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并网逆变器并联运行环流分析与控制.pdf

并网逆变器并联运行环流分析与控制

jiang_ke02
2012-10-24 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《并网逆变器并联运行环流分析与控制pdf》,可适用于工程科技领域

并网逆变器并联运行环流分析与控制Theanalysisandcontrolofcirculatingcurrentfordirectparallelgridconnectedinverters上海大学杨勇阮毅汤燕燕叶斌英Email:yangysinacom摘要:并网逆变器直接并联运行时可使系统体积减少、成本降低。但并网逆变器直接并联时会产生环流。为此详细分析了并网逆变器直接并联运行时环流产生的机理建立了并网逆变器并联运行时旋转坐标系下的状态平均模型。在这模型的基础上分析并网逆变器并联运行时的相互影响分析了并网逆变器采用间矢量脉宽调制(SVPWM)算法时零矢量对环流的影响。通过控制SVPWM算法中不同零矢量在每一个PWM周期的作用时间来抑制环流。对并网逆变器在不同情况下的并联运行进行了实验。实验结果表明:该控制策略能有效的抑制环流从而验证该控制策略的可行性和正确性。ABSTRACT:ItisdesirabletohaveadirectlyconnectedstructureforgridconnectedinverterbecauseofcompactsizeandlowcostThecirculatingcurrentwillbegeneratedwhengridconnectedinvertersareindirectparalleloperationSothemechanismofcirculatingcurrentisanalysedindetailforgridconnectedinvertersindirectparalleloperationandthestateaveragemodeloftheparallelgridconnectedinvertersisconstructedinrotatingcoordinatesBasedonthismodel,interactionbetweentheparallelgridconnectedinvertersisanalyzedandtheinfluenceoncirculatingcurrentwhenitisadoptedzerovectorwithspacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM)isalsoanalysedThecirculatingcurrentcanbeeffectivelyinhibitedbycontrollingtheoperationtimefordifferentzerovectorsineachPWMcycleTheparellelgridconnectedinvertersaretestedunderdifferentcircumstanceTheexperimentalresultsshowthatthecontrolstrategycaneffectivelyinhibitecirculatingcurrent,sothefeasibilityandcorrectnessforthecontrolstrategyisverified关键词:并网逆变器直接并联环流平均模型KEYWORDS:gridconnectedinverterdirectparalleloperationcirculatingcurrentaveragemodel引言常规能源(煤、石油等)不仅资源有限而且造成了严重的环境污染。因此可再生能源(如风能、太阳能等)受到了广泛的关注。并网逆变器作为可再生能源和电网很重要的连接部分其性能影响整个系统。随着系统的容量增大单个逆变器的容量已经不能满足要求。采用更高容量的功率器件价格成本太高为了提高系统的功率、可靠性和效率逆变器可以并联运行。可是当并网逆变器并联运行时由于并联运行的并网逆变器连接到同一个直流母线和同样的负载电流会在并联的并网逆变器之间流动从而产生环流。这种电流导致输出电流畸变同时使负载不平衡从而损害整个系统的性能。为抵制环流的产生传统的方法多采用阻断环流的通路的方法即采用各并网逆变器的直流母线电压分开或者各并网逆变器交流侧加隔离变压器等方法。但这种方法使系统的体积增大且成本提高。为了减少并联运行逆变器的体积和降低成本文献和文献提出使用相间阻抗来提供高零序分量阻抗但这相间阻抗在中、高频时阻抗比较大而在低频时阻抗比较小因此该方法无流抑制低频环流。文献和文献提出在dq坐标系下采用非线性控制来抵制环流但这种控制算法比较复杂。本文首先分析了两套并网逆变器并联运行时环流产生的原因以及通路。建立并网逆变器并联时的状态平均模型通过控制空间矢量调制(SVPWM)算法中不同零矢量在每一个PWM周期的作用时间来抑制环流。实验结果表明:该控制策略能有效的抑制环流从而验证该控制策略的可行性和正确性。环流产生的机理如图所示并联的并网逆变器直流侧和交流侧直接连接。由于并联的并网逆变器PWM脉冲不可能完全一样并网逆变器的电流可能在并网逆变器的部分通路上流同样并网逆变器的电流可能在并网逆变器部分通路上流。这些回路的电流同时在两套并网逆变器上流通叫做环流。环流会使输出电流不平衡电流发生畸变使并网逆变器的性能变差。aebeaibicioLAcedcvaibiciLaibiciBCABCABCpN图并联的并网逆变器下面分析A、B之间的电流回路:假定A、A的上桥臂和B和B的下桥臂导通其等效电路如图所示。其电流回路为:aebeaibioLAdcvaibiLaibiBABABpN图A、B相之间的电流回路FigCurrentloopsbetweenAphaseandBphase回路:PAAOBBNP回路:PAAOBBNP回路:PAAOBBNP回路:PAAOBBNP对于回路和电流只在自身的逆变器里流而对于回路和回路电流在两套逆变器里流从而促使环流的形成。对于回路定义为:回路:PAAAP对于回路电流回路不经过电压源(电网)。如果上、下两套并网逆变器PWM不完全同步则有以下回路:回路:PAAANP回路:PAAANP同样对于B相与C相之间、A相和C相之间都存在类似的电流回路。并网逆变器的状态平均模型并网逆变器中一个桥臂如图所示。该桥臂由两个开关单元组成。该电路相当于一侧为电压源另一侧为电源流。为了防止电压源短路两个开关单元不能同时导通。即:pNSSϕϕ=()一相的PWM波形图所示其中T为PWM开关周期dφ为上桥臂导通时间的占空比。则相应的电压和电流波形如图所示。pidcvpSφnSφiφvφPN图并网逆变器的一个桥臂FigOnelegofgridconnectedinverterdTφTttpSφnSφvφdcvpiiφ图一个桥臂的PWM及相应的电压和电流波形通过上面的波形则电压和电流的平均值可得:dcvdvφφ=�()pidiφφ=�()则一个桥臂的平均模型如图所示。diφφ�pinpiiiφ=−iφLdcvdcdvφ�iφPN图一个桥臂的平均模型FigAveragemodelofoneleg则三相并网逆变器的平均等效模型如图所示。aebeceaadi�bbdi�ccdi�pinzpiii=−ziaibiciovLdcvavbvcvadcdv�bdcdv�cdcdv�PN图并网逆变器的平均模型FigAveragemodelofgridconnectedinverter根据并网逆变器的平均模型则可得:paabbccidididi=���()nabcpzpiiiiiii=−=−()忽略电阻并网逆变器的电压平衡方程为:aaaobbdcbocccidevdidvevdtLLLidev⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=•−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦()其中ad、bd、cd为并网逆变器A、B和C相上桥臂导通在一个PWM周期的占空比ai、bi、ci为并网逆变器输出电流ae、be、ce为电网电压L为滤波电感。为了把交流分量转换成直流分量以便线性控制把并网逆变器的电压方程从静止坐标系变换到旋转坐标系。变换矩阵如下:cocos()cos()cos()sin()sin()sin()ntttTtttωωπωπωωπωπ⎡⎤−⎢⎥=−−−−⎢⎥⎢⎥⎣⎦()其中ω为电网的角频率。使用式()静止坐标系的变量abcX可变换到旋转坐标系下的变量dqzXdqzconabcXTX=•()则单套并网逆变器在旋转坐标系下的平均模型为:dddqqdcqzzzodqzidedidvedtLLLidvviiiωω⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=•−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦−⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦�()其中:daqconbcziiiTiii⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦�daqconbczeeeTeee⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦�daqconbczdddTddd⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦�zabceeee=zabcdddd=从图看出对于单套并网逆变器来说由于不存在环流回路零序分量电流zi为零。而对于两套并网逆变器并网运行时则环流通路存在如图所示。aebeceaadi�bbdi�ccdi�ziaibiciovLdcvavbvcvadcdv�bdcdv�cdcdv�aadi�bbdi�ccdi�aibiciLavbvcvadcdv�bdcdv�cdcdv�zipN图并网逆变器并联运行时在静止坐标系下平均模型根据并网逆变器的电压平衡方程则并网逆变器并联运行时在dq坐标系下的电压方程为:ddddqqdcqqzzzozideididveidtLLLidvviωω−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=•−−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦�()ddddqqdcqqzzzozideididveidtLLLidvviωω−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=•−−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦�()又由于zzziii==−()则()dczdczdzdzvdvdidtLLLL−Δ==��()则并网逆变器并联运行时其零序分量动态模型如图所示:LLzdcdvΔ�zi图并联运行时零序分量的动态模型并网逆变器并联运行时环流控制对于并网逆变器通常采用电压、电流双闭环控制结构和空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法由于空间矢量脉宽调制过程中零矢量作用时会使三相输出短路对于单个并网逆变器而言不存零序分量的环流。但在并网逆变器并联运行时零矢量作用会在各并网逆变器中形成环流。采用空间矢量脉宽调制时零矢量的分配不会影响控制目标但会影响并网逆变器并联运行时零序分量通过控制零矢量作用时间分配来控制并联运行时的环流。图为采用SVPWM在一个扇区的PWM调制方式假定并网逆变器上桥臂全通的作用时间为kT则()*()*zabcddddddkdkkddk===()如果两套并网逆变器并联运行时如果各并网逆期期望的合成矢量一样即认为占空比d、d一样。则()()zdddkddkkkΔ=−=−()aSbScSadTbdTcdT()dkT−dTdTTkT图占空比与PWM调制的关系FigTherelationshipbetweendutycycleandpwmmodulation其中k、k为各并网逆变器在一个PWM周期中上桥臂全通的占空比。通过控制kk−来控制环流。并网逆变器并联运行时环流控制结构如图所示。并网逆变器采用电网电压定向的矢量控制将电网电压的合成矢量定在dq旋转坐标系的d轴上。这样实现了d、q轴电流解耦控制使d轴电流控制有功功率q轴电流控制无功功率。实验为了验证该控制策略的可行性研制了基于英飞凌公司DSP芯片(XCCI)的实验平台。对不同条件下的环流进行了实验。◆条件:两套并网逆变器的PWM周期不一样此时的实验参数如表。为了实现单位功率因数为的逆变上套并网逆变器的d、q轴电流给定为:di=qi=下套并网逆变器的d、q轴电流给定为:di=qi=。电流的给定通过CAN通讯由上位机给定。图为在条件下上、下两套并网逆变器单独运行时A相电流实验波形图为在条件下两套并网逆变器并联运行时A相电流实验波形其中(a)没加环流控制(b)加了环流控制表条件下实验参数直流母线电压VdcU=电网电压相电压有效值Armse=V交流侧滤波电感HL=电网基波角频率fradsωπ==上套逆变器的PWM开关周期Tsμ=下套逆变器的PWM开关周期Tsμ=◆条件:两套并网逆变的滤波参数不一样此时的实验参数如表。aebeaibiciovLavbvcvcepidcvaibiciLavbvcvkdd()dk−PIddddkabcdqzzi电流调节器diqidrefiqrefiddqdddddd电流调节器diqiddqddddddabcdqdrefiqrefipi锁相环θθPN图并网逆变器并联运行时环流控制结构为了实现单位功率因数为的逆变上套并网逆变器的d、q轴电流给定为:di=qi=下套并网逆变器的d、q轴电流给定为:di=qi=。图为在条件下上、下两套并网逆变器单独运行时A相电流实验波形图为在条件下两套并网逆变器并联运行时A相电流实验波形其中(a)没加环流控制(b)加了环流控制表条件下实验参数直流母线电压VdcU=电网电压相电压有效值Armse=V上套并网逆变器的滤波电感HL=下套并网逆变器的滤波电感HL=电网基波角频率fradsωπ==上套逆变器的PWM开关周期Tsμ=下套逆变器的PWM开关周期Tsμ=◆条件:两套并网逆变的电流给定不一样此时的实验参数如表。为了实现单位功率因数为的逆变上套并网逆变器的d、q轴电流给定为:di=qi=下套并网逆变器的d、q轴电流给定为:di=qi=。图为在条件下两套并网逆变器并联运行时A相电流实验波形其中(a)没加环流控制(b)加了环流控制表条件下实验参数直流母线电压VdcU=电网电压相电压有效值Armse=V上套并网逆变器的滤波电感HL=下套并网逆变器的滤波电感HL=电网基波角频率fradsωπ==上套逆变器的PWM开关周期Tsμ=下套逆变器的PWM开关周期sTμ=(a)(b)图条件下并网逆变器单独运行时A相电流(A格)实验波形(a)上套并网逆变器(b)下套并网逆变器aiai(a)aiai(b)图并网逆变器并联运行时A相电流(A格)实验波形(a)没加环流控制(b)加了环流控制(a)(b)图条件下并网逆变器单独运行时A相电流(A格)实验波形(a)上套并网逆变器(b)下套并网逆变器aiai(a)aiai(b)图条件并网逆变器并联运行时A相电流(A格)实验波形(a)没加环流控制(b)加了环流控制aiai(a)aiai(b)图条件并网逆变器并联运行时A相电流(A格)实验波形(a)没加环流控制(b)加了环流控制从图和图看出:当并网逆变器独立运行时并网逆变器输出电流波形很正弦。从图的实验波形比较看出:当上、下并网逆变器的PWM周期不一样时上、下并网逆变器输出电流发生畸变电流的畸变由环流引起的。加了环流控制后上、下并网逆变器输出电流波形有所改善。从图的实验波形比较看出:当上、下并网逆变器的滤波参数不一样时加了环流控制电流波形质量有所提高。从图的实验波形看出:当给定电流不同时并网逆变器输出电流波明形发生了明显的畸变加环流控制之后效果不佳并网逆变器输出电流仍发生很大的畸变。结论本文分析了并网逆变器并联运行时电流环流回路建立并网逆变器并联时的状态平均模型通过控制空间矢量调制(SVPWM)算法中不同零矢量在每一个PWM周期的作用时间来抑制环流。当并网逆变器的开关频率不一样或者滤波电感不一样采用这种方法环流可以有效的控制。但给定不一样时并网逆变器输出电波发生很大的畸变采用该方法对环流的抑制效果有限如何来抵制这中情况下的环流有待进一步的研究。参考文献TapiaA,TapiaG,OstolazaJX,SaenzJRModelingandcontrolofawindturbinedrivendoublyfedinductiongeneratorJIEEETransactionsonEnergyConversion,,()CarrascoJM,FranqueloLG,BialasiewiczJT,etalPowerelectronicsystemsforthegridintegrationofrenewableenergysources:asurveyJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,():ChingTsaiPan,YiHungLiaoModelingandCoordinateControlofCirculatingCurrentsinParallelThreePhaseBoostRectifiersJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,():ZhihongYe,BoroyevichD,JaeYoungChoi,Lee,etalControlofcirculatingcurrentintwoparallelthreephaseboostrectifiersJIEEETransactionsonPowerElectronics,,():–XingK,LeeFC,BoroyevichD,etalInterleavedPWMwithdiscontinuousspacevectormodulationJIEEETransactionsonPowerElectronics,,():–SatoY,KataokaTSimplifiedcontrolstrategytoimproveAcinputcurrentwaveformofparallelconnectedcurrenttypePWMrectifiersJProcInstElectrEng,,():MatsuiK,MuraiY,WatanabeM,etalApulsewidthmodulatedinverterwithparallelconnectedtransistorsusingcurrentsharingreactorsJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,():MazumderSKAnoveldiscretecontrolstrategyforindependentstabilizationofparallelthreephaseboostconvertersbycombiningspacevectormodulationwithvariablestructurecontrolJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,():MazumderSKContinuousanddiscretevariablestructurecontrolsforparallelthreephaseboostrectifierJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,():KazmierkowskiMPMalesaniLCurrentcontroltechniquesforthreephasevoltagesourcePWMconverters:asurveyJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,):BlaskoV,KauraVAnewmathematicalmodelandcontrolofathreephaseACDCvoltagesourceconverterJIEEETransactionsonPowerElectronics,,():BHKwon,JHYoum,JWLimAlinevoltagesensorlesssynchronousrectifierJIEEETransactionsonPowerElectronics,,():–作者简介:杨勇()男湖南人博士研究生研究方向风力发电Email:yangysinacom阮毅()男浙江宁波人博士教授博导研究方向电力电子与电力传动。ReturnToPrevious

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