一种双级多功能并网变换器的控制系统及其方法

摘要

本发明公开了一种双级多功能并网变换器的控制系统及其方法，该系统包括与DC/DC变换器相连的包含MPPT控制器的前级控制单元，及与DC/AC变换器相连的后级控制单元；后级控制单元包括变换器运行状态检测模块，变换器运行状态检测模块用于获取DC/AC变换器的交流输出电流信号，并计算所述交流输出电流信号的变化率，根据计算的变化率与预设变化率门限值比较，得到双级多功能并网变换器的运行状态；变换器运行状态检测模块的输出信号传送至指令电流计算模块，指令电流计算模块还用于接收MPPT控制器的输出信号和负载电流信号；指令电流计算模块的输出信号经调制形成驱动DC/AC变换器运行的后级脉冲驱动信号。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，尤其涉及一种双级多功能并网变换器的控制系统及其方法。

背景技术

由连锁故障引起的多次大停电事故，以及由极端气候条件引起的大电网解列，给传统电 网的安全稳定性内容敲响了警钟。此外，化石能源的不断消耗，导致能源危机和环境污染问 题日益严重，“绿色”、“低碳”成为电力系统发展的迫切需求。可再生能源，包括太阳能、风 能等，以其无污染，可再生等方面的特性越来越受到学术界和工业界的重视。总体而言，我 国的新能源开发主要遵循“集中式并网”与“分散式接入”相结合的原则。

首先，在可再生能源的“集中式并网”模式方面，机遇与挑战并存。我国幅员辽阔，风光 可再生能源聚集区域与符合中心间呈现逆向分布。使得这些大型风光电站必须通过高压远距 离输电走廊才能送达符合末端。由于风速和光照强度的非线性、随机性和不可控性等不利特 征，大型风光电站的接入为电力系统的稳定运行带来了不小的冲击。近年来，频繁出现的风 电场事故使得大型风电场的并网小时数偏低，且给电网稳定带来了巨大的挑战，同时大量“弃 风”不但影响了投资成本的回收，还造成了巨大的资源浪费。

其次，在可再生能源“分散式接入”模式方面，潜力和后劲十足。由于分布式可再生能源 并网单元靠近符合末端，省却了大规模远距离传输过程。且单个电源容量较小，对电网的冲 击比大规模风光电站更小。

此外，研究结果表明，分布式发电系统在解决大规模可再生能源并网的同时，对于提高 电力系统的稳定性具有十分重要的意义。这一切都极大地促进了包含各种可再生能源的分布 式发电技术的快速发展，更被列为智能电网的一大重要组成部分。由于风能、光伏等可再生 能源具有间歇性、随机性的特点，是典型的不可控源。如何更好地将这些不可控的可再生能 源接入电网，是长期以来的一大研究热点。为了解决这一技术难题，有学者提出了微电网的 概念。微电网作为一种特殊的分布式发电系统，是集成了多种可再生能源、储能、本地负荷、 监视保护和控制单元的局部供电系统，近来得到了广泛的研究。

在分布式发电和微电网技术中，各种可再生能源或储能系统一般需要将逆变器作为并网 接口。通常，并网逆变器可以分为单级和多级两大类。由于级数越多，所用的元部件越多， 系统的效率越低，因此多级并网逆变器通常只有两级。

然而，传统并网变换器大多只能刚性地向电网输出纯正弦的工频基波有功电流。随着大 规模可再生能源分散地通过微电网接入配电网，微电网中的这类刚性并网逆变器面临着越来 越多的技术难题。其中，微电网的电能质量问题属于其中的重要一种。微电网内含有大量的 电力电子装置，再加之局部负荷中也可能含有大量的非线性、不平衡和无功负荷，这些都极 大地恶化了微电网公共耦合点(PointofCommonCoupling,PCC)处的电能质量。微电网的电能 质量直接关系到微电网安全稳定和经济运行。一方面，微电网PCC点处的电能质量将直接影 响到微电网内负荷和并网逆变器的稳定运行。恶劣的电能质量环境除了会使敏感负荷、关键 负荷不能正常工作之外，还会危及到并网逆变器自身的稳定运行。由于并网逆变器一般连接 在配电网变压器的低压侧，若微电网中含有较多的非线性负荷，则PCC处的电压可能存在较 大的谐波畸变。这将直接影响到并网变换器的电压控制环和电流控制环，使其输出电流含有 较大谐波分量。严重情况下，甚至会导致并网变换器因失去稳定而跳闸。

为了降低分布式发电系统和微电网中电能质量治理的成本、运行维护复用和装置体积， 提高已有并网逆变器的性价比，有学者提出了多功能并网变换器的概念。所谓多功能并网变 换器即是复合了并网逆变器完成可再生能源或储能微电源并网的功能和其他一些诸如电能治 理等功能的并网逆变器。相对于功能分离的多台电力电子装置而言，这种多功能并网逆变器 采用同一套装置，在并网的同时即可完成电能质量调节等附加功能，大幅降低了系统的投资 和体积，尤其适用于分布式发电系统。

双级多功能并网变换器的基本控制主要由MPPT控制、指令电流计算、输出电流跟踪控 制和调制几部分组成。其中，多功能并网变换器区别于传统并网变换器的关键之处在于指令 电流的计算部分。对于只具有并网模式的多功能变换器，当电网电压跌落时，若并网变换器 解列可能给电网带来不稳定影响，严重时甚至造成电网的全面瘫痪。在该种情况下，指令电 流的计算方式将转变为负序电流的抑制和无功补偿，进而保证并网变换器在电网电压对称跌 落与不对称跌落时均具有良好的低电压穿越效果。目前，多功能变换器存在下列问题：在不 同运行工况下切换速度慢而且切换过程中运行不稳定。

发明内容

为了提高双级多功能变换器的运行稳定性与暂态稳定性，本发明提出了一种双级多功能 并网变换器的控制系统及其方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双级多功能并网变换器的控制系统，所述双级多功能并网变换器包括依次串联连接 的微电源、DC/DC变换器、DC/AC变换器和滤波器；

该控制系统包括与所述DC/DC变换器相连的包含MPPT控制器的前级控制单元，及与 所述DC/AC变换器相连的后级控制单元；

所述后级控制单元包括变换器运行状态检测模块，所述变换器运行状态检测模块用于获 取DC/AC变换器的交流输出电流信号，并计算所述交流输出电流信号的变化率，根据计算的 变化率与预设变化率门限值比较，得到所述双级多功能并网变换器的运行状态；

所述变换器运行状态检测模块的输出信号传送至指令电流计算模块，所述指令电流计算 模块还用于接收MPPT控制器的输出信号和负载电流信号；指令电流计算模块的输出信号经 调制形成驱动DC/AC变换器运行的后级脉冲驱动信号。

所述变换器运行状态检测模块，包括第一电压采集模块，其用于采集DC/DC变换器输出 电压并传送至指令电流计算模块；及第二电流采集模块，其用于采集DC/AC变换器输出负载 电流信号，也传送至指令电流计算模块；及

第一电流采集模块，其用于采集DC/AC变换器的交流输出电流信号，传送至DSP模块 中进行计算所述交流输出电流信号的变化率；计算后的交流输出电流信号的变化率传送至逻 辑判断模块，并与预设变化率门限值比较，得到所述双级多功能并网变换器的运行状态。

所述第一电流采集模块为霍尔电流互感器。

所述第二电流采集模块为霍尔电流互感器。

所述第一电压采集模块为霍尔电压互感器。

一种双级多功能并网变换器的控制系统的控制方法，包括：

步骤(1)：微电源输出的电压经DC-DC变换器进行微电源的最大功率跟踪，DC/AC变 换器将DC-DC变换器输出的直流电压逆变为交流电并输出；

步骤(2)：检测所述双级多功能并网变换器的当前运行状态，若所述双级多功能并网变 换器处于暂态过程，则提升直流参考电压，所述直流参考电压为DSP内部预设定值；否则， 维持双级多功能并网变换器的当前运行状态不变。

所述步骤(2)中检测所述双级多功能并网变换器的当前运行状态的过程，包括：

步骤(2.1)：考虑所述双级多功能并网变换器输出电流的正常波动，设定电流变化率的 门限值；

步骤(2.2)：采集交流输出电流信号并计算所述交流输出电流信号的变化率；

步骤(2.3)：计算后的交流输出电流信号的变化率与预设变化率门限值比较，得到所述 双级多功能并网变换器的运行状态：

若所述双级多功能并网变换器处于暂态过程，则提升所述直流参考电压，并进入步骤 (2.4)；否则，维持双级多功能并网变换器的当前运行状态不变；

步骤(2.4)：继续计算交流输出电流信号的变化率，直至其小于预设变化率门限值，所 述直流参考电压恢复至原有水平，暂态过程结束。

在所述步骤(2.2)中，采用第一电流采集模块进行采集交流输出电流信号。

在所述步骤(2.2)中，交流输出电流信号传送至DSP模块，并在DSP模块中计算所述 交流输出电流信号的变化率。

在步骤(2.3)中，计算后的交流输出电流信号的变化率传送至逻辑判断模块，并在逻辑 判断模块与预设变化率门限值比较，获取所述双级多功能并网变换器的运行状态。

本发明的有益效果为：

本发明通过计算输出电流变化速率，快速确定双级多功能变换器系统是否处于暂态过程。 仅通过抬升前级DC/DC升压电路的直流链电容电压水平，即可有效缩短系统暂态响应时间， 有利于提高系统的工作稳定性。

附图说明

图1为典型两级并网变换器结构。

图2为典型单级并网变换器结构。

图3为双级多功能变换器的传统控制方式。

图4为系统工况逻辑判断流程。

图5为本发明提出的暂态快速响应型双级多功能变换器控制方式。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

典型的两级并网逆变器结构如图1所示，由DC/DC直流变换器和DC/AC并网逆变器组 成。其中，DC/DC变换器通常用于实现风机或光伏的最大功率点跟踪，或控制储能装置的双 向能量流动；而DC/AC变换器用于控制注入电网的功率和电流。由于其具有更加灵活的控制 功能和更宽的直流电源电压接入范围，更适用于小容量的并网系统。

在图1中，微电源包括光伏电池、储能装置或风机输出经整流后得到的直流电压。DC/DC 变换器包括串联连接的LC电路，以及并联连接在LC电路两端的第一开关管，所述第一开关 管与电感的连接点处还串接有第二开关管，所述第一开关管与电容的连接点以及第二开关管 的另一端并联有DC/DC变换器的输出电容。其中，滤波器为高通LC滤波电路。

单级变换器结构如图2所示，单级变换器仅含有DC/AC并网变换器，该级变换器必须同 时完成两级并网逆变器的所有功能。与两级并网变换器相比，单级并网变换器的元部件更少， 占用体积更小，此外还具有高效、低成本、高可靠性的优势，主要适用于大容量并网系统。 本发明仅针对两级并网变换器结构。

双级多功能并网变换器的基本控制框图如图3所示，主要由MPPT控制、指令电流计算、 输出电流跟踪控制和调制这四部分组成。

如图5所示，本发明的双级多功能并网变换器的控制系统，其中，双级多功能并网变换 器包括依次串联连接的微电源、DC/DC变换器、DC/AC变换器和滤波器；

该控制系统包括与所述DC/DC变换器相连的包含MPPT控制器的前级控制单元，及与 所述DC/AC变换器相连的后级控制单元；

所述后级控制单元包括变换器运行状态检测模块，所述变换器运行状态检测模块用于获 取DC/AC变换器的交流输出电流信号，并计算所述交流输出电流信号的变化率，根据计算的 变化率与预设变化率门限值比较，得到所述双级多功能并网变换器的运行状态；

所述变换器运行状态检测模块的输出信号传送至指令电流计算模块，所述指令电流计算 模块还用于接收MPPT控制器的输出信号和负载电流信号；指令电流计算模块的输出信号经 调制形成驱动DC/AC变换器运行的后级脉冲驱动信号。

进一步地，变换器运行状态检测模块，包括第一电压采集模块，其用于采集DC/DC变换 器输出电压并传送至指令电流计算模块；及第二电流采集模块，其用于采集DC/AC变换器输 出负载电流信号，也传送至指令电流计算模块；及

第一电流采集模块，其用于采集DC/AC变换器的交流输出电流信号，传送至DSP模块 中进行计算所述交流输出电流信号的变化率；计算后的交流输出电流信号的变化率传送至逻 辑判断模块，并与预设变化率门限值比较，得到所述双级多功能并网变换器的运行状态。

其中，第一电流采集模块为霍尔电流互感器。

第二电流采集模块为霍尔电流互感器。

第一电压采集模块为霍尔电压互感器。

其中，指令电流计算模块包括前级MPPT输出的有功电流分量接收，维持直流链电压恒 定经调制后产生的参考电流，负载电流中的谐波和无功分量提取。

基于本发明的双级多功能并网变换器的控制系统，其控制方法，包括：

步骤(1)：微电源输出的电压经DC-DC变换器进行微电源的最大功率跟踪，DC/AC变 换器将DC-DC变换器输出的直流电压逆变为交流电并输出；

步骤(2)：检测所述双级多功能并网变换器的当前运行状态，若所述双级多功能并网变 换器处于暂态过程，则提升直流参考电压，所述直流参考电压为DSP内部预设定值；否则， 维持双级多功能并网变换器的当前运行状态不变。

如图4所示，步骤(2)中检测所述双级多功能并网变换器的当前运行状态的过程，包括：

步骤(2.1)：考虑所述双级多功能并网变换器输出电流的正常波动，设定电流变化率的 门限值；

步骤(2.2)：采集交流输出电流信号并计算所述交流输出电流信号的变化率；

步骤(2.3)：计算后的交流输出电流信号的变化率与预设变化率门限值比较，得到所述 双级多功能并网变换器的运行状态：

若所述双级多功能并网变换器处于暂态过程，则提升所述直流参考电压，并进入步骤 (2.4)；否则，维持双级多功能并网变换器的当前运行状态不变；

步骤(2.4)：继续计算交流输出电流信号的变化率，直至其小于预设变化率门限值，所 述直流参考电压恢复至原有水平，暂态过程结束。

在所述步骤(2.2)中，采用第一电流采集模块进行采集交流输出电流信号。

在所述步骤(2.2)中，交流输出电流信号传送至DSP模块，并在DSP模块中计算所述 交流输出电流信号的变化率。

在步骤(2.3)中，计算后的交流输出电流信号的变化率传送至逻辑判断模块，并在逻辑 判断模块与预设变化率门限值比较，获取所述双级多功能并网变换器的运行状态。

本发明的该方法的基本原理为：

双级多功能并网变换器结构如图1所示，在暂态过程中，对交流侧列写动态方程为

$V_{dc}-V_s=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=L\frac{{\mathrm{\Delta i}}_L}{\Delta t}---\left(1\right)$

其中，V_dc代表直流链电容电压，V_s代表交流系统电压有效值，L代表变换器输出滤波电 感，Δi_L为输出电流变化量，Δi_L/Δt代表输出电流变化率。

首先采用输出电流i_L进行采样，并把其输入至DSP中，计算电流变化率。若该变化率大 于门限值，可认定双级变换器系统处于暂态过程，适当调整直流链电压水平，即将直流链电 容电压参考由V_dc，ref抬升至V_dc,ref*。

由公式(1)可知，当电网电压保持稳定，输出滤波参数不发生变化时，适当抬升直流链电 压水平，可以提高系统的暂态响应速度，即在Δi_L一定的情况下，可以有效减小暂态响应时 间Δt，提升了双级多功能变换器的暂态稳定性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。