一种基于九开关管逆变器的多功能分布式电源并网装置的制作方法

本发明涉及一种基于九开关管逆变器(NSI)的多功能分布式电源并网装置的配置方案，适用于分布式电源的并网控制，为补偿大量非线性和冲击负载接入后造成的公用电网谐波污染问题，实现分布式电源逆变器在电网故障状态下的低电压穿越，基于九开关管逆变器的拓扑结构，而设计的一种新型分布式电源并网逆变装置，属于分布式发电技术领域。

背景技术：

随着地球传统化石能源的枯竭，可再生能源成为全球新的研究热点。其中光伏、风电产业发展迅速，技术相对成熟，已实现了规模化商业开发。在电网电压跌落时，分布式电源的直流侧可能出现过电压、过电流等一系列暂态过程，进而损坏分布式电源并网变流器中的电力电子设备。新的分布式电源并网导则要求风机、光伏等发电机组必须具备一定的低电压穿越能力。

与此同时，随着利用电力电子装置的非线性负荷和分布式发电系统大量接入配电网，使得电网电流的谐波含量骤增，上述谐波污染使公用电网的谐波污染日趋严重。较大的谐波电流将直接威胁到配电网的运行安全。在现有技术手段中，电力有源滤波(APF)技术是治理电网谐波污染的主要手段之一，在电网，尤其是配电和用电领域的应用越来越广泛。

为解决分布式电源接入时的低电压穿越问题，国内外学者提出了众多分布式电源低电压穿越方案，总结起来可分为以下3类：(1)在直流环节加装卸荷电阻，通过卸荷电阻消耗多余的有功功率，可将直流母线电压的波动范围限制在10％的额定范围内，但系统效率较低，散热设计困难；(2)通过机侧变流器控制直流母线电压，将不能释放的能量存储在机组传动链中，由于发电机转速不受控，会对系统安全运行带来风险；(3)采用储能装置将多余的能量存储起来，虽然可实现功率平滑，但会增加系统成本。本发明依据德国E.ON标准规定，通过两个网侧变流器端口向并网点注入无功功率来实现分布式电源的低电压穿越。

现有的电能质量问题表现为谐波污染和无功缺额，传统可供选择的治理方法主要分为以无源电力滤波器、并联补偿电容器为代表的无源设备，以及以有源滤波器和静止无功补偿器为代表的有源设备。其中无源设备具有结构原理简单、运行可靠性高、维护费用低等优点，但亦有与电网参数发生谐振的潜在危险，且当系统以小方式运行时，容易造成无功过补偿，增加系统损耗，威胁电网运行安全。而有源设备因具有运行方式灵活、扩展性强、调节速度快等优点，正逐步取代无源设备成为中、低压配电网中电能质量治理装置发展的主流。

技术实现要素：

发明目的：为了解决分布式电源并网点谐波和无功等电能质量问题的治理、分布式电源低电压穿越控制的问题，本发明设计了一种基于九开关管逆变器(NSI)的多功能分布式电源并网装置的配置方案。利用九开关管逆变器所提供的两组输出端口，分别构成分布式电源并网逆变器的网侧主、辅变流器端口，在电网正常运行时，实现分布式电源并网馈能的同时进行谐波抑制和无功补偿，以改善电网电能质量；在电网故障发生电压跌落时，通过NSI两个输出端口间的协调控制来满足低电压穿越的要求，从而在同一套并网装置内把分布式电源并网控制、无功和谐波电流补偿、低电压穿越功能结合在一起，减小系统投资成本，提高分布式电源的稳定性和电网电能质量。

技术方案：

一种基于九开关管逆变器的多功能分布式电源并网装置，包括九开关管逆变器；所述九开关管逆变器的一个上输出端口通过并网变压器与电网连接，另一个下输出端口并联接入电网；所述九开关管逆变器的两个输出端口分别形成分布式电源并网逆变器的网侧主、辅变流器端口；

在电网正常运行时，所述网侧主变流器端口将微源产生的电能逆变成符合并网条件的交流电，并维持变流器直流母线电压稳定；所述网侧辅变流器端口在电流环中加入谐波电流补偿值；

在电网故障时，利用两个输出端口之间的协调配合，实现分布式电源的低电压穿越，将分布式电源产生的能量顺利送入电网，同时向电网发出无功，支持电网电压恢复。

所述九开关管逆变器由三个桥臂并联形成；所述桥臂包括三个串联在一起的开关管；

定义靠近直流母线正极开关管为上开关管，记为S_jH(j＝a,b,c)；靠近直流母线负极开关管为下开关管，记为S_jL(j＝a,b,c)；各桥臂的三个开关管中，除去上、下开关管后余下的开关管为中开关管，记为S_jM(j＝a,b,c)；

将所述九开关管逆变器上、下输出端口的调制波信号U_refH、U_refL共用三角载波进行调制；若U_refH大于载波，则对应相的开关管S_jH(j＝a,b,c)导通，否则S_jH关断；若U_refL大于载波，则对应相的开关管S_jL(j＝a,b,c)关断，否则S_jL导通；而每相中间管S_jM(j＝a,b,c)的驱动信号为对应相S_jH与S_jL的异或获得。

所述网侧主变流器采用基于电网电压定向的前馈补偿dq解耦方式来分别控制d轴有功电流和q轴无功电流；

网侧主变流器是在dq坐标系内完成控制的，其中d轴分量与并网点电压矢量同向；滤波电容端电压矢量与网侧主变流器注入电流矢量之间的关系为：

其中L₁为滤波电抗，e_d、e_q为滤波电容C₁两端电压的d、q轴分量，u_cd、u_cq为所述九开关管逆变器上端口输出电压的d、q轴分量，i_d1、i_q1为所述九开关管逆变器上端口输出电流的d、q轴分量，ω_e为系统角频率；

所述网侧主变流器采用双环控制，其中直流母线电压控制外环，通过将直流母线电压的参考值u_dcref与实测值u_dc比较做差后，通过PI控制器产生d轴电流指令值i_d1ref，通过给定的功率因数设定q轴电流指令值i_q1ref；将电网正常工况电流指令值i_d1ref、i_q1ref或电网故障工况电流指令值i_gd1ref、i_gq1ref输入解耦PI控制器构成的电流内环，产生相应的调制信号d、q轴分量u*_gd1和u*_gq1，通过Park逆变换获取三相调制信号，再根据PWM调制算法，完成对所述九开关管逆变器上端口的输出控制。

3、根据权利要求1所述的多功能分布式电源并网装置，其特征在于：所述网侧辅助变流器是在dq坐标系内完成控制的，其中d轴分量与并网点电压矢量同向；滤波电容端电压矢量与网侧主变流器注入电流矢量之间的关系为：

其中L₂为滤波电抗，U_gd、U_gq为滤波电容C₂两端电压的d、q轴分量，u_ad、u_aq为NSI上端口输出电压的d、q轴分量，i_d2、i_q2为NSI上端口输出电流的d、q轴分量，ω_e为系统角频率；

所述网侧辅助变流器采用单环控制，将谐波检测环节获取的电流指令值i_dh、i_qh或电网故障工况电流指令值i_gd2ref、i_gq2ref分别与辅助逆变器端口对应d、q轴电流实测值i_d2、i_q2相减后，输入解耦PI控制器构成的电流环，产生相应的调制信号d、q轴分量u*_gd2和u*_gq2，通过Park逆变换获取三相调制信号，再根据PWM调制算法，完成对所述九开关管逆变器下端口的输出控制。

在电网正常运行时，所述网侧辅助变流器的参考电流值即为谐波电流补偿值；所述谐波电流的检测如下：

数字锁相环PLL跟踪电网a相电压相位，三相负载电流i_a、i_b、i_c经abc/dq变换后得到两相旋转坐标系下的有功和无功电流分量i_d、i_q，将i_d、i_q通过低通滤波器后，获取负载基波电流所对应的直流分量i_db、i_qb，则i_d与i_db之差即为dq坐标系内谐波电流的d轴分量i_dh，i_q与i_qb之差即为dq坐标系内谐波电流的q轴分量i_qh。

当电网故障并发生电压跌落时，网侧主、辅变流器切换至LVRT模式，在无功支持和有功平衡两个层面协同工作；

在无功支持层面，将NSI输出无功电流控制的参考值分别设定为：

式中u_g为电网电压，u_ref为故障前电网电压，i_gq1ref和i_gq2ref分别为主变流器和辅助变流器q轴无功指令电流，所有值均为标幺值；

在系统无功支持策略确定后，计算出网侧变流器在保持系统能量平衡的前提下，NSI主、辅变流器的d轴指令电流值分别为：

式中i_gd1ref和i_gd2ref分别为主、辅变流器d轴有功指令电流，P_s为故障前系统输出有功功率。

当网侧电压发生深度跌落时，辅助使用直流斩波控制和直流母线卸荷电路，把直流侧电压控制在1.1倍标幺值内。

有益效果：(1)利用NSI的两个输出端口构造主、辅分布式电源并网端口，可达到与传统背靠背型全控逆变器相同的并网与补偿效果，但使用本发明所述结构相比较背靠背型电路却可节省3个开关管，从而缩小装置体积，减少投资成本；(2)利用辅助并联端口，在电网未发生故障时，实现有源滤波器功能，利用有源滤波器运行方式灵活、扩展性强、调节速度快的优点，实现对分布式电源并网点谐波、无功等电能质量问题的治理，提高电网电能质量；(3)在电网发生故障时，通过协调控制NSI的两个输出端口实现分布式电源并网变流器LVRT策略，按照国际相关标准向电网提供无功支持，并尽量减小直流侧卸荷电阻的散热压力，维持系统能量平衡，实现分布式电源的低电压穿越。本发明所提系统将分布式电源并网控制、无功和谐波电流补偿、低电压穿越功能相结合，提高了系统的稳定性和电能质量，有较高的性价比和系统利用率，因此具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1是十二开关管逆变器与九开关管逆变器拓扑关系图。

图2是基于九开关管逆变器(NSI)的多功能分布式电源并网装置结构图。

图3是多功能分布式电源并网装置的网侧主变流器控制框图。

图4是多功能分布式电源并网装置的网侧辅助变流器控制框图。

图5是多功能分布式电源并网装置谐波电流检测原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明采用九开关管逆变器作为电力电子主电路，为分布式电源并网装置提供两个独立的输出端口。

图1给出了十二开关管逆变器与九开关管逆变器之间的拓扑关系。图1的左侧为较常采用的背靠背型十二开关管逆变器，图1的右侧为新型九开关管逆变器。可见九开关管逆变器与十二开关管逆变器同样能对外提供两组三相输出端口，但是九开关管逆变器可比十二开关管逆变器节约3个开关管。通过比较可知，九开关管逆变器具有结构紧凑、成本较低的优势。因此，可利用九开关管逆变器的两个输出端口，分别形成分布式电源并网接口的主变流器部分和辅助变流器部分。

定义三个串联在一起的开关管构成一个桥臂，则可将NSI的九个开关管分为三个桥臂。为了避免将直流母线短接，每个桥臂上所串联的三个开关管不能同时导通。当负载含有感性元件时，为了避免输出端悬空，应控制每个桥臂上至少同时有两个开关管导通。定义靠近直流母线正极开关管为上开关管，记为S_jH(j＝a,b,c)；靠近直流母线负极开关管为下开关管，记为S_jL(j＝a,b,c)；各桥臂的三个开关管中，除去上、下开关管后余下的开关管为中开关管，记为S_jM(j＝a,b,c)。将NSI上、下输出端口的调制波信号U_refH、U_refL共用三角载波进行调制。若U_refH大于载波，则对应相的开关管S_jH(j＝a,b,c)导通；否则S_jH关断。若U_refL大于载波，则对应相的开关管S_jL(j＝a,b,c)关断；否则S_jL导通。而每相中间管S_jM(j＝a,b,c)的驱动信号为对应相S_jH与S_jL的异或获得。

图2给出了基于九开关管逆变器(NSI)的多功能分布式电源并网逆变器结构图。设计了一种基于九开关管逆变器(NSI)的多功能分布式电源并网装置的配置方案。利用九开关管逆变器所提供的两组输出端口，分别构成分布式电源并网逆变器的网侧主、辅变流器端口，在电网正常运行时，利用NSI所提供的一个输出端口构成主输出端口，保证系统的并网馈能，同时利用NSI所提供的另一个输出端口构成辅助输出端口，实现无功和谐波补偿，改善并网点周边的电能质量，实现分布式电源并网馈能的同时进行谐波抑制和无功补偿，以改善电网电能质量；在电网故障发生电压跌落时，通过NSI两个输出端口间的协调控制实现分布式电源的LVRT策略，并按照相关标准向电网提供无功支撑，尽量减小直流侧卸荷电阻的散热压力，维持系统能量平衡，来满足低电压穿越的要求，从而在同一套并网装置内把分布式电源并网控制、无功和谐波电流补偿、低电压穿越功能结合在一起，减小系统投资成本，提高分布式电源的稳定性和电网电能质量，有较高的性价比和系统利用率。

其中九开关管逆变器的直流侧并联有等效直流母线电容C，同时并联有微源控制及直流斩波环节用于控制直流母线电压以及微电源实现MPPT等功能。九开关管逆变器的一个输出端口通过由电感L₁、电容C₁构成的LC滤波电路及并网变压器接入电网，将微源产生的电能逆变成符合并网条件的交流电，并维持变流器直流母线电压稳定；九开关管逆变器的另一个输出端口通过由电感L₂、电容C₂构成的LC滤波电路直接接入并网变压器的电网侧，在电流环中加入谐波电流补偿值，用于改善电网电能质量。电网侧包含网侧等效电抗L_grid和三相等效电压源U_j(j＝a,b,c)。由于并联运行的两个逆变器端口之间可能产生环流，会给并联系统带来加大开关元件负担、增加系统损耗、甚至损坏功率器件的不利影响。本发明通过并网变压器将作为主、辅逆变器的两个输出端口进行隔离，以消除主、辅变流器之间的环流。

如图3所示为本发明所提出的多功能分布式电源并网装置的网侧主变流器控制框图，网侧主变流器用以维持NSI直流侧母线电压，同时调节NSI与大电网之间无功功率的交换，其主要控制目标为将分布式电源产生的有功功率注入电网，并按要求调节功率因数。

网侧主变流器采用基于电网电压定向的前馈补偿dq解耦方式来分别控制d轴有功电流和q轴无功电流。

网侧主变流器是在dq坐标系内完成控制的，其中d轴分量与并网点电压矢量同向。可将滤波电容端电压矢量与网侧主变流器注入电流矢量之间的关系描述为：

其中L₁为滤波电抗，e_d、e_q为滤波电容C₁两端电压的d、q轴分量，u_cd、u_cq为NSI上端口输出电压的d、q轴分量，i_d1、i_q1为NSI上端口输出电流的d、q轴分量，ω_e为系统角频率。

图3中的网侧主变流器采用双环控制，其中直流母线电压控制外环，通过将直流母线电压的参考值u_dcref与直流母线电压的实测值u_dc比较做差后，通过PI控制器产生d轴电流指令值i_d1ref，通过给定的功率因数设定q轴电流指令值i_q1ref；将电网正常工况电流指令值i_d1ref、i_q1ref或电网故障工况电流指令值i_gd1ref、i_gq1ref输入解耦PI控制器构成的电流内环，产生相应的调制信号d、q轴分量u*_gd1和u*_gq1，通过Park逆变换获取三相调制信号，再根据PWM调制算法，完成对NSI上端口的输出控制。

在电网正常运行时，通过d轴分量的双环控制器来稳定NSI直流母线电压，从而使得分布式电源产生的有功功率能够及时注入电网；通过对q轴分量的单环控制器，按照事先设定的无功功率输出相应的无功电流参考值。在电网故障时，主逆变器端口电流的d、q轴分量由低电压穿越控制策略决定。

如图4所示为本发明所提出的多功能分布式电源并网装置的网侧辅助变流器控制框图，网侧辅助变流器的电流环中添加谐波电流补偿值，用于控制产生补偿电流，改善电网电能质量。当电网正常时，辅助变流器端口工作于APF模式下，其指令电流为谐波检测环节获得的补偿电流值；当电网故障时，辅助变流器端口与主变流器端口相配合，实现分布式电源并网逆变器的低电压穿越。

网侧辅助变流器端口工作于有源滤波器(APF)模式，控制其向电网注入谐波和无功补偿值，用于改善分布式电源并网点的电能质量。网侧辅助变流器端口的电流参考值源自谐波电流检测算法，并在d-q坐标系内，采用电流环解耦控制实现对指令电流的跟踪。

网侧辅助变流器是在dq坐标系内完成控制的，其中d轴分量与并网点电压矢量同向。可将滤波电容端电压矢量与网侧主变流器注入电流矢量之间的关系描述为：

其中L₂为滤波电抗，U_gd、U_gq为滤波电容C₂两端电压的d、q轴分量，u_ad、u_aq为NSI上端口输出电压的d、q轴分量，i_d2、i_q2为NSI上端口输出电流的d、q轴分量，ω_e为系统角频率。

图4中的网侧辅助变流器采用单环控制，将谐波检测环节获取的电流指令值i_dh、i_qh或电网故障工况电流指令值i_gd2ref、i_gq2ref分别与辅助逆变器端口对应d、q轴电流实测值i_d2、i_q2相减后，输入解耦PI控制器构成的电流环，产生相应的调制信号d、q轴分量u*_gd2和u*_gq2，通过Park逆变换获取三相调制信号，再根据PWM调制算法，完成对NSI下端口的输出控制。

在电网正常运行时，辅助变流器工作于有源滤波器模式，此时辅助变流器的参考电流值为网侧谐波电流的补偿量。因此谐波电流补偿值被添加给电流环，用以提高电网的电能质量。如图5为本发明提出的谐波电流检测原理图。数字锁相环PLL跟踪电网a相电压相位，用以保证谐波电流检测的精度，三相负载电流i_a、i_b、i_c经abc/dq变换后得到两相旋转坐标系下的有功和无功电流分量i_d、i_q，将i_d、i_q通过低通滤波器后，获取负载基波电流所对应的直流分量i_db、i_qb，则i_d与i_db之差即为dq坐标系内谐波电流的d轴分量i_dh，i_q与i_qb之差即为dq坐标系内谐波电流的q轴分量i_qh。

当电网故障并发生电压跌落时，网侧逆变器的功率输出受到限制。如果分布式电源的功率不调整，多余的能量将造成并网逆变器直流侧过电压，危害到分布式电源的运行安全。此时，可以充分利用主、辅变流器的容量，将两个变流器切换至LVRT模式，在无功支持和有功平衡两个层面协同工作，从而将分布式电源产生的能量顺利送至电网，同时向电网发出无功功率，支持电网电压恢复。

在无功支持层面，根据德国E.ON公司标准规定：电网电压每跌落1％的额定电压，以风力发电系统为例的分布式电源需向电网发出2％额定电流大小的无功电流。因此，分布式电源首先满足无功电流的要求，根据电网电压跌落的幅度决定输送给电网的无功电流的大小。将NSI输出无功电流控制的参考值分别设定为：

式中u_g为电网电压，u_ref为故障前电网电压，i_gq1ref和i_gq2ref分别为主变流器和辅助变流器q轴无功指令电流，所有值均为标幺值。

在系统无功支持策略确定后，计算出网侧变流器在保持系统能量平衡的前提下，NSI主、辅变流器的d轴指令电流值分别为：

式中i_gd1ref和i_gd2ref分别为主、辅变流器d轴有功指令电流，P_s为故障前系统输出有功功率。但由于NSI输出电流的限制，网侧变流器的控制策略只能满足一定跌落程度的LVRT。当网侧电压发生深度跌落时，需要辅助使用直流斩波控制和直流母线卸荷电路，把直流侧电压控制在1.1倍标幺值内。

本发明未特别限定的技术均为现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。