基于微电网的并网逆变技术研究综述

2009年第4期

基于微电网的并网逆变技术研究综述

摘要:并网逆变器是连接微电网和公用电网的核心装置。简单介绍了基于微电网的并网逆变器在公用电网中的主要功能,总结了常见的逆变器拓扑结构。对目前多种实用的逆变控制策略进行了分析和对比,并对同步锁相和孤岛效应检测等微电网并网技术问题及其解决方案作了简单介绍。未来的微电网逆变技术发展趋势是将不同的控制方法进行整合形成复合控制,在向公共电网同步传输有功功率的同时,也能实现无功调节、谐波抑制和故障检测的功能。

关键词:微电网;并网逆变器;控制策略;锁相技术;孤岛效应中图分类号:T M 91文献标识码:B 文章编号:1007-1881(2009)04-0017-05

杜秀丽

1,2

,黄琦

1,2

,张昌华

1,2

,井实

1,2

,周迪

1,2

(1.电力系统与广域测量与控制四川省重点实验室,成都

610054;2.电子科技大学电力自动化工程研究中心,成都

610054)

图1

典型的微电网系统结构图

0引言

目前,世界上大部分电力系统已发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网络系统。但是,随着用电负荷的不断增加,受端电网对外来电力的依赖程度也不断提高,使电网运行的稳定性和安全性下降。为此,20世纪90年代就提出将分布式发电技术与储能技术综合在一起的特殊

电网形式,即微型电网(M icro g rid )[1]

,其典型结构如图1所示。在微电网中,由微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、太阳能电池、风力发电机等提供分布式电能,再使用蓄电池、超级电容器、飞轮等储能装置储存能量,并通过并网逆变器与

公用电网级联。微电网从系统出发,将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合在一起,形成一个单一可控的单元。微电网具有低成本、低电压、低污染等特点,可以降低本地电网对外来电

浙江电力

ZHE J IANG E LECT RIC POWER

Overvie w of G rid -connected Invertin g Techni q ue B ased on Micro -g rid

D U X i u -li

1,2

,HU A N G Qi

1,2

,Z HA N G Chan g -h ua

1,2

,J I N G S hi

1,2

,Z HO U Di

1,

2

(1.K e y Laborator y of P ow er S y stem W ide-area M easurem ent and C ontrol for S ichuan Province ,

Chen g du 610054,China ;2.Research Center of P ow er Autom ation En g ineerin g ,

Universit y of E lectronic S cience and T echnolo gy of China ,Chen g du 610054,China )

Abstract :Recentl y ,w ith the develo p m ent of m icro-g rid ,m icro-g rid s y stem is ex p ected to p la y an active role in im p rovin g p ow er q ualit y ,stabilit y and reliabilit y of p ow er g rid.T he g rid -connected inverters are the ke y devices in

m icro-g rid and extensivel y concerned in the w orld.T his p a p er p resents the m a j or effects and t y p ical to p olo g ical structures of g rid inverters -connected based on m icro-g rid in p ow er g rid.Anal y sis and com p arisons of various in 2vertin g control strate g ies are carried out ,several technical p roblems and relevant solutions related to s y nchronous p hase lock techni q ue and anti-islandin g detection are also briefl y introduced.T he p ros p ective invertin g techni q ues should be the com p ound and com p lex control s y stems b y combination of different control strate g ies ,w ith active p ow er transfer ,inactive p ow er re g ulation ,harm onic su pp ression and fault detection simultaneousl y achieved.K e y w ords :m icro-g rid ;g rid -connected inverter ;control strate gy ;p hase lock techni q ue ;anti-islandin g

182009年第4期

表1逆变器拓扑结构类别

分类方法逆变器拓扑结构类型按直流电源性质按功率流动方向按逆变输出相位数按逆变器的拓扑结构按逆变开关器件类型按隔离元件工作频率

电流型、电压型单向流动型、双向流动型

单相、三相组合式、半桥式和全桥式晶闸管型、晶体管型和IG BT 型工频(

低频)、中频和高频

图2并网逆变器的3种工作模式力的依赖程度,弥补了超高压、远距离输电的不足,满足了电力系统和用户的特定要求(如电力调峰、为边远用户或商业区供电等)。美国、日本、欧洲目前已对微电网进行比较深入的研

究[2-4]

,取得了一系列的研究成果,国内也相

继开始了对微电网的相关研究[5-7]

。

并网逆变器是连接微电网与公用电网的关键部件。本文介绍了并网逆变器在微电网并网中的各种功能,总结了常见并网逆变器的分类与拓扑结构,并对并网逆变器的控制技术进行了分析和讨论,指出了并网逆变技术研究的热点问题。

1并网逆变器在微电网中的功能

微电网系统中并网逆变器的作用主要是实现

微电网和公用大电网之间的连接与电能交换。并网逆变器在传输有功功率的同时,还通过无功补偿和谐波抑制(有源滤波)等方式改善电网的电能质量。无功功率应按照就地平衡的原则进行就地补偿,避免大量的无功功率作远距离传输,利用本地化的微电网容易实现无功就地补偿。

典型的无功功率补偿模式是基于瞬时无功功率理论,采用p ark 变换将三相逆变器输出电流变换到旋转d -q 坐标上,实现对有功电流和无功电流的分离,然后分别控制有功电流和无功电流的大小和方向,在逆变器上将直流电变换成交流电,同时对大电网进行有功功率和无功功率补偿。当公用电网包含谐波时,容易产生串、并联谐振,导致用电设备烧毁。微电网可用作有源滤波器,目前2种主要的谐波检测方法是p -q 和i p -i q 法。其基本原理是从补偿对象中实时检测谐波电流。由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含有基波分量。

因此,一个理想的微电网并网逆变器应具备3种不同的工作模式:传送有功功率模式、传送无功功率模式和谐波抑制模式。这3种工作模式并不是完全的,它们可以在工作中进行任意组合。例如在传送有功电能时,可以同时对无功电流和谐波电流进行补偿抑制,如图2所示。

2并网逆变器分类与拓扑结构

并网逆变器实质上是一个有源逆变系统。针

对不同的要求有各种不同的逆变器拓扑结构,如表1所示。

三相全桥式逆变器在微电网并网中得到了广泛应用,如图3所示,其基本原理是将自换相电流源桥式电路的交流端并联在电网上,适当调节桥式电路交流侧输出电流的相位和幅值,就可以传输有功电流。直流回路的电感是实现电流源的主要器件,为了改善并网电流的波形,在交流侧要加滤波电容器,实现微电网并网的目的。三相全桥式逆变器具有电路拓扑简洁、易于控制等优点,不足之处是带不平衡负载的能力较弱。但三相并网逆变器主要是并网发电,作为其负载的公共电网可以视为一个理想的三相平衡负载,所以全桥式逆变拓扑结构不失为一种合理的方案。

3并网逆变器的控制技术研究

3.

1逆变控制策略

不同的逆变器拓扑结构、不同的工作模式,

图3三相全桥式逆变器拓扑图

浙江电力

19

2009年第4期杜秀丽,等:基于微电网的并网逆变技术研究综述表2主要的逆变控制策略及其优缺点对比

相应的逆变器数学模型和选择的控制策略也有所不同。一般而言,并网逆变器的控制目标是控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波,且与公共电网同压、同频、同相位。逆变控制系统所采集的信号一般有直流母线电流电压信号、交流母线电流电压信号以及逆变输出的三相交流电流电压信号,并对并网逆变器实时在线控制,即直流侧电压控制、PWM 波的产生和交流侧电流控制。对于一般的控制系统,要实现PWM 逆变器正常工作,须同时控制直流电压和交流电流,直流电压作为外环控制量,交流电流用于内环调节。根据实现控制的硬件手段,并网逆变器的控制可以分为模拟控制和数字控制。目前的一些主要逆变控制策略及其优缺点如表2所示。

随着各种高速数字信号处理器(DSP )的出现,将先进的数字控制应用到并网逆变器控制中的研究越来越多。可以采用的控制方法较多,每一种控制方法都有其特点和适用场合。因此,可以将不同的控制方法整合形成复合控制,以到达理想的控制效果。3.2同步锁相技术

在逆变器并网工作时,锁相标准要求较高。并网的关键是要求输出的正弦电压与公用电网电压同频、同相。要做到这一点,一般要求基准正弦波与输入电网电压同步,然后再通过锁相环使逆变器输出电压波形与基准正弦波同步。典型的

控制策略

工作原理、优点与缺点

模拟控制策略

电压型

[8]

输出电压单闭环反馈控制

抗干扰能力较强,交叉调节能力较强动态响应速度慢,补偿较为复杂

峰/谷值电流型[9]

将输出电流内环与输出电压外环比较,控制功率开关的占空比

具有高度的稳定性和较快速的动态响应,稳态精度高,过载及短路能力强抗干扰性能较差,适应拓扑能力较差

平均值电流型

[10]

经过高增益的电流环补偿网络来优化设计和控制可精确跟踪电流,不需斜坡补偿,噪声免疫能力强动态响应速度较慢

数字控制策略

滞环电流控制

[11]

根据电流跟踪偏差来决定功率器件的开关状态

具有快速的响应速度,较高的稳定性,输出电压电流波形不含特定次谐波开关频率不固定,电路工作可靠性下降,会增加设计难度。

双环控制

[12]

采用电压、电流环控制来实现直流电压的稳定和调节并网电流的幅值具有固定的开关频率,易于系统的设计

电流动态偏差随着电流变化率的变化而变化

SVPWM 控制

[13]

把直流电压变成电压脉冲序列,并控制其宽度和周期以达到变压变频可减少低次谐波,波形跟踪效果较好需要对系统进行精确建模

无差拍控制

[14]

根据逆变器状态方程和输出反馈来推算下一个开关周期的PWM 脉冲宽度理论上可使输出电压误差在一个开关周期内得到校正算法复杂,对负载的变化敏感,鲁棒性很差

重复控制

[15]

把作用于系统外部的信号模型植入系统控制器内部,以构成高精度反馈控制具有较强的鲁棒性,稳态特性较好控制实时性差,动态响应慢

模糊控制[16]

利用模糊逻辑规则的具有反馈通道的闭环结构的数学控制系统具有较强的鲁棒性和自适应性

稳态特性差,需与其他控制方式结合使用

滑模变结构控制

[17]

本质上是一种不连续性开关型控制,可以频繁、快速地切换系统控制状态具有很强的鲁棒性波形跟踪质量较差

数字PI D 控制

[18]

根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制算法简单,有较强的鲁棒性

采样误差会降低控制精度,延时使控制稳定域减小,增加设计难度神经网络控制

[19]

模拟人脑神经中枢系统智能活动的一种控制方式具有非线性映射能力,计算能力和鲁棒性较好受硬件系统,目前无法实现在线控制

202009年第4

期

图4基准正弦波发生电路

图5

孤岛效应示意图

[1]

浙江电力基准正弦波发生电路如图4所示。

锁相环(P LL )是实现同步锁相的关键技术,早期的锁相环是由一系列分立元件集合的模块,能实现多路信号相位和频率的相互跟踪。简单地说,P LL 是一种闭环反馈控制系统,能使输出相位和参考相位之间的相差减小到最小。随着大规模集成电路的广泛应用,一些灵敏的信号处理方法在数字领域付诸实施。模拟锁相环(AP LL -Analo g P LL )和数字锁相环(DP LL -Di g ital P LL )均有一定的发展,现有的大多数锁相环方案是由模拟和数字电路混合构成的,其发展趋势是集成单片IC 以组成新一代的混合锁相环(HP LL -H y brid P LL )模块。但AP LL ,DP LL ,HP LL 都是以硬件方式实现锁相功能,有着较为复杂的硬件电路,因此遇到一些硬件难以克服的难题。目前软件锁相技术(SP LL -S oftw are P LL )作为一种新的研究课题越来越受到重视。3.3孤岛效应检测技术

所谓孤岛效应(Anti-islandin g ),根据美国Sandia 国家实验室提供的报告,是指:当电力公司的供电因故障、事故或停电维修而中断时,用户端的太阳能并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离市电网络,导致形成由太阳能并网发电系统和周围的负载形成的电力公司无法掌握的自给供电孤岛。事实上,不只太阳能发电系统会有这个问题,整个微电网发电系统都会有此问题,如图5所示。

当发生孤岛效应时,一般会造成以下不利影响:

(1)微电网内部自持的供电网络将可能危及

维修人员的安全。

(2)微电网并网时电压幅值和频率要求与公用电网一致。若发生孤岛效应,微电网电压和频率将产生漂移,可能会损坏本地用电设备。

(3)由于微电网并网系统输出电压和公用电网电压之间产生了相位差,当微电网重新接入公用电网时会产生浪涌电流,可能引起再次跳闸或对微电网系统、本地用电设备和公用电网系统带来损坏。

由上可知,微电网并网系统不仅逆变器应该具备各种保护功能,还应该具有防止孤岛效应的保护功能,以保证系统的正常工作。

通常检测孤岛效应都是通过同时使用多种“主动”和“被动”方法对电网进行监控来实现的。目前常用的被动检测方法有:监控公用电网电压的幅值和频率、监控公用电网电压和并网电压之间的相位差、对并网电流实行监控以及谐波检测法等;常用的主动检测方法有:Snadia 频率漂移法、Snadia 电压漂移法以及通过主动对公用电网发出干扰信号进行检测的方法等。上述方法各有优缺点,但目前为止还没有完美的孤岛效应检测方法。

4并网逆变技术的发展趋势

未来的电网系统是一个公用大电网系统为主、本地微电网系统为辅的综合型电网系统。并网逆变技术作为连接微电网与公用大电网的关键技术,必将随着微电网系统的兴起而不断发展成熟。未来的微网并网逆变技术研究主要集中在以下几个方面:

(1)集成当前各种逆变控制技术的复合式控制技术。

(2)并网逆变器输出电压与公用电网电压达到同步的同步锁相技术。

(3)并网逆变器对公共大电网实现无功调节和谐波抑制的功能。

(4)微电网并网的故障检测与保护技术。

参考文献:

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2009年第4

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收稿日期:2009-03-13

作者简介:杜秀丽(1984-),女,山东菏泽人,硕士,从事电力系统与自动化研究工作。

(本文编辑:龚

皓)

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(上接第3页)

5结语

大型火力发电厂利用富裕的蒸汽产能,为周边地区进行抽汽供热,一方面可以利用高效率的锅炉生产高品质的蒸汽,大幅度提高燃料的利用率,减少污染排放;另一方面,机组采用抽汽对外供热,可以避免这部分蒸汽在凝汽器内的冷源损失,改善机组循环效率,降低机组煤耗率,是机组节能降耗的一条重要途径。

通过浙江北仑发电厂600MW 机组抽汽供热方案的评估分析工作,掌握不同抽汽供热方式对汽轮机、锅炉运行的安全性和经济性影响程度,从中选取冷再热抽汽供热作为推荐方案,这一评

估结论将为北仑电厂600MW 机组抽汽供热项目的具体实施提供科学指导。

参考文献:

收稿日期:2009-06-16

作者简介:陈小庆(1956-),男,浙江杭州人,高级工程师,从事火电发电厂经营和管理工作。

孙永平(1968-),男,浙江富阳人,高级工程师,从事发电厂热能动力研究工作。

(本文编辑:龚皓)