低壓逆變器設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題解決方法

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 高少波 康真威

在二十一世紀(jì)的今天，化石能源會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題日益加劇，因此我們就要設(shè)計(jì)一些節(jié)約的方法，使能量?jī)?yōu)化調(diào)度，在用電量大的今天，我們要考慮降低小型發(fā)電系統(tǒng)的成本，衡量其核心部件，就是逆變器的功能強(qiáng)弱。如何設(shè)計(jì)功率線路？如何提高逆變器效率？對(duì)應(yīng)用于低中壓微網(wǎng)時(shí)就會(huì)有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)之策，這樣就會(huì)針對(duì)不足之處提出改進(jìn)下垂策略。

為了能與電力系統(tǒng)友好地融合，實(shí)際應(yīng)用中的微電網(wǎng)需要在通信網(wǎng)絡(luò)的支撐下通過(guò)配網(wǎng)級(jí)、微電網(wǎng)級(jí)和單元級(jí)3個(gè)層次控制系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)合作。在逆變器系統(tǒng)中，低壓逆變器是非常重要的，而微網(wǎng)分布式電源，有很多種控制方式以及逆變器的調(diào)節(jié)方法，主要是利用虛擬阻抗的條件，然后加入改善微網(wǎng)等效阻抗特性，再加上下垂控制和虛擬阻抗系統(tǒng)，可控制電壓下降。當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)中電壓幅值、相位、頻率與大電網(wǎng)電壓、頻率的支撐大致相抵時(shí)，可在微網(wǎng)自身和大電網(wǎng)之間，由下垂控制系統(tǒng)維持，從而進(jìn)一步減小了參數(shù)差值，有助于增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。

1 低壓逆變器設(shè)計(jì)

在低壓逆變器的設(shè)計(jì)中，首先考慮對(duì)整個(gè)小型系統(tǒng)的電源能量控制。但是將新能源合理利用到實(shí)際電力系統(tǒng)中還需要時(shí)間，也有許多不完美的地方，比如電量和發(fā)電輸出穩(wěn)定性。新能源與自然天氣因素息息相關(guān)，在多云或雨天，也會(huì)增大消耗，雖然大電網(wǎng)能夠相對(duì)穩(wěn)定，但在急需時(shí)，就會(huì)在一定程度上對(duì)系統(tǒng)有影響，降低動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，也會(huì)影響靜態(tài)穩(wěn)定，從而造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)中，單獨(dú)的風(fēng)機(jī)發(fā)電能源功率小，如何設(shè)計(jì)內(nèi)部連接？和低壓逆變器結(jié)合。如何進(jìn)行熱流設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)溫度？但單獨(dú)的風(fēng)機(jī)發(fā)電能源功率小，無(wú)法滿足用電需求。在發(fā)展如此快的情況下，在大規(guī)模的、不同特性的各分布式電源之間，微網(wǎng)就是一個(gè)重點(diǎn)，其他在滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，可隨時(shí)并入或切除其他的可控單元。

2 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)及傳統(tǒng)下垂控制策略

逆變器并聯(lián)系統(tǒng)及傳統(tǒng)下垂控制策略以增強(qiáng)供電可靠性為目的，因下垂控制被廣泛應(yīng)用，微電網(wǎng)就會(huì)在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)控制中，這樣利用頻率、電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)的控制下，保證了垂控制中下垂系數(shù)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(wú)功功率。在多逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其他會(huì)導(dǎo)致下垂控制造成功率分配不均勻。在逆變器并聯(lián)等效電路圖中，會(huì)出現(xiàn)電壓、頻率不穩(wěn)定的問(wèn)題。這樣需要兩者對(duì)傳，促進(jìn)下垂控制改進(jìn)。在不同系統(tǒng)中阻感比不同，易造成功率耦合現(xiàn)象。

在傳統(tǒng)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(chǎn)生的電壓作為參考值。傳統(tǒng)下垂控制原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，易于實(shí)現(xiàn)，就會(huì)有實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的效果，從而解耦控制。

GPR(s)和Gi(s) 分別為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)中調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；K在基于虛擬復(fù)阻抗的電壓電流雙閉環(huán)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(shí)現(xiàn)低壓逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的下垂控制，電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器要兩者共同控制。

圖1 電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器傳遞示意

3 低壓逆變器自適應(yīng)下垂控制

低壓逆變器設(shè)計(jì)改進(jìn)的自適應(yīng)下垂控制是需要試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的。但如何優(yōu)化導(dǎo)通和開關(guān)損耗呢？

3.1 低壓逆變器改進(jìn)有功功率下垂控制

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

ΔE為運(yùn)行過(guò)程中電壓狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，逆變器公共點(diǎn)電壓最高與最低電壓的差值。

根據(jù)改進(jìn)的下垂控制框圖，輸出有功功率的傳遞函數(shù)由于空載頻率不可能達(dá)到完全一致，當(dāng)接入同一負(fù)載時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致功率均分效果不同。

3.2 低壓逆變器無(wú)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(wú)功功率相關(guān)的一次項(xiàng)。在無(wú)功功率下垂控制框圖中，保持逆變器的輸出無(wú)功功率不變，當(dāng)下垂曲線斜率不變，則角頻率增大。并讓壓環(huán)的輸出信號(hào)和電流調(diào)節(jié)器中的信號(hào)不同。通過(guò)調(diào)節(jié)曲線斜率，可使系統(tǒng)頻率恢復(fù)至接近于空載狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)頻率無(wú)法恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可增加系統(tǒng)阻尼，提高系統(tǒng)暫態(tài)性能。使無(wú)功下垂系數(shù)相對(duì)減小，系統(tǒng)頻率偏差降低。在基頻條件下逆變器輸出電壓的零穩(wěn)態(tài)誤差情況下，當(dāng)頻率反饋環(huán)出現(xiàn)情況三，將參考角頻率與空載角頻率改變。

4 低壓逆變器設(shè)計(jì)

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(dǎo)體開關(guān)的額定電壓，讓能量分配相對(duì)困難，但控制方法十分簡(jiǎn)單。在傳統(tǒng)下垂控制中，穩(wěn)態(tài)電壓幅值大于虛擬阻抗下垂控制中的穩(wěn)態(tài)電壓幅值，就會(huì)導(dǎo)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(huì)小于后者的電壓偏移率。

4.2 低壓逆變器設(shè)計(jì)的頻率

現(xiàn)在的新能源，大部分一般分布較為廣泛、資源不夠集中。就會(huì)導(dǎo)致許多產(chǎn)業(yè)耗資巨大，但在低壓逆變器中，功率半導(dǎo)體的電壓裕度小了10倍左右，這樣就讓那些高耗能的企業(yè)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?yàn)椴荒芟瘳F(xiàn)在一樣，和火力發(fā)電集中式供電一樣供電，但是高壓逆變器確實(shí)能提供較高的功率，從而減少能源的浪費(fèi)。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)電壓狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，促進(jìn)逆變器公共點(diǎn)電壓最高。有功功率的值可通過(guò)改變下垂系數(shù)進(jìn)行精確分配，從而促進(jìn)多逆變器并聯(lián)運(yùn)行，但是由于空載頻率不可能達(dá)到完全一致。

圖2 功率半導(dǎo)體反復(fù)的溫度變化對(duì)熱應(yīng)力

5 低壓逆變器設(shè)計(jì)解決方案

5.1 寄生電感對(duì)性能的影響

因其他的工作電壓很高，通常比低壓逆變器對(duì)應(yīng)的電壓高 10倍，但會(huì)導(dǎo)致供給側(cè)欠缺于需求側(cè)。這些電流與系統(tǒng)組件的寄生電感相耦合，也就是寄生電感。雖然電感有存儲(chǔ)的寄生能量，但是這些能量與電壓無(wú)關(guān)。寄生能量需要在逆變器的開關(guān)過(guò)程中進(jìn)行處理和耗散，這樣就會(huì)增大逆變器的性能。傳統(tǒng)半導(dǎo)體模塊與外部電容組合，其他結(jié)合而成的逆變器寄生電感就會(huì)很高。有上述所有設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)只需要再增加一個(gè)控制板即可工作。這樣就會(huì)提高電壓，從而產(chǎn)生開關(guān)電壓尖峰。

5.2 精確模擬系統(tǒng)溫度的熱模型

在現(xiàn)在的精確模擬系統(tǒng)溫度的熱模型，因?yàn)橛辛舜罅康难芯亢痛罅康臍w納，針對(duì)虛擬復(fù)阻抗的設(shè)計(jì)方法，就有了進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。功率半導(dǎo)體反復(fù)的溫度變化對(duì)熱應(yīng)力如圖2所示。在實(shí)踐中，要記住預(yù)測(cè)和控制的就是溫度，這是非常重要的，因?yàn)槠渌瞧胶夤β屎蛪勖年P(guān)鍵，但是這也可以用來(lái)計(jì)算，關(guān)鍵是系統(tǒng)的溫度。系統(tǒng)的溫度是重中之重，在冷卻條件和負(fù)載條件下，就可以推導(dǎo)出可以預(yù)測(cè)功率，進(jìn)一步算出半導(dǎo)體和電容器溫度，之后可以推斷出熱模型。但是出錯(cuò)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過(guò)大，無(wú)法達(dá)到計(jì)劃壽命。當(dāng)逆變器尺寸過(guò)大、成本過(guò)高，或者導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到計(jì)劃壽命。功率半導(dǎo)體反復(fù)的溫度變化對(duì)熱應(yīng)力的影響最大。

在高動(dòng)態(tài)負(fù)載周期下 MOSFET 和電容器的模擬溫度設(shè)計(jì)，大大優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，省掉了傳統(tǒng)配電盒和控制器之間的連接器和導(dǎo)線，可以優(yōu)化逆變器集成、平衡輸出功率，這就是高度非線性的效果。

結(jié)束語(yǔ)：在研究中實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，當(dāng)參數(shù)設(shè)計(jì)為固定值時(shí)，線路阻抗不一致和逆變器的容量不匹配就會(huì)得到改善。雖然在實(shí)際的系統(tǒng)中，其他的結(jié)構(gòu)是不斷變化的，但是當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好的時(shí)候，平衡輸出功率，提高優(yōu)化壽命，促進(jìn)冷卻系統(tǒng)的高效利用。新能源深受世界各國(guó)高度重視，我國(guó)已有了很大的提升，在這個(gè)研究中，提出了定義和能源利用的方式，進(jìn)而提出了其組成結(jié)構(gòu)，在微網(wǎng)中由電力電子器件進(jìn)行微型電源的能量轉(zhuǎn)換中。我國(guó)的微電網(wǎng)技術(shù)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(guó)提供了很多有較高利用價(jià)值的微網(wǎng)項(xiàng)目。