一种发电系统逆变器的谐波改善方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种发电系统逆变器的谐波改善方法。

背景技术：

为减少资源的浪费，保护不可再生资源，走持续发展道路，新能源发电系统在电网中的渗透率越来越高，同时风力/光伏发电系统逆变器的使用也越来越多。同两电平功率逆变器相比，多电平逆变器在高电压等级领域表现出了其优越性，目前的风力/光伏发电系统中三电平逆变器逐渐替代了两电平逆变器。然而，这种情况使得电网对接入的电能质量要求更加严格，而风能/光能的大幅波动会导致谐波和功率损耗的波动，因此新能源发电中逆变器的谐波成为了关注热点之一。

现有技术的风力/光伏发电系统中三电平逆变器的谐波优化方法的提出是为了改善逆变器输出的电能质量。目前有如下几种方法：1)在线自适应死区消除法，该方法可以辨别电流方向、电流过零区域和电流非过零区域，减少低频谐波成分和总谐波畸变(thd)；2)一种改良的单相逆变器拓扑，该方法可以在无变压器光伏并网系统中减少共模漏电流，采用倍频spwm调制(正弦脉宽调制)时能达到更高的频率和更低的电流纹波，进而减小总谐波畸变thd。这些方法的提出可以减小谐波，但是并不是针对风力/光伏发电逆变器的全年运行工况进行改善的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对风力/光伏发电并网，提出一种发电系统逆变器的谐波改善方法，使得全年的谐波稳定在一个较低水平上，同时，减小全年运行工况下逆变器功率器件的功率器件的功率损耗波动减小，使得结温波动减小，提高功率器件的寿命。

为实现上述发明目的，本发明发电系统逆变器的谐波改善方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定逆变器的额定输出功率pe和开关频率fe，其中，开关频率fe为逆变器工作在额定输出功率pe状态下，使总谐波畸变(thd)小于5％的开关频率；

(2)、采集风力/光伏发电的全年运行工况，将风能/光能变化情况等效为逆变器输出功率pout的全年变化曲线；

(3)、固定逆变器的开关频率fsw为额定运行状态下的相应的开关频率fe，使逆变器输出功率pout线性增长，得到总谐波畸变(thd)随pout的增长而减小的曲线，即thd变化曲线；

(4)、将逆变器输出功率pout的全年变化曲线分为n个功率等级区间：

(4.1)、在thd变化曲线上，将总谐波畸变(thd)等间距分段，得到n个依次升高的thd等级区间：thd(0)-thd(1)，thd(1)-thd(2)，……，thd(n-1)-thd(n)，其中，thd(0)-(n)为总谐波畸变变化曲线的区间点；

(4.2)、在thd变化曲线上，thd(0)-(n)分别对应n+1个逆变器输出功率pout，将这n+1个逆变器输出功率pout取为n+1个便于记录的整数，得到逆变器输出功率pout0-pout(n)，将输出功率分为n个依次升高的功率等级区间：pout0-pout1，pout1-pout2，……，pout(n-1)-pout(n)；

(5)、制定逆变器开关频率随功率变化的控制规则：

(5.1)、根据步骤(4)得到的n个功率等级区间，分别以pout0，pout1，……，pout(n-1)表示功率等级区间pout0-pout1，pout1-pout2，……，pout(n-1)-pout(n)的代表值；

(5.2)、对于每个功率等级区间的代表值，均找到使电流thd小于5％的开关频率，则这n个功率等级区间分别对应的开关频率为fsw0，fsw1，……，fsw(n-1)，fsw0对应最小的功率等级区间pout0-pout1，fsw(n-1)对应最高的功率等级区间pout(n-1)-pout(n)；

(6)、根据以上n个功率等级区间及其对应的开关频率，得到全年风速/光能不断变化情况下即逆变器不同输出功率下逆变器的开关频率，并将该开关频率应用于逆变器的调制控制中，实现谐波改善。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明发电系统逆变器的谐波改善方法，将风速/光能转化为逆变器的输出功率，再根据总谐波畸变(thd)随输出功率的变化曲线将输出功率分为几个功率等级区间，每个功率等级区间对应一个开关频率以使thd低于5％，在风力/光伏发电系统全年运行时更具输出功率所在的功率等级区间，采用一个对应的开关频率，这样以变化的开关频率以适应变化的输出功率，达到改善谐波的目的。

同时，本发明发电系统逆变器的谐波改善方法还具有以下有益效果：

1、本发明不仅可以减小风力/光伏发电系统逆变器在低功率运行时的总谐波畸变(thd)，还可以使全年运行工况下的总谐波畸变均稳定在5％以下；

2、本发明在改善逆变器总谐波畸变的同时，也能够使全年风能变化时的逆变器功率损耗波动减小和功率器件的结温波动减小，有助于器件提高寿命；

3、与其他改善谐波的方法相比本发明不需要改变逆变器拓扑结构，不需要改变或增删器件。

附图说明

图1是本发明发电系统逆变器的谐波改善方法一种具体实施方式流程图；

图2是应用本发明的发电系统逆变器的结构图；

图3是全年工况下风能变化时逆变器输出功率的变化情况一简化图；

图4是总谐波畸变随输出功率变化的曲线图；

图5是将图3所示的逆变器输出功率转换为代表值后的阶梯状变化曲线图；

图6是使用本发明风力发电系统逆变器的谐波改善方法前后的全年thd变化曲线对比图；

图7是使用本发明风力发电系统逆变器的谐波改善方法前后的的功率器件损耗变化曲线对比图：(a)为开关管sa1的损耗对比图，(b)为开关管sa2的损耗对比图，(c)为二极管da5的损耗对比图；

图8是使用本发明风力发电系统逆变器的谐波改善方法前后的的功率器件结温变化对比图：(a)为开关管sa1的结温对比图，(b)为开关管sa2的结温对比图，(c)为二极管da5的结温对比图。。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：

thd(totalharmonicdistortion)：总谐波畸变

3l-npc(three-levelneutral-point-clamped)：中点钳位型三电平逆变器

pwm(pulsewidthmodulation)：脉冲宽度调制；

igbt(insulatedgatebipolartransistor)：绝缘栅双极型晶体管

图1是本发明发电系统逆变器的谐波改善方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明发电系统逆变器的谐波改善方法包括以下步骤：

步骤s1：确定逆变器的额定输出功率pe和开关频率fe，其中，开关频率fe为逆变器工作在额定输出功率pe状态下，使总谐波畸变(thd)小于5％的开关频率。

在本实施例中，逆变器结构为如图2所示的3l-npc拓扑结构，滤波器为l＝0.9mh的l型滤波器，逆变器的额定输出功率pe＝1.8mw和开关频率fe＝1.1khz，发电机为风力发电机。

步骤s2：采集风力发电的全年运行工况，将风能/光能变化情况等效为逆变器输出功率pout的全年变化曲线。在本实施例中，风能变化时逆变器输出功率pout的全年变化曲线如图3所示。

步骤s3：固定逆变器的开关频率fsw为额定运行状态下的相应的开关频率fe，使逆变器输出功率pout线性增长，得到总谐波畸变(thd)随pout的增长而减小的曲线，即thd变化曲线。在本实施例中，将逆变器开关频率固定为额定运行状态下的开关频率fe＝1.1khz，令输出功率pout从800kw到1800kw线性增长，得到总谐波畸变随输出功率pout增长而变化的曲线即即thd变化曲线。

步骤s4：将逆变器输出功率pout的全年变化曲线分为n＝4个功率等级区间：

步骤s4.1：在thd变化曲线上，将总谐波畸变(thd)等间距分段，得到n＝4个依次升高的thd等级区间：thd(0)-thd(1)，thd(1)-thd(2)，thd(2)-thd(3)，thd(3)-thd(4)，其中，thd(0)-(4)为总谐波畸变变化曲线的区间点。在本实施例中，将总谐波畸变变化范围设置为3％到9％，这样等间距分段为：thd(0)-thd(1)＝3％-4.5％，thd(1)-thd(2)＝4.5％-6％，thd(2)-thd(3)＝6％-7.5％，thd(3)-thd(4)＝7.5％-9％。

步骤s4.2：在thd变化曲线上，thd(0)-(4)分别对应n+1即5个逆变器输出功率pout，将这5个逆变器输出功率pout取为5个便于记录的整数，得到逆变器输出功率pout0-pout(n)即800kw、900kw、1100kw、1400kw以及1800kw。将输出功率分为n＝4个依次升高的功率等级区间：pout0-pout1，pout1-pout2，……，pout(n-1)-pout(n)即800kw-900kw、900kw-1100kw、1100kw-1400kw、1400kw-1800kw。

步骤s5：制定逆变器开关频率随功率变化的控制规则：

步骤s5.1：根据步骤(4)得到的n个功率等级区间，分别以pout0，pout1，……，pout(n-1)即800kw、900kw、1100kw、1400kw表示功率等级区间pout0-pout1，pout1-pout2，pout2-pout3，pout3-pout4的代表值。

步骤s5.2：对于每个功率等级区间的代表值，均找到使电流thd略小于5％的开关频率，则这n＝4个功率等级区间分别对应的开关频率为fsw0，fsw1，fsw2，fsw3，fsw0对应最小的功率等级区间pout0-pout1，fsw1对应最小的功率等级区间pout1-pout2，fsw2对应功率等级区间pout2-pout3，fsw3对应最高的功率等级区间pout3-pout4pout2-pout3。

在本实施例中，开关频率为fsw0＝1.9khz，fsw1＝1.7khz，fsw2＝1.4khz，fsw3＝1.1khz.

步骤s6：根据以上n＝4个功率等级区间及其对应的开关频率，得到全年风速/光能不断变化情况下即逆变器不同输出功率下，逆变器的开关频率，并将该开关频率应用于逆变器的调制控制中，实现谐波改善。

在本实施例中，将逆变器输出功率转换根据功率等级区间变换为对应的代表值，具体如图5所示，其将图3所示的逆变器输出功率转换为了代表值，形成阶梯状变化曲线图，根据代表值得到相应的逆变器的开关频率，并将该开关频率应用于逆变器的调制控制中，以实现谐波改善。

本发明也可以用于两电平逆变器。相较于两电平逆变器，三电平逆变器更有利于改善电能质量，减少谐波。

图6是使用本发明风力发电系统逆变器的谐波改善方法前后的全年thd变化曲线对比图。

在本实施例中，此时已将风能变化简化为输出功率阶梯状变化，可以看出，在全年运行工况下，使用本发明前在低功率段变换器的thd会明显增大，而使用本发明后，thd均稳定在5％以下，对thd的改善效果较好。

图7和图8分别是使用本发明风力发电系统逆变器的谐波改善方法前后的功率器件损耗变化和结温变化对比图。由于3l-npc的上下桥臂对称，只以上桥臂为例，可以看出，在全年运行工况下，使用本发明后变换器的sa1，sa2和da5在低功率段的功率损耗和结温有小幅度上升，但风速变化时损耗和结温的波动都有所减小，这在一定程度上可以提高器件的可靠性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。