低壓逆變器設計相關問題解決方法

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 高少波 康真威

在二十一世紀的今天，化石能源會導致環境問題日益加劇，因此我們就要設計一些節約的方法，使能量優化調度，在用電量大的今天，我們要考慮降低小型發電系統的成本，衡量其核心部件，就是逆變器的功能強弱。如何設計功率線路？如何提高逆變器效率？對應用于低中壓微網時就會有相應的應對之策，這樣就會針對不足之處提出改進下垂策略。

為了能與電力系統友好地融合，實際應用中的微電網需要在通信網絡的支撐下通過配網級、微電網級和單元級3個層次控制系統間的協調合作。在逆變器系統中，低壓逆變器是非常重要的，而微網分布式電源，有很多種控制方式以及逆變器的調節方法，主要是利用虛擬阻抗的條件，然后加入改善微網等效阻抗特性，再加上下垂控制和虛擬阻抗系統，可控制電壓下降。當微網系統中電壓幅值、相位、頻率與大電網電壓、頻率的支撐大致相抵時，可在微網自身和大電網之間，由下垂控制系統維持，從而進一步減小了參數差值，有助于增強系統魯棒性。

1 低壓逆變器設計

在低壓逆變器的設計中，首先考慮對整個小型系統的電源能量控制。但是將新能源合理利用到實際電力系統中還需要時間，也有許多不完美的地方，比如電量和發電輸出穩定性。新能源與自然天氣因素息息相關，在多云或雨天，也會增大消耗，雖然大電網能夠相對穩定，但在急需時，就會在一定程度上對系統有影響，降低動態穩定，也會影響靜態穩定，從而造成電網的不穩定。在實驗中，單獨的風機發電能源功率小，如何設計內部連接？和低壓逆變器結合。如何進行熱流設計和監測溫度？但單獨的風機發電能源功率小，無法滿足用電需求。在發展如此快的情況下，在大規模的、不同特性的各分布式電源之間，微網就是一個重點，其他在滿足電力系統穩定運行的前提下，可隨時并入或切除其他的可控單元。

2 逆變器并聯系統及傳統下垂控制策略

逆變器并聯系統及傳統下垂控制策略以增強供電可靠性為目的，因下垂控制被廣泛應用，微電網就會在逆變器并聯系統控制中，這樣利用頻率、電壓等相關數據的控制下，保證了垂控制中下垂系數為固定值。逆變器1，2在線路上的傳輸有兩種方式，一種是有功功率，另一種是無功功率。在多逆變器并聯運行時，其他會導致下垂控制造成功率分配不均勻。在逆變器并聯等效電路圖中，會出現電壓、頻率不穩定的問題。這樣需要兩者對傳，促進下垂控制改進。在不同系統中阻感比不同，易造成功率耦合現象。

在傳統下垂控制框圖中如圖1所示，逆變器的輸出電壓和電流可以確定，在下垂控制產生的電壓作為參考值。傳統下垂控制原理簡單，應用廣泛，易于實現，就會有實現有功功率和無功功率的效果，從而解耦控制。

GPR(s)和Gi(s) 分別為電壓外環和電流內環中調節器的傳遞函數；K在基于虛擬復阻抗的電壓電流雙閉環控制框圖中Rf，Lf，C分別表示低通濾波器中的濾波電阻、濾波電感和濾波電容。為了能夠更好地實現低壓逆變器并聯系統的下垂控制，電壓調節器和電流調節器要兩者共同控制。

圖1 電壓調節器和電流調節器傳遞示意

3 低壓逆變器自適應下垂控制

低壓逆變器設計改進的自適應下垂控制是需要試驗進行驗證的。但如何優化導通和開關損耗呢？

3.1 低壓逆變器改進有功功率下垂控制

逆變器可以維持各DG與負荷平衡，有功功率下垂控制框圖中，ke為U0- E反饋環的放大系數；GL(s) 為低通濾波器的傳遞函數，可表示為：

ΔE為運行過程中電壓狀態發生變化時，逆變器公共點電壓最高與最低電壓的差值。

根據改進的下垂控制框圖，輸出有功功率的傳遞函數由于空載頻率不可能達到完全一致，當接入同一負載時，就會導致功率均分效果不同。

3.2 低壓逆變器無功功率下垂控制

在拓展了電源的多樣性的條件下，引入與無功功率相關的一次項。在無功功率下垂控制框圖中，保持逆變器的輸出無功功率不變，當下垂曲線斜率不變，則角頻率增大。并讓壓環的輸出信號和電流調節器中的信號不同。通過調節曲線斜率，可使系統頻率恢復至接近于空載狀態。當系統頻率無法恢復到穩定狀態時，可增加系統阻尼，提高系統暫態性能。使無功下垂系數相對減小，系統頻率偏差降低。在基頻條件下逆變器輸出電壓的零穩態誤差情況下，當頻率反饋環出現情況三，將參考角頻率與空載角頻率改變。

4 低壓逆變器設計

4.1 低壓逆變器有功功率及電壓

在高壓逆變器中，由于半導體開關的額定電壓，讓能量分配相對困難，但控制方法十分簡單。在傳統下垂控制中，穩態電壓幅值大于虛擬阻抗下垂控制中的穩態電壓幅值，就會導致前者的電壓跌落幅值小于后者的電壓跌落幅值；但是前者的電壓偏移率會小于后者的電壓偏移率。

4.2 低壓逆變器設計的頻率

現在的新能源，大部分一般分布較為廣泛、資源不夠集中。就會導致許多產業耗資巨大，但在低壓逆變器中，功率半導體的電壓裕度小了10倍左右，這樣就讓那些高耗能的企業找到了出路。這樣在供電方式和效果方面，就得到很大的提高，因為不能像現在一樣，和火力發電集中式供電一樣供電，但是高壓逆變器確實能提供較高的功率，從而減少能源的浪費。在運行過程中，當電壓狀態發生變化時，促進逆變器公共點電壓最高。有功功率的值可通過改變下垂系數進行精確分配，從而促進多逆變器并聯運行，但是由于空載頻率不可能達到完全一致。

圖2 功率半導體反復的溫度變化對熱應力

5 低壓逆變器設計解決方案

5.1 寄生電感對性能的影響

因其他的工作電壓很高，通常比低壓逆變器對應的電壓高 10倍，但會導致供給側欠缺于需求側。這些電流與系統組件的寄生電感相耦合，也就是寄生電感。雖然電感有存儲的寄生能量，但是這些能量與電壓無關。寄生能量需要在逆變器的開關過程中進行處理和耗散，這樣就會增大逆變器的性能。傳統半導體模塊與外部電容組合，其他結合而成的逆變器寄生電感就會很高。有上述所有設計要求，系統只需要再增加一個控制板即可工作。這樣就會提高電壓，從而產生開關電壓尖峰。

5.2 精確模擬系統溫度的熱模型

在現在的精確模擬系統溫度的熱模型，因為有了大量的研究和大量的歸納，針對虛擬復阻抗的設計方法，就有了進一步的優化和改進。功率半導體反復的溫度變化對熱應力如圖2所示。在實踐中，要記住預測和控制的就是溫度，這是非常重要的，因為其他是平衡功率和壽命的關鍵，但是這也可以用來計算，關鍵是系統的溫度。系統的溫度是重中之重，在冷卻條件和負載條件下，就可以推導出可以預測功率，進一步算出半導體和電容器溫度，之后可以推斷出熱模型。但是出錯，就會導致系統壓力過大，無法達到計劃壽命。當逆變器尺寸過大、成本過高，或者導致系統壓力過大，就會導致系統無法達到計劃壽命。功率半導體反復的溫度變化對熱應力的影響最大。

在高動態負載周期下 MOSFET 和電容器的模擬溫度設計，大大優化了結構，省掉了傳統配電盒和控制器之間的連接器和導線，可以優化逆變器集成、平衡輸出功率，這就是高度非線性的效果。

結束語：在研究中實現了有功功率和無功功率的解耦控制，當參數設計為固定值時，線路阻抗不一致和逆變器的容量不匹配就會得到改善。雖然在實際的系統中，其他的結構是不斷變化的，但是當系統動態性能良好的時候，平衡輸出功率，提高優化壽命，促進冷卻系統的高效利用。新能源深受世界各國高度重視，我國已有了很大的提升，在這個研究中，提出了定義和能源利用的方式，進而提出了其組成結構，在微網中由電力電子器件進行微型電源的能量轉換中。我國的微電網技術位于世界前茅，離不開一線的工作人員的辛勤努力，也為我國提供了很多有較高利用價值的微網項目。