 弘M 姗s l a V e 伽l n l【r o lm e t h o do fp a m U e li l l V e r t e 塔i sr e s e a r c h e d M a s t e r _ s l
8、a V ec o n t lm e t h o dw i t hp 曲l i cV o n a g e 州a 幻ri s 殉司i e d M a s t e ri n v e r t e ri s舳1 1 c db yv o l t a g e锄dc u r r 哪d o u b l ec l o s e d-l o o pw h n es l a v e 蛔昌n e r sa r cc o I l t r 0 U e db ys i n 西e 删1 0 0 pw l l i c hi sf o l l o w i n gt h eo u t l y u to fm em a s t e r
9、sv o l t 乏L g el o o p T l l i r d l y，d r o o pc h a m e r i s t i cc o n t r 0 1m e n l o di ss n l d i e d B ya n a l y z i n gt：h ec b a r a c t e r i s t i c so ft h e 删t i o n a lc o n t r o lo ft h eb a S i c 砸n c i p l 髓o fd 1 0 叩C 1 l a m C t e r i s t i cc o I l t m l，m a n y I m、b a c k s
10、a r e 仍u n ds u c h 猫s l o wd)，I l a 而cr e s p o n S ea n ds t e a d ys t a t ed e v i a t i o no fo u t p u tv o l t 4 9 ea I l d 舶q u 吼c y S ot h i sp a p e r 鲫巾o s e s 锄妇p r o V e dd r o o pc h a 删躔耐s t i c sc o n t r o l眺dw h i c hi I n p r o V 懿t h ed y n 枷cr e s p o n s eb ya d d i n gd i f 断e
11、 n t i a lt 锄t 0t h ed r o o pf o m u l a 觚de l i l l l i n a t et h es t e a d ys t a t ed e v i a 石o nb ya d d i n ga l l i g h p a u s s6 l t 既T 1 1 i sp a p e ra l s or e s e a r c 曲岱0 nt h ec o n V e 慨刚i t 凼n g鼬lm e t h o do f班d 枷n n e c t e d 删ea I l ds 协n 捌o n em o d e T h cn l i 啪豇dc o n v e
12、 r t e ri sc o n 呐1 1 e d 觞a删ts o 嗽o ng r i d-c o n l l l l e c t c dm o d e 恤l ei ti sc o n t r o l l e d 勰aV o l t a g eS 0 u r c eo ns 协d a l o n en l o d e A tl 嬲tm e s et h e o r c t i c a la n a l y s i s 觚d 蛐lm e t h o d s i nt h i sp a p e ra r eV 耐f i e db y照【n u l a t i o nb a s e do nS i
13、m m i n k K E Y W o l m S：删p 锄l l e lo p e r a t i o n；C u 玎t 斌s l l a 血吕d m o pc h a m c t I 晒s t i cV北京交通大学硕士学位论文C L A S S N o：田M 6 1 4致谢本论文的研究工作是在我的导师梁晖副教授的悉心指导下完成的，从本文的选题、控制方法的理论指导，到本文的修改付梓，梁老师都给了我极大的指导和帮助。梁晖副教授严谨的治学态度、科学的工作方法、宽广的胸怀、丰富的专业知识是我学习的榜样。在此向梁老师表示最诚挚的敬意和感谢!在两年的研究生学习生活中，实验室的赵新、刘春海、徐佳园、周倩
14、、邓雅、王雪婷、吴思哲等同学给予了我很大的帮助，和他们的讨论让我受益匪浅，尤其是赵新博士对本论文的研究提出了许多宝贵的指导和修改意见。在此向他们表示衷心的感谢!最后感谢父母，他们的支持和关怀使我能够顺利的完成学业。引言1引言1 1研究背景及意义1 1 1分布式发电及微电网概述随着经济的迅速发展和电网规模的扩大，超大规模电力系统的缺点日益凸现。特别是近十年来世界上发生了几次大停电，充分体现了电网的脆弱性。而分布式发电作为传统集中式发电的补充，越来越受到重视。分布式发电一般指以新能源和可再生能源为主的小型的发电装置就近布置在负荷附近的发电方式。包括太阳能发电，微型燃气轮机发电，燃料电池发电和风力发
15、电等在内的分布式发电技术具有发电方式灵活、投资省、与环境兼容等特点，又可以提供传统的电力系统无可比拟的可靠性和和经济性。与集中式发电相比，分布式发电具有污染少，能源利用率高，安装地点灵活等优点，节省了输配电资源和运行费用，减少了集中输电的线路损耗。分布式发电是大型电网的有力补充和有效支撑因为分布式发电可以减少电网总容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性。分布式发电虽然有诸多优点，但本身也存在很多问题。例如，分布式电源控制困难、单机接入成本比较高等。另外对于大电网来说分布式电源是一个不可控的源，因此大系统往往采取隔离或者限制的方法来对待分布式电源。分布式能源的入网标准在I E E EP 1 5
16、4 7 做了规定，当电网发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这在很大程度上限制了分布式电源效能的充分发挥。随着新型技术的应用，尤其是电力电子接口和现代控制理论的发展，在分布式发电的基础上，为了协调分布式发电与大电网之间的矛盾，有学者提出了微网的概念。目前国际对微网【2 6】【2 7】的定义有很多。其中欧盟微电网项目给出的定义是：利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置使用电力电子装置进行能量调节。美国电气可靠性技术解决方案联合会(C E R T S c o n s o n i u mf o rE l e c t r i cR e l i
17、 a b i l i t yT e c h n o l o g yS o l u t i o n s)对微电网的定义为：一种由微型电源和负荷共同组成系统，同时也可以提供电能和热量；微电网内部的电源可以提供必需的控制并且主要由电力电子器件负责能量的转换；相对于外部大电网，微电网表现为单一的被控单元，并可同北京交通大学硕士学位论文时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。美国威斯康辛麦迪逊分校的R H L a S s e t e r 对微网的定义是：微电网是一个可以对当地提供电能和热能，并且是由微型电源和负载构成的独立的可以控制的系统。这是一个来描述微电网的操作的新的模型，微电网是电网中一个新的可控
18、的单元，可以在短时间内，迅速反应从而来满足外部供电网络的需求。微电网可以满足例如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压、通过利用余热提供更高的效率、保证电压降的修正或者提供不间断电源等用户的需求。微网(m i c 一鲥d，n l i c r 0 鲥d)，也被称作微电网，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，由分布式电源、能量转换装置、相关负荷和监控、储能装置、保护装置汇集而成的小型发配电系统，既可以孤立运行，也可以与大电网并网运行。相对于以前分别处理不同技术的个别发电单元，微网提供了一种大规模部署、自治控制的方法。微网将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元
19、，同时向用户供给电能和热能。微网可以非常方便使大规模的分布式能源互联并接入中低压配电系统。因此对于用户，微网提供了一种可以充分利用分布式发电单元的机制。微电网作为一个可定制的电源，可以满足用户多种需求。例如支持当地电压，增强局部供电可靠性，提供电压下降的校正，或者作为不间断电源。在接入大电网这个问题上，由于只针对微电网与大电网的公共连接点，而不针对具体的微源，微电网的入网标准是容易实现的。微电网不仅解决了大规模分布式电源的大电网接入问题，同时还充分发挥了分布式发电的诸多优势，可以满足用户负载的多样化需求。从系统的角度微电网将分布式发电单元与负载组成单一的可控单元。分布式发电单元通常由微电源(如
20、光伏电源、风力发电机及蓄电池等)与电力电子变流器组成。因为可以发挥微电源的各项优势，同时实现微电源的大规模并网，并且能够保证向负载的不间断供电，微电网已经成为当前研究的热点。1 1 2逆变器并联技术在微网中的应用微电网要实现包括并网与离网独立运行两种工况，同时能够在这两种状态间的平滑的切换。类似一个可控的负载或者是电源当微网并网运行时，这种状态下微电网的主要功能是在微电源允许的情况下，尽可能大的向电网输出最大功率。当大电网出现不正常情况(如孤岛运行或者电压跌落等)时，微电网可以运行在孤立状态自动的断开与主电网的连接。此时，微网工作在离网工况，整个微电网的电压和频率应由一个或多个分布式发电单元确
21、定。在主电网恢复正常工作后，微电网2引言要重新并入主电网实现并网运行，在这之前首先要应完成与主电网的同步。这时微电网中的分布式电源不再起控制作用，不参与公共点电压和频率的调节，电网的频率和电压是由主电网确定的。微电网工作在离网独立运行时，微电网的网侧变流器作为无源逆变器向微网的负载供电。同时无源逆变器向微网提供电压和频率的支撑。无源逆变器的直流电源是微网中的分布式电源。分布式电源一般都配备一些储能装置，来确保供电质量。如果有多个微电源分别通过逆变器连接到微网上，就需要逆变器的并联技术。微电网是三相逆变器并联技术的重要应用领域之一。当微电网工作在独立运行模式时可以分别将多个微电源通过三相逆变器并
22、联技术连接到微网交流母线上向负载供电。逆变器并联控制的目的是实现各台逆变器输出电流均流和负载功率均分。1 2逆变器并联技术1 2 1逆变器并联技术的分类早期的逆变器并联采用在输出端串联电感的方法来抑制环流，想要达到较好的环流抑制效果，需要使用较大的电感，从而导致逆变器的体积、重量增加，同时输出串联电感上存在较大的电压降，降低了逆变器的输出精度。目前逆变器的并联控制方法【1】主要有：集中控制方式、主从控制方式、分部逻辑控制方式和下垂特。性控制。(1)集中控制集中控制方式需要专门设置公共的同步和均流模块，各模块的锁相环电路用来保证其输出电压、频率和相位与同步信号一致。如图1 1 所示，集中控制单元
23、控制脉冲产生统一的同步脉冲信号，然后各逆变器单元经P L L 锁相环跟随同步信号。从而保证各个输出模块输出电流相位幅值一致。因为各个模块是由同步的信号源控制的，所以很小的逆变器之间的输出电流差可以认为是由逆变器输出电压不同导致的。所以可以把输出电流差作为电压指令补偿，从而消除环流。集中控制方式比较简单，均流效果好，但是一旦公共控制电路失效，整个并联系统瘫痪，因此采用集中控制并联系统没有冗余能力。北京交通大学硕士学位论文图1 1 集中控制结构框图F i 吕1-1C e n 缸a l i z e dc o n 打o lm e 廿1 0 db b c kd i a g r a m(2)主从控制主从控
24、制方式是一种出现较早的并联控制方式，它最早由台湾学者J i 锄一F l l l lc h 铋提出。该方法放弃了单独的中央控制模块，由一个起主导作用的主模块和若干从模块构成，在运行中设其一作为主机，作为所有并联模块的同步和均流控制中心。图1 2 一种主从控制框图示意图F i g 1 2 M a s t e r-s h v ec o n n 0 lm e 廿l o db b c kd i a 昏a l n4引言主从控制方式将均流控制功能分散到各个并联模块中。并联系统包括一个主模块和多个从模块，主模块电压型逆变器采用电压控制，也即控制整个并联逆变器系统的输出电压，并联系统的输出电压幅值、频率精度仅取
25、决于主模块。从模块逆变器采用电流控制。主从控制方式通过一定的逻辑规则来确定主模块，如最先启动的一台为主模块或将其中的一台作为主模块确定下来。一种主从控制方式的控制框图如图1-2 所示，并联系统中负载电流经过计算作为从模块的电流基准，使得各个模块的输出电流相同。该方法可以很好的实现静态均流。主从控制不能实现冗余控制。一旦主控制模块损坏，并联系统将无法正常工作。(3)分散逻辑控制采用分散逻辑控制方式的并联系统中不存在公共控制电路，而且每个模块的地位是平等的，一旦其中的一个模块发生故障，该模块就自动的退出并联，而其他模块仍然可以正常的工作，所以提高了并联系统的可靠性。P 1，P图l 一3 分散逻辑控
26、制结构框图F 嘻1 3D i s 词)u t e dL o 咖C o n 昀lb 1 0 c kd i 赠咖1这是一种真正实现了独立模块式并联运行的控制方式。作为一种独立并联控制方式，分散逻辑并联控制技术采用了在各逆变电源中综合每个电源模块中的电流及频率信号，从而得出各自频率及电压补偿信号的控制策略。在分散逻辑控制并联系统中，地位是相等的对于各个并联模块而言，当有一个模块因故障从系统中退出时，在不影响其他模块的并联运行的同时就可以控制该逆变器单元自动的退出系统。分散逻辑控制的并联系统解决了集中控制和主从控制中存在的单台逆变器故障导致整个系统瘫痪的缺点，从而大大提高了并联系统的可靠性。在并联台5
27、北京交通大学硕士学位论文数不多的情况下分布式并联控制控制方法效果比较好。如图1 3 所示。分散逻辑控制方案具有冗余性的特点，因此可靠性高。但是在采用模拟控制时，逆变器之间的互连线也随着并联系统中逆变器台数的增加而增多，将使整个系统变得复杂。同时，逆变器之间的互连线随着各台逆变器之间距离的增大而增长，这就降低了系统的可靠性，干扰很容易被引入均流信号。很多公司专门研制了采用光纤进行通讯的完全无电气互连线的并联方式，来克服由于连线距离较远，导致干扰比较严的情况。靠性，但同时也使得控制系统更加复杂，(4)下垂特性控制方式虽然这样做提高了分布式并联系统的可增加了系统的成本。为了减少并联模块间互联线的数目
28、，近年来一些专家学者提出了无互联线式的逆变器并联系统，基于逆变器输出电压和频率的外下垂特性这种并联均流控制可以实现均流。这个方法是类似于电力系统的潮流分析，无功环流跟幅值差成正比，有功环流跟相位差成正比这种特性。根据下垂特性公式，各逆变器以逆变器输出的无功功率和有功功率为依据，调整输出电压的频率和幅值以达到各台逆变器的并联稳定运行。下垂并联控制框图如图1 4 所示。图1 4 下垂并联控制框图F i g 1 _ 4D r o o pc o n 昀lm e m o db l o c kd i a g 舢利用逆变器输出的下垂特性，各模块以自身的有功和无功功率为依据，调整自身输出电压的频率和幅值以达到
29、各台逆变器的均流运行。下垂特性控制方式在各个并联逆变器之间无互联通信线。所以不存在通信线的干扰问题。所以这种控制方式是一种真正的冗余控制方式，可以灵活的热插拔。但是下垂控制策略实现均6引言流是以牺牲逆变器输出电压大小和频率精度为代价的。在稳态时，负载越大，频率和电压下降越大，使逆变器的输出外特性变软，因此合适的下垂系数的选取是下垂控制的难点。1 2 2微网变流器的并网和离网切换控制并网运行的时候，逆变器输出功率，向电网输送能量。但是一旦电网发生故障难以实现对于本地重要负载的不间断供电。而离网运行时，如果本地负载很小，则电源的利用率不高，不能将多余的能量输出给其他远程负载应用。微网的出现则克服了
30、以上诸多缺点。同时也为逆变器带来了新的要求和挑战。微网逆变器要求具备在并网工作模式和离网工作模式的能力，并且希望在模式切换的时候能够做到交流电压无冲击无突变的无缝切换。所谓微网的并网运行是指微电网通过电气开关后与大机组供电的电网相连运行。微网的并网运行。所谓微网的离网运行是指当微电网脱离主电网独立运行时的工况。这个时候微网需要逆变器支撑微网交流母线的电压和频率。当大电网发生故障或者需要微网断开与主电网断开时，微网的离网运行对于保证微网负载的正常工作是很有必要的。将多余的电能送入电网，微网逆变器在电网正常工作时并网运行，从而达到提高的电能与设备利用率的目的。当电网不正常工作时，逆变器可以自动的从
31、电网断开，逆变器以离网独立运行模式工作，所以这样就可以为负载提供可靠的电能。对于微电网而言，如果微电网独立运行，多样化的分布式电源很难满足和跟踪负载的变化。因此并网后微网不足的能量可以由电网补充，如果微电网有多余的能量也可以输出向电网。所以并网运行提高了微网系统的稳定性。如果在两种工况切换时能够做到负载电压无波动即无缝切换。这种工况切换时的无缝切换对保证敏感重要负载的安全可靠供电是具有一定意义的。1 3研究内容第1 章是绪论部分。首先介绍了本论文的背景分布式发电、微电网的基本概念。然后概述了并联控制技术。介绍了几种并联控制策略和微网变流器器的并联和离网的切换技术。第2 章首先建立了基于旋转坐标
32、系下逆变器的数学模型，在此基础上实现了对逆变器的电压电流双闭环S V P W M 控制。然后分析并联逆变器主电路和环流产生的原理。通过开环控制逆变器并联和双闭环控制逆变器并联两种情况的仿真，研7北京交通大学硕士学位论文究了无并联均流控制时并联逆变器的环流情况。第3 章介绍了主从并联控制这种并联控制策略。本章采用一种公共电压调节器的主从控制策略。主逆变器采用电压电流双闭环控制，从逆变器采用单电流环控制。从逆变器的电流指令都由主逆变器电压环输出给定。在动态并联和稳态并联两种情况下进行了仿真验证。稳态并联验证包括滤波电感不同，滤波电容不同，直流电压不同等情况，动态并联的仿真包括逆变器的突然并联、逆变
33、器的突然切除和负载的突变。第4 章分析了传统下垂控制的原理，通过仿真验证了传统下垂控制能够在没有互联通讯线时下实现逆变器之间的均流控制。针对传统无互联线的缺点动态响应慢，输出电压和频率精度差的缺点，提出了一种改进的下垂并联控制，在下垂公式中加入功率的微分项来提高动态性能，加入高通滤波器来消除稳态电压幅值和频率的偏差。第5 章研究了微网逆变器的并网与离网切换技术。逆变器在并网时控制为等效电流源，在离网独立运行时控制为电压源。研究了这种双模式控制在并网和离网切换时遇到的问题以及切换时的操作步骤。第6 章本文的主要结论和本文对以后工作的展望。三相逆变器双闭环S，w M 控制及无均流控制并联仿真2 三相逆变器双闭环S V P W M 控制及无均流控制并联仿真首先建立基于旋转坐标系下三相逆变器的数学模型，在此基础上实现对三相逆变器的电压电流双闭环S V P w M 控制。然后分析并联逆变器主电路和环
