一种改善电能质量的单相并网装置

摘要

本发明公开一种改善电能质量的单相并网装置，包括基于全控型电力电子器件的单相电压型逆变器，单相电压型逆变器的直流侧与分布式发电系统相连；还包括一端与逆变器输出相连另一端通过滤波电感接入电力系统的并网电容C

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统中的分布式发电和电能质量治理，属于电气工程中的 变流技术领域。

背景技术

传统的化石能源正在日益减少，以风能、太阳能为代表的新能源得到了快 速的发展与应用。新能源的发电设备，既包括大容量的集中式发电系统，也包 括小容量的分布式发电装置。小容量的风力发电机、太阳能光伏阵列还常常和 电池等储能装置配合使用，成为一个分布式发电系统。要将分布式发电系统的 电能接入低压配电网供用户使用，需要经过一系列的交直流变换。其中变换的 最后一个环节往往由将直流转化为交流的并网逆变器完成。该并网逆变器并联 接入低压电网，并控制电网和分布式发电系统间的能量交换。

并网逆变器不但可以向系统注入分布式电源发出的有功功率，还可以同时 兼备无功补偿、谐波治理的功能。传统的并网装置往往通过电抗器连接逆变器 输出端和电网，为了能实现上述功能，逆变器的输出电压必须满足一定的要求。 如当逆变器接入220V电网时，逆变器输出电压需要达到高于电网电压的水平， 相应的逆变器直流侧电压就要高于电网电压的峰值。

因为分布式电源的输出电压往往比较低，部分装置通过在并网逆变器交流 侧接入升压变压器来提高输出电压，从而接入电网，如“一种具有复合功能的 并网逆变器及并网逆变控制方法”（中国发明专利，公开日：2012年2月15日， 申请公布号：CN 102355151 A）。如果要避免使用升压变压器，就需要将分布式 电源的输出电压通过额外的环节提高，才能使逆变器可以接入配电网，一般采 用DC/DC变换器升压的办法来实现，如“太阳能光伏并网逆变器”（中国发明 专利，授权公告日2011年9月28日，授权公告号CN 101304224 B）和“兼备 无功补偿、谐波治理功能的光伏、风电统一并网装置”（中国发明专利，公开日： 2007年8月15日，公开号CN101017982A）。然而，当DC/DC变换器的变比较 高时，结构会较复杂，在升高电压的变换过程中，效率也有所下降。

发明内容

本发明的目的是为了减小并网逆变器的直流电容电压，降低开关元件的成 本以及开关损耗，提供一种通过并网电容和滤波电感将逆变器接入配电系统， 实现通过并网逆变器向系统注入分布式电源产生的有功功率，并可同时改善电 能质量的单相并网装置。

为了实现以上目的，本发明提供一种改善电能质量的单相并网装置，包括 基于全控型电力电子器件的单相电压型逆变器，单相电压型逆变器的直流侧与 分布式发电系统相连；还包括一端与逆变器输出相连另一端通过滤波电感接入 电力系统的并网电容C_inv、以及抑制逆变器输出电流中高频分量的滤波电感L_filter， 并网电容C_inv的电抗大于滤波电感L_filter的电抗。

上述装置中，所述滤波电感与并网电容谐振在配电系统的某一次谐波频率。 上述装置中，所述并网电容C_inv与滤波电感L_filter的大小通过以下方法获得：首先， 通过下式确定并网电容C_inv与滤波电感L_filter构成的串联支路的阻抗X_cf：

$X_{\mathrm{Cf}}=\frac{V_S^2}{Q_0}$

其中，V_S是逆变器接入点的系统电压，Q₀是设计无功功率；之后，根据以下公 式组计算出并网电容C_inv与滤波电感L_filter的大小：

$X_{\mathrm{Cf}}=\frac{1}{\omega C_{\mathrm{in>}}}-\omega L_{\mathrm{filter}}$

$\frac{1}{\mathrm{N\omega }{C}_{\mathrm{inv}}}-\mathrm{N\omega }{L}_{\mathrm{filter}}=0$

其中，ω=2πf，f是配电系统的工作频率，N为选定的滤波电感与并网电容谐 振在系统的谐波次数。

本发明提供的技术方案，由于采用了并网电容，在并网逆变器向系统注入 有功功率并提供无功补偿和谐波补偿时，逆变器的直流侧电压可以运行在大大 低于系统电压峰值的水平。直流侧电压的减小降低了所选择全控型电力电子器 件的耐压要求，减低装置成本的同时也减少了逆变器运行中的开关损耗。所提 出的改善电能质量的单相并网装置，不但可以向系统注入分布式电源如风力发 电机、太阳能光伏阵列产生的电能，同时还能改善系统的功率因数、减少系统 谐波。考虑到分布式发电系统往往输出功率波动较大，并网逆变器较难长时间 在额定容量下运行，并网逆变器提供电能质量治理功能，可以提高设备利用率， 带来额外效益，缩短整个并网装置的回本周期。

附图说明

图1为本发明提供的改善电能质量的单相并网装置结构示意图；

图2为本发明提供的改善电能质量的单相并网装置的等效电路；

图3为本发明提供的改善电能质量的单相并网装置运行时的向量图；

图4为本发明提供的改善电能质量的单相并网装置运行在设计无功功率时 的向量图；

图5为采用并网电感的单向并网装置的等效电路；

图6为采用并网电感的单向并网装置运行时的向量图；

图7为本发明提供的改善电能质量的单相并网装置在补偿谐波时的等效电 路；

图8为本发明提供的改善电能质量的单相并网装置在仿真例中的控制原理 方框图；

图9为仿真例中本发明提供的改善电能质量的单相并网装置向系统提供有 功和无功以及谐波补偿的电压及电流波形图；

图10为仿真例中本发明提供的改善电能质量的单相并网装置向系统提供有 功和无功以及谐波补偿时直流电压、有功输出和无功输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例提供的一种改善电能质量的单相并网装置，其包括 基于全控型电力电子器件（IGBT或MOSFET）的单相电压型逆变器（图中虚线 框内部分）、一端与逆变器输出相连另一端通过滤波电感接入电力系统的并网电 容C_inv、抑制逆变器输出电流中高频分量的滤波电感L_filter以及控制装置。其中， 所述控制装置用于控制逆变器中的电力电子器件，属于习知技术，所以图1中 未示。单相电压型逆变器的直流侧与分布式发电系统相连，所述并网电容根据 配电系统需要的无功补偿容量设定。

本实施例提供的单相并网装置在配电系统基本工作频率（例如50Hz）的等 效电路如图2所示，如公式（1）所示，图2中电容C等效于并网电容C_inv和滤波 电感L_filter串联支路，该串联支路的阻抗为：

$X_{\mathrm{Cf}}=\frac{1}{\mathrm{\omega C}}=\frac{1}{{\mathrm{\omega C}}_{\mathrm{inv}}}-{\mathrm{\omega L}}_{\mathrm{filter}}---\left(1\right)$

其中，ω=2πf，f是配电系统的工作频率。本实施例中并网电容C_inv用于提 供无功补偿，电感L_filter用于滤波，并网电容C_inv的电抗将大于电感L_filter的电抗， 因而整个支路等效为一个纯电容支路。

本实施例提供的单相并网装置可以向配电网中提供连续稳定的无功功率补 偿，串联支路的容性阻抗可以通过下式确定：

$X_{\mathrm{Cf}}=\frac{V_S^2}{Q_0}---\left(2\right)$

其中，V_S是并网逆变器接入点的系统电压，Q₀是设计无功功率。当电压单 位为伏特（V）时，功率单位为伏安（VA）。考虑到负载无功是不断变化的，Q₀可以通过下式来计算：

$Q_0=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\int }}\mathrm{Qdt}---\left(3\right)$

Q₀实际上是一个平均功率，其中的时间T可以选择一天或者一周或其它的时 间长度，主要根据安装地点的负荷波动情况来选定。根据容性阻抗值，就可以 根据下式，计算出相应的电容大小。

$C=\frac{1}{{\mathrm{\omega x}}_{\mathrm{Cf}}}---\left(4\right)$

按照图2中逆变器输出电流的正方向，当逆变器向系统注入有功功率，并 提供无功电流补偿感性负荷时，其输出电流可以表达为：

I_cf＝I_cfp-jI_cfq        （5）

其中，I_cfp代表有功电流，I_cfq代表无功电流。逆变器输出电压V_invcf可以由公式（6） 计算得到，

V_invcf=V_S+V_Cf            （6）

其中V_S是并网逆变器接入点的系统电压，V_cf是等效电路中电容上的电压 降。矢量图如图3所示，从图3中可以看出因为等效电路中电容上的电压是电 流顺时针旋转90度得到，为满足所需输出电流，逆变器的输出电压低于系统电 压，所需要的逆变器直流侧电容的电压也相应大大降低。当系统需要补偿的无 功就是设计无功功率Q₀时，逆变器输出电压和系统电压垂直，逆变器只需要为 注入有功电流提供电压，向量图如图4所示。

在传统采用并网电感的单相并网装置中，图1中的并网电容和滤波电感将 被并网电感所取代，其等效电路如图5所示。当该采用并网电感的单相并网装 置向系统注入有功功率，并提供无功电流补偿感性负荷时，向量图如图6所示， 其中V_Lf是等效电路中电感上的电压降，逆变器输出电压V_invLf可以由公式（7） 计算得到，

V_invLf＝V_S+V_Lf        （7）

从图5中可以清楚看出，逆变器输出电压必需高于系统电压才能输出所要 求的电流。相应逆变器直流侧的电压也会比本实施例提供的采用并网电容的单 相并网装置高出许多。

当本实施例提供的单相并网装置补偿负荷产生的谐波电流时，图2中针对 基波频率的等效电路不再适用，新的等效电路如图7所示。当谐波电流流过时， 电容电感串联支路的阻抗由公式（8）计算。

$X_{\mathrm{LCh}}=\frac{1}{\mathrm{h\omega }{C}_{\mathrm{inv}}}-\mathrm{h\omega }{L}_{\mathrm{filter}}---\left(8\right)$

其中h代表谐波的次数，为了能同时向系统注入有功功率、补偿无功功率 和谐波，逆变器的输出电压可以由公式（9）计算。

$V_{\mathrm{invc}}=\sqrt{{\left(X_{\mathrm{Cf}}{I}_{\mathrm{cf}}\right)}^2+\underset{h-=2}{\overset{\infty }{\Sigma }}{X}_{\mathrm{LCh}}^2{I}_h^2}---\left(9\right)$

其中，I_h为单相并网装置向系统提供的谐波补偿电流。

本实施例中，并网电容与配电系统之间串接的滤波电感L_filter，用来抑制逆变 器输出电流的高次谐波，滤波电感可以与并网电容谐振在系统的某一次谐波频 率，例如3次、5次或7次。假定所选定谐波次数为N，在该次谐波频率下，电 容电感串联支路的等效阻抗为零，如公式（10）中所示，可以进一步减小逆变 器的输出电压。

$X_{\mathrm{LCN}}=\frac{1}{{\mathrm{N\omega C}}_{\mathrm{inv}}}-{\mathrm{N\omega L}}_{\mathrm{filter}}=0---\left(10\right)$

根据公式（1），（2）和（10）就可以得到并网电容和滤波电感的值。最终， 逆变器的直流电压可以按照公式（11）来选择。

$V_{\mathrm{dc}}\ge \sqrt{2}{V}_{\mathrm{invc}}---\left(11\right)$

本实施例提供的单相并网装置的控制原理方框示意图如图8所示，其中所 采用的控制方法包括：首先，根据系统电压和负荷电流计算单相的瞬时功率， 并从分布式发电系统取得其有功功率输出的信号；然后，再由分布式发电系统 产生的有功功率、需要补偿的无功功率、谐波功率以及调节逆变器直流电压的 功率信号计算逆变器输出电流的参考信号；之后，利用滞环脉宽调制方法控制 逆变器输出电流跟踪参考信号，从而实现并网逆变器向系统注入有功，并同时 补偿无功和谐波。

下面是本发明的一个仿真例：

该仿真例中，所提出的改善电能质量的单相并网装置被并联在一个相电压 为220V的单相系统中，其并网电容为53uF，滤波电感为4mH，直流侧电容电 压为165V，滞环PWM频率为10kHz。

仿真结果如图9和图10所示，图9包含三个波形，其中第一个是接入点电 压波形，第二个是是系统侧电流，第三个是负荷电流，两者之差就是并网逆变 器注入的电流；图10中第一个波形是逆变器直流电压波形；第二个是并网逆变 器向系统注入的有功波形；最后一个是并网逆变器向系统注入的无功功率。本 发明的并网装置并联接入电网，使得原先与负荷电流一致的系统侧电流波形发 生改变，以仿真运行到0.8秒的时刻为例，并网装置接入后系统内各参数变化如 下表所示：

  有功功率(W) 无功功率(Var) 功率因数 电流谐波(THD%) 系统侧 710 0 0.994 6.61% 负荷 800 793 0.707 16%