[发明专利]单相双向变流器控制系统

说明书

技术领域

本发明属于变流器技术领域，更为具体地讲，涉及一种单相双向变流器控制系统。

背景技术

随着全球经济和工业的快速发展，社会用电量需求的不断增加，煤炭、石油等常规能源的逐渐枯竭，以及大量传统化石燃料的消耗而引起的环境问题，世界各国学者逐渐意识到有必要发展新的能源供电方式——分布式发电。分布式发电技术能充分利用多种可再生能源，不仅可以缓解人类所面临的日益严重的能源危机和环境危机。然而，风能、太阳能、潮汐能等新能源发电系统具有显著的间歇性和随机性的特点，导致发电功率出现很大的波动，因而引入直流储能单元可以对这种功率的波动进行很好的补充。

单相的电力系统是配电网中可再生能源利用的一种重要形式，单相双向变流器可以实现直流储能单元与交流电网之间的双向能量传递，可以将富余的电能转移到储能单元，在电网供电不足时回馈给电网，从而有效调节电网峰谷，同时维持电网电压和频率的稳定。单相双向变流器需要配置控制系统，以实现其逆变和整流两种功能。图1是单相双向变流器控制系统在电网中的应用示意图。如图1所示，单相双向变流器控制系统监测单相双向变流器交流侧的运行参数，根据运行参数生成PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号的控制信号，由PWM信号发生器生成PWM波，然后通过驱动电路来控制变流器的各个开关管的导通与关断。

单相逆变器控制系统可以控制单相逆变器的输出功率、机端电压、输出电流以及电网频率具有某种特性。一般而言，主要有：恒功率控制、恒压恒频控制、下垂控制等。

恒功率控制是利用单相逆变器的输出电压电流计算出有功功率和无功功率，分别与给定的有功功率和无功功率参考值进行比较，产生的误差输入PI(Proportional Integral，比例积分)控制器，从而产生电流内环参考电流，输入电流环控制，其输出信号作为调制波，经过三角载波调制产生SPWM波来控制单相逆变器开关管的通断，通过电流内环和功率外环的双闭环控制来实现单相逆变器恒定输出功率的控制。

恒压恒频控制在恒功率控制的外环做了一定改动，引入了一个控制器用于产生有功功率和无功功率参考值。该控制器将采样回来的频率与参考频率进行比较之后，送入PI控制器，得到有功功率参考值；将采样回来的交流侧电压有效值与参考交流侧电压有效值进行比较之后，送入PI控制器，得到无功功率参考值。后续控制与恒功率控制一致。

下垂控制是模拟同步发电机的功频特性的一种控制方法，将系统频率和逆变器机端电压幅值测量回来，分别与系统额定频率和额定电压幅值作差之后，利用有功功率、无功功率与系统频率、机端电压幅值的下垂特性来控制该差值，从而控制输出的有功功率和无功功率。特别地，下垂控制与逆变器输出阻抗相关，阻性、感性、容性输出阻抗的下垂方程式不同，需要根据不同的输出阻抗采用相应的下垂控制算法。

对于整流器控制而言，目前PWM整流器是其中较常用的一类。PWM整流器的控制目标是输出稳定的直流母线电压、获得单位功率因素和保证输入交流电流谐波含量小。一般而言，可以有以下两种控制方法：直接电流控制、间接电流控制。

直接电流控制是通过运算计算出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。直接电流控制中有不同的电流跟踪控制方法，其中最常见的是电流滞环比较控制。电流滞环比较控制系统是一个双闭环控制系统，由电压外环和电流内环组成。电压外环是将直流电压设定值与采样回来的直流电压值比较后，送入PI调节器。PI调节器的输出与交流电压同相位的正弦信号相乘之后，得到指令电流。再将单相逆变器的实际并网电流与指令电流进行比较，二者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制整流器开关管通断的PWM信号。滞环控制的基本原理是通过设定滞环比较器的上下限，使得整流器的输出电流准确跟踪参考电流。

间接电流控制也称为相位和幅值控制，该方法是将直流电压设定值与采样回来的直流电压值比较后，送入PI调节器。PI调节器的输出i_d与交流电压同相位的正弦信号相乘之后，再乘以电阻R，得到电流在R上的压降u_R；乘以比交流电压相位超前90°的余弦信号，再乘以电感L，得到电流在L上的压降；用交流电压信号减去和之后，用该信号产生控制整流器开关管通断的PWM信号。这种控制方式稳定性较差，且电流响应速度相对较慢，易受外界参数变化的影响，应用较少。