三相电压源型并网逆变器的无冲击电流并网方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于三相电压源型并网逆变器的无冲击电流并网方法，包括：实时采集并网点两侧的各相电压和电流，计算逆变器侧D轴电压分量和Q轴电压分量；计算网侧D轴电压分量和Q轴电压分量；对D轴和Q轴电压分量进行控制，以其作为控制外环，和电流内环一起调节三相半桥电路的驱动信号的占空比，驱动主回路逆变输出交流电；并网前按照以上的步骤运行，在确保并网断路器可靠闭合后，逐步调节到稳态的恒功率输出状态。本发明可在电压源逆变器并网过程中实现对冲击电流的有效抑制，使得其并网输出电流逐渐增加到稳态值，达到无冲击电流并网的效果。
【专利说明】三相电压源型并网逆变器的无冲击电流并网方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力的发电、变电或配电【技术领域】。是一种能有效抑制并网逆变器并 网冲击电流的并网方法。
【背景技术】
[0002] 近年来以光伏和风力发电为代表的分布式电源作为传统电源的补充，越来越多的 接入电网中。与传统同步机可以直接供出工频交流电不同，分布式电源通常不能直接产生 工频交流电，因此大多通过整流或者逆变装置实现并网和储存，而逆变器是直流型分布式 电源接入电网的最主要接口。
[0003] 逆变器是将直流电转变为交流电的装置，而从直流源的类型来分类，将直流电压 源转变为交流电输出的逆变器称为电压源型逆变器，而将直流电流源转变为交流电输出的 逆变器称为电流源型逆变器。在分布式电源接入中通常使用电压源型逆变器将直流电压转 化为工频的电压或者电流接入电网。
[0004] 目前，电压源逆变器在并网稳态运行中采用控制输出电流跟踪网侧电压来输出特 定量的有功功率或者无功功率。这一控制方式并不直接控制逆变器的输出电压跟踪网侧的 输出电压，而是利用实时采样各相电流值来计算输出的占空比。由于在逆变器并网之前并 没有输出电流，因此在开始并网时初始采样电流为零，逆变器的输出电压不能跟踪网侧的 电压故而在并网时候会出现较大的冲击电流。通常而言这个冲击电流的数值较大，甚至可 能数倍于额定电流，这会对功率器件和其他元件产生严重的冲击。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可以避免产生严重的并网冲击电 流的三相电压源型并网逆变器并网方法。本发明的技术方案如下：
[0006] 一种用于三相电压源型并网逆变器的无冲击电流并网方法，包括下列步骤：
[0007] (1)断开并网开关；
[0008] (2)在三相逆变器并网点电网侧采集三相电网相电压：A相电压UA，B相电压U B，C 相电压Uc ;在并网点逆变器侧采集三相逆变器输出相电压：A相电压Ua，B相电压Ub，C相电 压U。，在并网点逆变器侧采集逆变器输出的三相电流I A，IB，Ic，经过Clarke变换得到α轴 电流分量Ια，β轴电流分量I e ;
[0009] (3)通过三相锁相环算法将电网三相电压矢量定向在同步旋转坐标系的D轴 上，计算得到旋转坐标系D轴与静止三相坐标系下A轴的夹角Θ ;
[0010] ⑷用Θ对从并网点逆变器侧采集到的三相逆变器输出相电压进行DQ变换，得到 逆变器侧D轴电压分量U<^PQ轴电压分量Uq;利用Θ对从并网点电网侧采集到的三相电 网相电压进行DQ变换；得到网侧D轴电压分量U D和Q轴电压分量UQ ;
[0011] (5)设置D轴电压调节单元，对D轴电压分量进行控制：利用计算得到的逆变器侧 D轴电压分量Ud和电网侧D轴电压分量UD进行比较，得到电压差；对电压差进行比例积分调 节，D轴电压调节单元的输出为Udwt ;设置Q轴电压调节单元，对Q轴电压分量进行控制：利 用计算得到的逆变器侧Q轴电压分量U,和电网侧Q轴电压分量UQ进行比较，得到电压差； 对电压差进行比例积分调节，Q轴电压调节单元的输出为U_ t ;
[0012] (6)将Udwt和U_t进行Park反变换，分别得到α轴分量U a wt和β轴分量Ue QUt ;
[0013] (7)设置α轴电流调节单元，对α轴电流分量进行控制：设置这一电流调节单元 参考值为I aMf ;在并网前将Ua()Ut赋值给Iaraf作为参考值，与Ια进行比较得到电流差值； 对电流差值进行比例谐振调节，得到a轴输出I awt;
[0014] 再设置β轴电流调节单元，对β轴电流分量进行控制：设置这一电流调节单元参 考值为I eref，在并网前将U0()Ut赋值给I0Mf作为参考值与，Ie进行比较得到电流差值；对电 流差值进行比例谐振调节，得到β轴输出;
[0015] (8)将Iawt和I0()Ut进行Clarke反变换，转换为三相静止坐标系下的参考信号 IAMf，IBMf，;根据IAMf，IBMf，的输出分别调节三相半桥电路的驱动信号的占空比，驱 动主回路逆变输出交流电；
[0016] (9)并网前按照以上的步骤（2)至（8)运行，当在连续不少于5个交流周期中均判 定网侧D轴电压分量U D与逆变器侧D轴电压分量Ud差的绝对值之小于阀值Umax后，可认为 逆变器输出的三相空载电压完全跟随并网点电网侧的三相电压；满足之上条件后，发出合 闸并网信号并在发出信号后持续运行步骤（2)至（8)不少于20ms，以确保并网断路器可靠 闭合；
[0017] (10)确定并网断路器可靠闭合后，将α轴电流调节单元的参考值ΙαΜ?和β轴电 流调节单元的参考值I 0Mf分别置为由稳态输出功率计算得到的a轴参考值ImliM_aMf和 β轴参考值ImliM_eMf，逆变器将逐步调节到稳态的恒功率输出状态。
[0018] 本发明可在逆变器并网中实现对冲击电流的有效抑制，使得其在并网输出电流的 逐渐增加到稳态值。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1基于LCL滤波器的电压源型逆变器结构及并网控制方法示意图。
[0020] 图2并网控制方法流程图。
[0021] 图3实际采用无冲击电流并网方法在并网过程中的三相电流波形。
[0022] 图4实际采用无冲击电流并网方法在并网过程中的A相电流波形。
[0023] 附图中及文字中各标号的含义：
[0024] 为IGBT开关管，其组成三相电压源型逆变器；
[0025] Ls，Lg，C，R为构成三相LCL型滤波器的电感，电容和电阻；
[0026] IA为A相电流采样值，IB为B相电流采样值，I。为C相电流采样值；
[0027] UA为电网侧A相电压，UB为电网侧B相电压，Uc为电网侧C相电压；
[0028] Ua为逆变器侧A相电压，Ub为逆变器侧B相电压，U。为逆变器侧C相电压。
[0029] Ια为IA，IB，Ic经过Clarke变换得到的α轴电流分量，1 0为相同方法得到的β 轴电流分量；
[0030] UD为UA，UB，Uc经过DQ变换后得到的D轴电压分量，U Q为同理得到的Q轴电压分 量；
[0031] UdSUa，Ub，U。经过DQ变换后得到的D轴电压分量，U,为同理得到的Q轴电压分 量；
[0032] Ud()Ut为D轴比例积分控制器调节D轴电压输入Ud和参考UD得到的输出，U_ t为Q 轴比例积分控制器调节Q轴电压输入U,和参考UQ得到的输出；
[0033] Ua _为Ud()Ut和U_t进行反Clarke变换，得到的α轴分量，Ue wt为同理得到的β 轴分量；
[0034] Imline "ef是由恒功运行方式计算得到的稳态电流输出在α轴上的电流参考值； 是由恒功运行方式计算得到的稳态电流输出在β轴上的电流参考值；
[0035] IaMf是α轴上比例谐振控制单元的参考值。I0Mf是β轴上比例谐振控制单元 的参考值；
[0036] 1_是a轴上比例谐振控制单元的输出。10_是β轴上比例谐振控制单元的 输出；
[0037] Ue"控制量Ud与作为参考的UD的差的绝对值；
[0038] U_是判定是否可以并网的阀值；
[0039] Break是并网短路器控制信号，0表示打开并网断路器，1表示闭合并网断路器； [0040] i，j为程序中的计数值；m，η为计数上限。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和实施例对本发明进行说明。这一并网方法针对利用输出电流作为 内环控制的三相电压源型逆变器，解决其在并网瞬时产生冲击电流的问题。针对这一控制 类型的逆变器在并网前无法取得相关电流量从而在并网时产生控制失效的问题，本发明通 过切换控制策略的方式实现这一类型逆变器的无冲击并网控制。一次回路拓扑和控制系统 结构如图1所示。
[0042] 通常根据逆变器采用的滤波器不同，其电流内环控制策略也不相同，本方法中采 用了用于LCL滤波器的比例谐振控制方法来说明这一并网控制流程，但其基本原理也适用 于采用比例积分控制器来进行电流控制的并网逆变器。
[0043] 实现这一并网方法基本上来说需要以下三个个单元：电压调节单元，电流调节单 元以及并网控制单元。
[0044] 1、电压调节单元：
[0045] 电压调节单元是基于两相旋转坐标下的比例积分控制实现的。电压调节单元的基 本任务是在并网前向电流控制单元提供参考值。电压调节引入的控制量是逆变器侧输出的 三相相电压u a，Ub，U。经过DQ变化得到的Ud，U,。由于存在两个控制量，设置两个电压控制 单元对D轴和Q轴电压分别进行控制。分别采用电网侧三相相电压U A，UB，U。进过DQ变化 得到的UD，UQ作为参考值。利用基本的比例积分控制器根据控制量和参考值的差计算得到 输出 Udwt，u_t。
[0046] 2、电流调节单元：
[0047] 电流调节单元是基于两相旋转坐标系下的比例谐振控制实现的。电流调节的基 本任务是直接控制三相电压源型逆变器参考波形的生成，使其输出的电流满足控制器的要 求。在稳定并网情况下，电流调节单元的参考值是按照恒功率输出的要求计算得到的 araf，;而在并网前参考值是由电压调节单元的输出提供的。
[0048] 电流调节单元的输入Ia，Ie为IA，I B，Ic经过Clarke变换得到的，设置两个相同 的比例谐振调节单元实现电流控制。在并网前由于电压调节单元输出U d()Ut，&_是在两相 旋转坐标系下产生的，因此这必须经过反Clarke变换得到Ua(Mt, U0()Ut。作为电流调节单元 的参考值。
[0049] 通过比例谐振控制器的调节，电流调节单元输出1_，I0(Mt。这两个值将作为驱 动主回路IGBT的PWM脉冲生成的参考。
[0050] 3、并网控制单元：
[0051] 并网控制单元是本专利中并网方法的核心。其主要功能是判断逆变器输出电压是 否符合并网条件，并在满足并网条件的基础上给出断路器闭合命令同时实现控制方式的切 换。
[0052] 并网断路器打开，设定电流调节单元的参考值I a Mf，I e 为两个电压调节单元输 出经过Park反变换得到的Ua()Ut，U0()Ut。求逆变器侧相电压D轴分量U d和电网侧相电压D 轴分量UD差的绝对值，命名为。当满足连续η个控制周期小于预设的阀值Umax后， 判定逆变器输出电压完全跟随网侧电压，发出并网断路器闭合命令。
[0053] 在发出闭合命令后，应当保持m个周期控制策略不变，以使断路器可靠闭合。在完 成并网动作之后，设定电流调节单元的参考值I aMf，I0Mf为恒功率输出的要求计算得到的 I〇nline-a ref? I online-β ref? 逆变器开始运行在稳态恒功率输出状态。图2展示了并网控制单元的 流程图，其利用循环结构实现上述功能。
[0054] 图3和图4展示了本发明在实际应用中的情况。按照图1所示的结构搭建的并网 逆变器采用本发明提出的方法进行并网操作。从图3中可以看到在0. Is时刻控制器在判 定符合并网条件后发出闭合并网开关命令，之后维持电压外环运行4个交流周期，这一时 间由并网开关的可靠导通时间决定，通常不少于一个交流周期。可以看到由于这一段时间 逆变器输出电压始终跟踪电网电压因此输出电流很小。之后，切换外环为恒功率运行控制， 此时电流开始增加直到其达到预设稳定值。图4单独展示A相电流在这一过程中的变化， B相和C相电流波形与之类似。通过实验实测得到的波形可以充分说明本方法可以有效抑 制并网冲击电流。
[0055] 本发明的用于三相电压源型并网逆变器的无冲击电流并网方法的具体步骤如 下：
[0056] (1)断开并网开关；
[0057] (2)在三相逆变器并网点电网侧采集三相电网相电压：A相电压UA，B相电压U B，C 相电压Uc ;在并网点逆变器侧采集三相逆变器输出相电压：A相电压Ua，B相电压Ub，C相电 压U。，在并网点逆变器侧采集逆变器输出的三相相电流I A，IB，Ic，经过Clarke变换得到α 轴电流分量Ια，β轴电流分量Ie ;
[0058] (3)通过三相锁相环算法将电网三相电压矢量定向在同步旋转坐标系的D轴 上，通过计算得到旋转坐标系D轴与静止三相坐标系下A轴的夹角Θ [1，2];
[0059] (4)用Θ对从并网点逆变器侧采集到的三相逆变器输出相电压进行DQ变换，得到 逆变器侧D轴电压分量U<^PQ轴电压分量U q;利用Θ对从并网点电网侧采集到的三相电 网相电压进行DQ变换；得到网侧D轴电压分量UD和Q轴电压分量U Q ;
[0060] (5)设置D轴电压调节单元，对D轴电压分量进行控制：利用计算得到的逆变器侧 D轴电压分量Ud和电网侧D轴电压分量UD进行比较，得到电压差；对电压差进行比例积分调 节，D轴电压调节单元的输出为U dwt ;设置Q轴电压调节单元，对Q轴电压分量进行控制：利 用计算得到的逆变器侧Q轴电压分量U,和电网侧Q轴电压分量UQ进行比较，得到电压差； 对电压差进行比例积分调节，Q轴电压调节单元的输出为U_ t ;
[0061] (6)将Udwt和U_t进行Park反变换，分别得到α轴分量υ α wt和β轴分量Ue QUt ;
[0062] (7)设置α轴电流调节单元，对α轴电流分量进行控制：设置这一电流调节单元 参考值为I aMf ;在并网前将Ua()Ut赋值给Iaraf作为参考值，与Ια进行比较得到电流差值； 对电流差值进行比例谐振调节，得到a轴输出I awt;
[0063] 再设置β轴电流调节单元，对β轴电流分量进行控制：设置这一电流调节单元参 考值为I eref，在并网前将U0()Ut赋值给I0Mf作为参考值与，Ie进行比较得到电流差值；对电 流差值进行比例谐振调节，得到β轴输出;
[0064] (8)将Iawt和I0()Ut进行Clarke反变换，转换为三相静止坐标系下的参考信号 IAMf，IBMf，;根据IAMf，IBMf，的输出分别调节三相半桥电路的驱动信号的占空比，驱 动主回路逆变输出交流电；
[0065] (9)并网前按照以上的步骤（2)至（8)运行，当在连续不少于5个交流周期中均判 定网侧D轴电压分量U D与逆变器侧D轴电压分量Ud差的绝对值之小于阀值Umax后，可认为 逆变器输出的三相空载电压完全跟随并网点电网侧的三相电压；满足之上条件后，发出合 闸并网信号并在发出信号后持续运行步骤（2)至（8)不少于20ms以确保并网断路器可靠 闭合；
[0066] (10)确定并网断路器可靠闭合后，将α轴电流调节单元的参考值IaMf和β轴电 流调节单元的参考值I 0Mf分别置为由稳态输出功率计算得到的a轴参考值ImliM_aMf和 β轴参考值ImliM_eMf，逆变器将逐步调节到稳态的恒功率输出状态。
[0067] 上述"【具体实施方式】"里涉及到的参考文献的出处如下：
[0068] [1]Chung S K. Phase-locked loop for grid-connected three-phase power conversion systems[C]//Electric Power Applications, IEE Proceedings-. IET，2000, 147(3) :213-219.
[0069] [2]Kaura V，Blasko V. Operation of a phase locked loop system under distorted utility conditions[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1996.APEC'96. Conference Proceedings 1996., Eleventh Annual. IEEE，1996, 2:703-708.
【权利要求】
1. 一种用于三相电压源型并网逆变器的无冲击电流并网方法，包括下列步骤： (1) 断开并网开关； (2) 在三相逆变器并网点电网侧采集三相电网相电压：A相电压UA，B相电压UB，C相电 压U c ;在并网点逆变器侧采集三相逆变器输出相电压：A相电压Ua，B相电压Ub，C相电压U。， 在并网点逆变器侧采集逆变器输出的三相电流I A，IB，Ic，经过Clarke变换得到α轴电流 分量Ια，β轴电流分量I e ; (3) 通过三相锁相环算法将电网三相电压矢量定向在同步旋转坐标系的D轴上， 计算得到旋转坐标系D轴与静止三相坐标系下A轴的夹角Θ ; (4) 用Θ对从并网点逆变器侧采集到的三相逆变器输出相电压进行DQ变换，得到逆变 器侧D轴电压分量U<^PQ轴电压分量U q;利用Θ对从并网点电网侧采集到的三相电网相 电压进行DQ变换；得到网侧D轴电压分量UD和Q轴电压分量U Q ; (5) 设置D轴电压调节单元，对D轴电压分量进行控制：利用计算得到的逆变器侧D轴 电压分量Ud和电网侧D轴电压分量U D进行比较，得到电压差；对电压差进行比例积分调节， D轴电压调节单元的输出为Ud()Ut ;设置Q轴电压调节单元，对Q轴电压分量进行控制：利用 计算得到的逆变器侧Q轴电压分量U,和电网侧Q轴电压分量UQ进行比较，得到电压差；对 电压差进行比例积分调节，Q轴电压调节单元的输出为U_ t ; (6) 将仏_和1_进行？&4反变换，分别得到〇轴分量1(^和@轴分量化(^ ; (7) 设置α轴电流调节单元，对α轴电流分量进行控制：设置这一电流调节单元参考 值为IaMf ;在并网前将Uawt赋值给IaMf作为参考值，与Ια进行比较得到电流差值；对电 流差值进行比例谐振调节，得到a轴输出I awt ; 再设置β轴电流调节单元，对β轴电流分量进行控制：设置这一电流调节单元参考值 为Ieref，在并网前将U0()Ut赋值给I0Mf作为参考值，与I e进行比较得到电流差值；对电流 差值进行比例谐振调节，得到β轴输出; (8) 将Iawt和I0(Mt进行Clarke反变换，转换为三相静止坐标系下的参考信号IAref， IBMf，;根据Itof，IBMf，的输出分别调节三相半桥电路的驱动信号的占空比，驱动主 回路逆变输出交流电； (9) 并网前按照以上的步骤（2)至（8)运行，当在连续不少于5个交流周期中均判定 网侧D轴电压分量UD与逆变器侧D轴电压分量U d差的绝对值之小于阀值Umax后，可认为逆 变器输出的三相空载电压完全跟随并网点电网侧的三相电压；满足之上条件后，发出合闸 并网信号并在发出信号后持续运行步骤（2)至（8)不少于20ms，以确保并网断路器可靠闭 合； (10) 确定并网断路器可靠闭合后，将α轴电流调节单元的参考值IaMf和β轴电流调 节单元的参考值I0Mf分别置为由稳态输出功率计算得到的a轴参考值β轴 参考值ImliM_ eMf，逆变器将逐步调节到稳态的恒功率输出状态。
【文档编号】H02J3/38GK104218605SQ201410430914
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】李永丽, 靳伟, 张玮亚, 孙广宇, 李小叶 申请人:天津大学