采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器及该三相并网逆变器的控制方法

摘要

采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器及该三相并网逆变器的控制方法，属于电网逆变技术领域。它克服了传统并联型并网逆变器体积重量大、成本高、效率低、应用范围窄、控制复杂、可靠性差等不足的稳妥。本发明的逆变器中的两套三相并网逆变器并联连接，其共用的直流母线上并接电容器，两套三相并网逆变器中属于同一相的两个交流信号输出端分别经一套耦合电抗器后连接到一起，并接入电网。本发明所述的三相并网逆变器中由于耦合电抗器的使用，使得两套结构相同的三相并网逆变器之间互相耦合，且对每三相并网逆变器来说，d轴、q轴分量之间也存在相互耦合，为消除这些影响，本发明的控制方法中在采用电流环的同时采用了前馈解耦控制策略。

说明书

技术领域

本发明属于电网逆变技术领域，具体涉及三相并网逆变器。 

技术背景

随着人们环保意识的增强及能源的日益紧缺，以风能、太阳能等为代表的新能源产业得到了长足的发展。为了将由风能、太阳能等转换而来的电能输送到电网，通常需要由并网逆变器将其转换为幅值、频率、相位与电网相一致的电能，从而实现系统的并网运行。为了提高并网逆变器的功率等级，同时降低生产成本，并提高系统可靠性，逆变器的并联运行得到了广泛关注。在不增加单个功率开关电流应力的条件下，通过并联技术可以使总电流成倍增加，从而使研发更高功率等级的三相并网逆变器成为现实。此外，在总功率一定的情况下，可以使用功率等级更低的功率开关器件，从而大大降低生产成本。同时，并联方案便于进行模块化设计，缩短了生产周期，并拓宽了功率模块的使用范围。而且采用载波相移(carrier phase shift，CPS)技术后，可以使并联后总电流的谐波大大降低，进而可以减小滤波器容量，降低了生产成本。此外，并联方案使得N+1冗余设计成为现实，提高了系统的可靠性，结合热拔插技术，使其具有更大优势。 

在单套变流器系统中，由于没有零序环流通道，不存在环流问题，但在并联型系统中，如果存在环流通道，就会产生严重的环流问题。环流只在并联的变流器之间流动，它的存在增加了损耗，降低了系统效率，并使功率器件发热严重，甚至使其烧毁。而且环流会引起不均流问题，从而使功率器件承受的电流应力不均衡，影响其使用寿命，并限制了整套系统容量的增加。同时环流会使三相电流产生畸变，使得总谐波畸变率(total harmonicdistortion，THD)增大，导致系统不能满足并网要求。此外，高频环流会带来严重的电磁干扰(electromagnetic interface，EMI)问题。 

为解决环流问题，国内外学者进行了深入研究。传统上，通常采用交流侧使用隔离变压器方案或适当软件方案以抑制零序环流。 

文献1(Dixon J W，Ooi B T.Series and parallel operation of hysteresis current-controlledPWM rectifiers[J].IEEE Transaction on Industry Applications，1989，25(4)：644-651)将多个结构相同的变换器并联使用，交流侧通过隔离变压器将各变换器的输入隔离起来，提高了变换器的功率等级，消除了零序环流问题，但隔离变压器的使用大大增加了系统的体积、 重量和成本。 

文献2(Yoshihiro Komatsuzaki.Cross current control for parallel operating three phaseinverter[C].Power Electronics Specialists Conference，Taipei，China，1994)和文献3(SFukuda，K Matsushita.A control method for parallel-connected multiple inverter systems.PowerElectronics and Variable Speed Drive，London，England，1998)将并联变换器当作一个整体来控制，从控制方法上抑制了环流，但这种方式控制复杂，当更多模块并联时很难实现。 

文献4(李建林，高志刚，胡书举，等.并联背靠背PWM变流器在直驱型风力发电系统的应用[J].电力系统自动化，2008，32(5)：59-62)提出了独立直流母线的拓扑结构，在硬件上消除了环流通道，解决了环流问题，并使系统控制起来相对简单，但这种拓扑结构只适用于具有电气隔离作用的特种电机，当电机为常用的三相电机时仍存在严重的环流问题，且机侧环流与网侧环流相互耦合，限制了其使用场合。此外，这种拓扑结构由于直流母线分开，必须对两母线电压分别加以控制，增加了系统的体积，且不利于模块化设计。 

文献5(李瑞，徐壮，徐殿国.并联型永磁直驱风电系统的环流分析及其控制[J].中国电机工程学报，2011，31(6)：38-45)提出了并联型变流器拓扑结构，交流侧省去了隔离变压器，同时设计了零序环流器控制器，抑制了零序环流，大大提高了变流器的功率等级，但由于零序环流阻抗较小，因此零序环流问题解决起来难度相对较大，此外，零序环流控制器的使用增加了控制系统的复杂性。 

发明内容

为了克服传统并联型并网逆变器体积重量大、成本高、效率低、应用范围窄、控制复杂、可靠性差等不足，本发明提出了一种采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器及该三相并网逆变器的控制方法。 

本发明所述的采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器由两套结构相同的三相并网逆变器和三套耦合电抗器组成，所述两套结构相同的三相并网逆变器共用共直流母线，所述直流母线上并接电容器；所述两套结构相同的三相并网逆变器相互并联连接，两套结构相同的三相并网逆变器中属于同一相的两个交流信号输出端分别经一套耦合电抗器后连接到一起，并接入电网。 

所述两套结构相同的三相并网逆变器中的功率开关采用IGBT实现。 

上述三相并网逆变器的控制方法为：采用电压传感器测量获得的直流母线电压信号作为直流电压反馈量U_dc，直流母线电压给定值U_dcref与直流电压反馈量U_dc做差之后输入至电压环PI控制器，经该电压环PI控制器处理后获得i_dref，该i_dref经权重分配后获得两个电 流给定值i_d1ref、i_d2ref，所述两个电流给定值i_d1ref、i_d2ref分别作为两套并网三相逆变器的d轴电流环控制器的电流给定值； 

同时，采用电流传感器分别测量获两套并网逆变器的三相电流信号，并将该三相电流信号经坐标变换后得到所述两套并网逆变器的d轴电流i_d1、i_d2和q轴电流i_q1、i_q2；所述d轴电流i_d1、i_d2和q轴电流i_q1、i_q2分别作为d轴电流环的反馈值和q轴电流环的反馈值实现d轴电流环的闭环控制和q轴电流的闭环控制； 

每个d轴电流环的反馈值i_d1、i_d2分别与对应的电流给定值i_d1ref、i_d2ref做差后经PI调节后，再分别与对应的前馈补偿量进行相加获得u_d1、u_d2； 

每个q轴电流环的反馈值i_q1、i_q2分别与对应的电流给定值i_q1ref、i_q2ref做差后经PI调节后，再分别与对应的前馈补偿量进行相加获得u_q1、u_q2； 

所述u_d1、u_d2和u_q1、u_q2作为电流环控制器的输出信号，所述输出信号经Park逆变换后得到两相静止坐标系中的电压参考量，该电压参考量作为SVPWM模块的输入生成三相桥臂的占空比信号，进而获得两套并网三相逆变器的六路控制用PWM信号，实现对并网逆变器的控制。 

本发明所述的三相并网逆变器中由于耦合电抗器的使用，使得两套结构相同的三相并网逆变器之间互相耦合，且对每三相并网逆变器来说，d轴、q轴分量之间也存在相互耦合，为消除这些影响，本发明在设计电流环时采用了前馈解耦控制策略。 

由于所述两套三相并网逆变器并联连接，因此所述两套三相并网逆变器使用共同的电压外环、单独的电流内环。 

上述控制方法中q轴电流环控制器的电流给定i_q1ref、i_q2ref一般为零，以保证在容量一定的情况下并网逆变器向电网馈送有功功率的能力最大，并实现单位功率因数并网，q轴电流给定i_q1ref、i_q2ref也可由电网对无功的需求给出，实现系统对电网的无功补偿。 

本发明所述逆变器的功率等级增加为原来的两倍，并简化了控制系统的设计，且省去了隔离变压器，大大降低了变流器的体积和重量，降低了成本，同时抑制了零序环流，解决了零序环流引起的不均流、波形畸变等问题，提高了效率及可靠性，使并联型三相并网逆变器可应用于大功率风力发电、太阳能发电及燃气轮机发电等场合。 

本发明采用耦合电抗器的并联方案，首先，耦合电抗器只对并联变换器分支电流的差模分量具有阻尼作用，对其共模分量并无阻尼作用，因此它具有自主均流作用，从而使各并联变换器电流应力趋于一致，从而为提升变换器的功率等级打下基础。同时，在理想情况下两并联逆变器分支电流相等，对于异侧并联的耦合电抗器而言不产生磁通，因此与传 统电抗器相比，耦合电抗器的体积可大大减小。此外，耦合电抗器可以实现对零序环流的抑制。 

本发明的特点是：通过耦合电抗器使两套结构相同的三相并网逆变器并联在一起，使逆变器的功率等级增加为原来的两倍；两并联逆变器采用完全相同的控制结构，简化了控制系统的设计；由于省去了隔离变压器，大大减小了变流器的体积和重量，降低了成本；同时抑制了环流，解决了两并联变换器之间不均流、波形畸变等问题，提高了效率和可靠性，使并联型三相并网逆变器可应用于大功率风力发电、太阳能发电及燃气轮机发电等场合。 

附图说明

图1是本发明所述的采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器的拓扑结构。 

图2是本发明所述的采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器的拓扑结构的去耦等效电路原理图。 

图3是本发明所述的采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器的拓扑结构在同步旋转坐标系下的等效电路原理图。 

图4是本发明所述的三相并网逆变器的控制方法的控制原理图。 

具体实施方式

具体实施方式一、参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式所述的采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器由两套结构相同的三相并网逆变器和三套耦合电抗器组成，所述两套结构相同的三相并网逆变器共用共直流母线，所述直流母线上并接电容器；所述两套结构相同的三相并网逆变器相互并联连接，两套结构相同的三相并网逆变器中属于同一相的两个交流信号输出端分别经一套耦合电抗器后连接到一起，并接入电网。 

本实施方式中所述的两套结构相同的三相并网逆变器中的功率开关可以采用IGBT实现。 

本实施方式所述的采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器的拓扑结构参见图1所示，前级输送的电能经共用的共用直流母线上并接的电容器C滤波、储能和稳压后，送入后级并联型三相并网逆变器。每套三相并网逆变器由三个桥臂组成，其中第一套三相并网逆变器的三个桥臂分别为A₁、B₁、C₁，第二套三相并网逆变器的三个桥臂分别为A₂、B₂、C₂，两套三相并网逆变器相互并联，每套三相并网逆变器的每个交流输出端分别经电感L_k1和L_k2(k＝a，b，c)后连接到一起，进而接入电网。电感L_k1和L_k2之间存在耦合，互感为M_k(k＝a，b，c)，且为异侧并联电路；R_ak、R_bk、R_ck(k＝1，2)分别为第k套三相并网逆变器的包含电感电阻在内 的每相线路电阻；U_dc为共用的共用直流母线的母线直流电压。 

参见图2所示的图1所示拓扑结构的去耦等效电路，图中L_ak′＝L_ak+M_a、L_bk′＝L_bk+M_b、L_ck′＝L_ck+M_c(k＝1，2)，且通常取L_ak＝L_bk＝L_ck＝L_k，R_ak＝R_bk＝R_ck＝R_k(k＝1，2)，M_a＝M_b＝M_c＝M；i₁为前级所传送的直流电流；i_ak、i_bk、i_ck(k＝1，2)分别为第k套三相并网逆变器的三相并网分支电流；e_a、e_b、ec分别为电网三相电压。 

在选取互感M时即不能过小也不能过大，过小时，会降低耦合电抗器抑制零序环流的作用，过大时，会增大两并联逆变器之间的耦合，进而增加控制的难度，经权衡考虑，本发明取耦合系数k的典型值为0.415，则互感M为： 

$M=k\sqrt{L_1{L}_2}=0.415\sqrt{L_1{L}_2}---\left(1\right)$

上述公式中k为耦合系数，L₁为第一套三相并网逆变器的三相自感，L₂为第二套三相并网逆变器的三相自感。 

参见图3所示的图1所示拓扑结构的同步旋转坐标系下等效电路，图中L_k′＝L_ak′＝L_bk′＝L_ck′(k＝1，2)；i_dk、i_qk(k＝1，2)分别为d轴、q轴并网分支电流；d_dk、d_qk、d_zk(k＝1，2)分别为d轴、q轴、z轴占空比；e_d、e_q分别为电网d轴、q轴电压；ω为电网同步角速度。 

从图3可以看出，d轴电流分量i_d1、i_d2通过电感-M及受控电压源(-ωMi_q)耦合到一起，这增加了控制的难度。由于d轴、q轴具有对称性，因此对于q轴电流分量可以得出似结论。从图中z轴等效电路可以看出，零序环流阻抗为(L₁+L₂+R₁+R₂+2M)，公式R₁为第一套三相并网逆变器的包含电感电阻在内的三相线路等效电阻，R₂为第二套三相并网逆变器的包含电感电阻在内的三相线路等效电阻。而采用普通三相电抗器时零序环流阻抗仅为(L₁+L₂+R₁+R₂)，因此采用耦合电抗器时零序环流阻较大，起到了抑制零序环流的作用，尤其对高频零序环流效果更为明显。它的使用省去了交流侧笨重的隔离变压器及复杂的零序环流控制器，降低了生产成本，减小了并网逆变器的体积、重量，并简化了控制系统的设计，提升了并网逆变器的性能。 

定义i_zs为并联型三相并网逆变器的系统零序环流，且 

i_zs＝i_z1＝-i_z2                    (2) 

则零序环流可以进一步分别表示为： 

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{zs}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_1+R_2}{L_1+L_2+2M}{i}_{\mathrm{zs}}+\frac{d_{z1}-d_{z2}}{L_L+L_2+2M}{U}_{\mathrm{dc}}---\left(3\right).$

具体实施方式二、参见图4说明本实施方式。本实施方式所述的是对具体实施方式一所述的采用耦合电抗器的并联型三相并网逆变器的控制方法，所述控制方法为：采用电 压传感器测量获得的直流母线电压信号作为直流电压反馈量Udc，直流母线电压给定值Udcref与直流电压反馈量Udc做差之后输入至电压环PI控制器，经该电压环PI控制器处理后获得idref，该idref经权重分配后获得两个电流给定值id1ref、id2ref，所述两个电流给定值id1ref、id2ref分别作为两套并网三相逆变器的d轴电流环控制器的电流给定值； 

同时，采用电流传感器分别测量获两套并网逆变器的三相电流信号，并将该三相电流信号经坐标变换后得到所述两套并网逆变器的d轴电流i_d1、i_d2和q轴电流i_q1、i_q2；所述d轴电流i_d1、i_d2和q轴电流i_q1、i_q2分别作为d轴电流环的反馈值和q轴电流环的反馈值实现d轴电流环的闭环控制和q轴电流的闭环控制； 

每个d轴电流环的反馈值i_d1、i_d2分别与对应的电流给定值i_d1ref、i_d2ref做差后经PI调节后，再分别与对应的前馈补偿量进行相加获得u_d1、u_d2； 

每个q轴电流环的反馈值i_q1、i_q2分别与对应的电流给定值i_q1ref、i_q2ref做差后经PI调节后，再分别与对应的前馈补偿量进行相加获得u_q1、u_q2； 

所述u_d1、u_d2和u_q1、u_q2作为电流环控制器的输出信号，所述输出信号经Park逆变换后得到两相静止坐标系中的电压参考量，该电压参考量作为SVPWM模块的输入生成三相桥臂的占空比信号，进而获得两套并网三相逆变器的六路控制用PWM信号，实现对并网逆变器的控制。 

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式二所述的控制方法的进一步限定，本实施方式中，所述权重分配的过程为：根据两套三相逆变器的功率容量进行电流权重分配，若两套三相逆变器的功率容量相等，则进行等值分配，即i_d1ref＝i_d2ref＝0.5i_dref；若两套三相逆变器的功率容量不相等，则根据功率容量按比例进行分配，即i_d1ref＝j·i_dref，i_d2ref＝(1-j)i_dref，j为两套三相逆变器的功率容量比。 

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式二所述的控制方法的进一步限定，本实施方式中，所述q轴电流环控制器的电流给定i_q1ref、i_q2ref取值均为0。 

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式二所述的控制方法的进一步限定，本实施方式中，所述每个d轴电流环的反馈值i_d1、i_d2分别与对应的电流给定值i_d1ref、i_d2ref做差后经PI调节后，再分别与对应的前馈补偿量进行相加获得u_d1、u_d2，所述对应的前馈补偿量分别为e_d+ωL₁′i_q1-ωMi_q和e_d+ωL₂′i_q2-ωMi_q，e_d为电网电压d轴前馈分量，ω为电网同步角速度；L₁′为第一套三相并网逆变器的三相支路等效电感；L₂′为第二套三相并网逆变器的三相支路等效电感；M为两套三相逆变器之间的三相互感。 

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式二所述的控制方法的进一步限定，本 实施方式中，每个q轴电流环的反馈值i_q1、i_q2分别与对应的电流给定值i_q1ref、i_q2ref做差后经PI调节后，再分别与对应的前馈补偿量进行相加获得u_q1、u_q2，所述对应的前馈补偿量分别为ωL₁′i_d1-ωMi_d和ωL₂′i_d2-ωMi_d，ω为电网同步角速度；L₁′为第一套三相并网逆变器的三相支路等效电感；L₂′为第二套三相并网逆变器的三相支路等效电感；M为两套三相逆变器之间的三相互感。 

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式二所述的控制方法的进一步限定，本实施方式中，所述u_d1、u_d2和u_q1、u_q2作为电流环控制器的输出信号，所述输出信号经Park逆变换后得到两相静止坐标系中的电压参考量，该电压参考量作为SVPWM模块的输入生成三相桥臂的占空比信号，进而获得两套并网三相逆变器的六路控制用PWM信号的过程为：所述u_d1和u_q1经Park逆变换后得到两相静止坐标系中的电压参考量u_α1、u_β1，所述电压参考量u_α1、u_β1作为SVPWM模块的输入信号，控制该SVPWM模块生成三相占空比信号d_a1、d_b1、d_c1，根据所述三相占空比信号d_a1、d_b1、d_c1生成6路PWM波，该6路PWM波放大之后作为一套三相并网逆变器的6路PWM驱动信号；电压u_d2、u_q2经Park逆变换后得到两相静止坐标系中的电压参考量u_α2、u_β2，所述电压参考量u_α2、u_β2作为SVPWM模块的输入信号，控制该SVPWM模块生成三相占空比信号d_a2、d_b2、d_c2，根据所述三相占空比信号d_a2、d_b2、d_c2生成6路PWM波，该6路PWM波放大之后作为另一套三相并网逆变器的6路PWM驱动信号。 

由于所述两套三相并网逆变器使用共同的电压外环、独立的电流内环，所以，电压环的作用主要是维持直流母线电压的稳定，从而使能量从直流侧输送到电网，它的输出经电流权重分配后，分别作为两套三相并网逆变器的d轴电流给定i_d1ref、i_d2ref。在三相并网逆变器容量一定的情况下，为最大地将能量输送到电网，两套三相并网逆变器的q轴电流给定i_q1ref、i_q2ref一般设为零，从而实现单位功率因数并网。i_q1ref、i_q2ref也可由电网对系统的须无功需求给出。 

由于两套三相并网逆变器之间存在对称性，且电流环d轴、q轴分量之间也存在对称性，因此所述两套三相并网逆变器的d轴、q轴电流环控制器可使用相同的控制参数。 

由于耦合电抗器的使用，使得两套三相并网逆变器之间互相耦合，且对每套三相并网逆变器来说，d轴、q轴分量之间也存在相互耦合，为消除这些影响，在设计电流环时需采用前馈解耦控制策略。以第一套三相并网逆变器的d轴电流环控制器为例，将解耦项(ωL₁′i_q1-ωMi_q)补偿到PI调节器的输出，即可以使d轴、q轴分量之间实现解耦，又可以起到两并网逆变器之间解耦的作用。此外，电网电压d轴前馈分量e_d抵消了实际中电网电压 的影响，进而得到第一套三相并网逆变器的d轴输出参考电压u_d1。得到d轴、q轴输出参考电压后，经坐标反变换送入SVPWM模块，进而得到三相占空比信号，从而实现对并网逆变器的控制。 

上述控制方法中，所述电压环PI控制器为两套三相并网逆变器所使用共同的电压外环的电压环控制器。 

上述控制方法的原理为： 

采用电流传感器分别测量获两套并网逆变器的三相电流信号分别为第一套三相并网逆变器的三相电流信号i_a1、i_b1和i_c1，第二套三相并网逆变器的三相电流信号i_a2、i_b2、i_c2、，所述三相电压分别为u_a、u_b、u_c。 

上述电流和电压参数经坐标变换得到同步旋转坐标系下对应的物理量i_d1、i_q1、i_z1、i_d2、i_q2、i_z2、u_d、u_q，其中，i_d1、i_d2作为d轴电流环控制器的反馈，分别与给定值i_d1ref、i_d2ref做差后经PI调节，加上各自的补偿量(e_d+ωL₁′i_q1-ωMi_q)、(e_d+ωL₂′i_q2-ωMi_q)后作为d轴电流环控制器的输出电压参考量u_d1、u_d2。q轴电流环控制器的电流给定一般为零，即i_q1ref＝i_q2ref＝0，以保证在容量一定的情况下并网逆变器向电网馈送有功功率的能力最大，并实现单位功率因数并网，i_q1ref、i_q2ref也可由电网对无功的需求给出，从而实现系统对电网的无功补偿，本实施例采用前者方式。反馈值i_q1、i_q2分别与i_q1ref、i_q2ref做差后经PI调节，加上各自的补偿量(ωL₁′i_d1-ωMi_d)、(ωL₂′i_d2-ωMi_d)后作为q轴电流环控制器的输出电压参考量u_q1、u_q2。电压参考量u_d1、u_q1经Park逆变换后得到两相静止坐标系中的电压参考量u_α1、u_β1，作为SVPWM模块输入生成三相占空比信号d_a1、d_b1、d_c1，从而生成6路PWM波，经光纤隔离后送到驱动板，最终得到第一套三相并网逆变器的6路PWM驱动信号。电压参考量u_d2、u_q2经Park逆变换后得到两相静止坐标系中的电压参考量u_α2、u_β2，作为SVPWM模块输入得到三相占空比信号d_a2、d_b2、d_c2，从而生成6路PWM波，经光纤隔离后送到驱动板，最终得到第二套三相并网逆变器的6路PWM驱动信号。