一种基于混合器件的光-储分布式系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种基于混合器件的光‑储分布式系统的控制方法，包括有功‑频率控制环节、无功‑电压控制环节以及耦合补偿环节；在有功‑频率控制环节中考虑电压偏差耦合，在无功功率控制环节考虑角频偏差耦合，耦合补偿环节用于通过电压偏差和角频率偏差分别补偿有功‑频率控制环节和无功‑电压控制环节来实现下垂控制的三维化控制，以有效实现解耦。本发明具有实现逆变单元间功率的稳定调节、提升系统电磁兼容性能、安全可靠性等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于混合器件的光-储分布式系统的控制方法。

背景技术

功率半导体器件目前正从传统工业制造和4C产业向新能源、电力机车、智能电网等新领域发展。鉴于功率半导体器件在发电、输配电和电力使用等整个电能供应链中发挥了全方位的关键性作用。然而我国无论技术还是产能都处于落后阶段，作为世界工厂，其需求却领衔全球，呈现出巨大的供需缺口，主要依赖进口来满足。因此研究具有低损耗、高频率、高可靠性、大容量的新型功率半导体器件对我国功率半导体器件技术的发展和产业化有着至关重要的作用，也是推动功率半导体器件行业及其应用领域增速发展的重要环节。

近年来，日益复杂的工况和应用环境对电能变换装置的功率密度、功率容量、效率和可靠性等综合性能提出了更加苛刻的要求，功率半导体器件作为电能变换装置的核心，很大程度上决定着装置性能的好坏。传统的Si基功率半导体器件及其材料已经接近物理极限。而SiC MOFET因其开关速度快、开关损耗小和耐高温等优良特性，有望在推动电能变换装置向小型化、轻量化、高效率等方面得到快速的发展，在部分领域已经有替代Si IGBT的趋势。然而，现阶段商用SiC MOSFET的额定电流仍相对较低，相比同等电气规格Si IGBT价格也偏高，且其可靠性与Si IGBT相比也存在一定差距。此外，SiC MOSFET具有更高的dv/dt和di/dt，会给电力电子装置带来更严重的电磁干扰问题，严重威胁其安全性和可靠性。虽然Si IGBT和SiC MOSFET两个市场竞争逐渐变得激烈，但SiC MOSFET现阶段甚至在将来一段时间内也难以完全占领Si IGBT的市场。

为有效解决单个器件存在的不足，美国田纳西大学Fred Wang教授团队和美国俄亥俄州立大学Fang Luo教授团队于2015年首次报道了具有更高性价比(Cost-effective)的Si/SiC混合器件。该混合器件采用小芯片面积、低电流等级的SiC MOSFET与大芯片面积、高电流等级的Si IGBT进行组合，在改善器件性能的同时兼顾了器件成本的少量增加，初步探讨了混合器件性能与价格的折衷优化。因此，采用Si/SiC混合器件的电能变换器能满足新能源发电、电动汽车、航空航天等领域对低成本、高功率密度、大容量、高效率和高可靠性电能变换装置的需求。

上述Si/SiC混合器件的电能变换器在光-储分布式系统中已有应用，其中Si/SiC混合器件的电能变换器作为逆变器进行电能的转换，但是在实际应用时，仍然存在以下问题：

1、角频率和电压变化导致的电网波动问题

在实际的电网中，由于电力系统本身的多样性和电力系统负载的复杂性，导致了电力系统中存在着许多可能导致角频率或者电压波动引起的电能质量问题。这不仅降低了电力系统的可靠性，而且可能会引发一些危险的事故，给电力用户带来潜在的威胁。传统下垂控制忽略了功率耦合的影响，在调节过程中功率耦合是不可控的。不可控功率在电源特性不同时增大了功率调节的差异，在逆变器并联时降低了功率调节的精度以及功率分配的精度，降低了微电网的稳定性和效率。除此之外，传统的下垂控制还缺乏足够的惯性。角频率惯性和电压惯性的缺乏意味着角频率和电压容易受到功率波动的影响，因此当系统中存在功率波动时，系统的稳定性和动态性能会降低。如何克服传统下垂控制的局限性，提高系统的稳定性和改善系统的动态特性，是一个很关键的问题。

2、光-储微网中的EMI问题

另外，对于用电设备而言，EMI无处不在。一般而言，开关器件作为电能变换装置中的干扰源，其自身的开关速度和开关频率是影响传导EMI至关重要的因素。若器件的开关频率较高，电压变化率和电流变化率也随之会上升，这些因素直接导致其传导EMI变得尤为严重。针对Si/SiC混合器件中的SiC MOSFET部分的存在，必然会导致开关速度的提高，从而使得Si/SiC混合器件会产生更严重的传导EMI噪声。如何降低因混合器件自身结构所产生的EMI噪声，是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种实现逆变单元间功率的稳定调节、提高系统的安全性和可靠性的基于混合器件的光-储分布式系统的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于混合器件的光-储分布式系统的控制方法，包括有功-频率控制环节、无功-电压控制环节以及耦合补偿环节；在有功-频率控制环节中考虑电压偏差耦合，在无功功率控制环节考虑角频偏差耦合，耦合补偿环节用于通过电压偏差和角频率偏差分别补偿有功-频率控制环节和无功-电压控制环节来实现下垂控制的三维化控制，以有效实现解耦。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述有功-频率控制环节包括步骤：

S01、通过参考有功信号与实际有功信号之差，以获取无功差值信号；

S02、通过有功差值信号、有功下垂系数、惯性环节和耦合参数获取角频率偏差信号；

S03、通过角频率偏差信号与参考角频率信号之和，获取实际的角频率信号；

S04、通过积分获取实际相位信号，以实现虚拟阻抗和坐标变换功能。

所述无功-电压控制环节的运行步骤如下：

S11、通过参考无功信号与实际无功信号之差，获取无功差值信号；

S12、通过无功差值信号、无功下垂系数和耦合参数，获取电压偏差信号；

S13、通过电压偏差信号与参考电压信号之和，获取实际的电压参考信号；

S14、通过该电压参考信号实现电压信号的准确控制。

通过步骤S02中的角频率偏差信号对无功-电压控制环节进行补偿；通过步骤S12中的电压偏差信号对有功-频率控制环节进行补偿。

还包括变驱动模式：在负载电流大于第一预设值的情况下，采用SiC MOSFET先开后关的驱动模式以防止系统的开关损耗过多增加。

所述变驱动模式还包括：在负载电流小于第二预设值的情况下，采用SiC MOSFET先开且Si IGBT后关的驱动模式以降低EMI噪声；其中第二预设值小于所述第一预设值。

还包括变开关频率控制策略：在保持三相电流纹波不超过限定值的情况下，降低混合器件的开关频率。

所述变开关频率控制策略的具体过程为：当三相占空比一定时，电流纹波峰值正比于开关周期；由固定开关频率时的电流纹波峰值推导出每个时刻将电流纹波峰值钳位到最大值时的开关周期，即开关频率。

根据三相逆变器输出电流质量中电流纹波最大值的要求，选定电流纹波限定值I

通过公式

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明将Si/SiC混合器件应用于光-储分布式系统(或称微电网)中，引入耦合补偿环节的新型下垂控制技术在继承传统下垂控制技术的优点的基础上，进一步对系统的功率分配及其动态响应进行了优化和改善，这对于无互连线的逆变单元的控制而言，具有较高的应用价值和应用前景。

其次，变驱动模式策略以及变开关频率策略的应用，在不增加系统额外功率损耗的前提下，有效降低了Si/SiC混合器件对该系统带来的负面影响，同时也能有效的抑制光-储分布式系统的EMI噪声，提升该系统的电磁兼容性能。

因此，新型下垂控制策略、变驱动模式策略以及变开关频率策略的采用有利于逆变器在有限的条件下发挥出更优越的性能，对于未来逆变器效率以及电磁兼容性能的优化和提升具有指导意义。

附图说明

图1为本发明的光-储分布式系统在实施例的结构示意图。

图2为本发明的功率调节曲线；其中(a)为有功功率调节曲线；(b)为无功功率调节曲线。

图3为本发明的下垂控制方法的原理图。

图4为本发明的变驱动模式示意图。

图5为本发明的幅频特性图；其中(a)为固定开关频率的幅频特性图；(b)为变开关频率的幅频特性图。

图6为本发明的变开关频率曲线图。

图7为本发明的电流纹波及峰值曲线图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

首先就本发明中的基于混合器件的光-储分布式系统结构进行介绍，如图1所示。该系统主要的电路拓扑主要由光伏逆变单元和储能逆变单元两大部分组成；其中光伏逆变单元包括直流输入部分(从光伏发电模块获取电能)、Boost变换器拓扑(通过驱动变换器中复合器件的通断，实现直流电的升压)、两电平三相逆变器拓扑以及三相低通滤波电路。储能逆变单元由直流输入部分(从储能电池组获取电能)、两电平三相逆变器以及三相低通滤波电路。其中光伏逆变单元和储能逆变单元中的两个逆变单元中的两电平三相逆变器，均由Si/SiC混合器件(或称复合器件)所组成，均通过驱动逆变器中六个复合器件的通断，实现直流电到交流电的变换；三相低通滤波电路均采用LC低通滤波器(L

本发明的控制方法，则基于如上所述的系统来实现，具体包括最大功率跟踪控制(MPPT)、模型预测控制、EMI抑制策略以及并联控制技术等几个部分。其中Boost变换电路采用MPPT控制技术，通过MPPT技术能使光伏发电系统每一时刻都保证在最大功率点，提高光伏发电系统对太阳能的利用率；

本发明的光-储分布式系统的分布式发电单元间采用引入耦合补偿环节的新型下垂控制策略，实现逆变单元间功率的稳定调节，提高系统的安全性和可靠性，具体过程如下：

如图3所示，本发明的控制方法包括有功-频率控制环节、无功-电压控制环节以及耦合补偿环节；在有功-频率控制环节中考虑电压偏差耦合，在无功功率控制环节考虑角频偏差耦合，耦合补偿环节用于通过电压偏差和角频率偏差分别补偿有功-频率控制环节和无功-电压控制环节来实现下垂控制的三维化控制，以有效实现解耦。耦合补偿可使功率耦合可控，并且可以平衡微电网的功率调节。

具体地，有功功率调节考虑电压偏差耦合，无功功率调节考虑角频偏差耦合：

式(1)中，d

为获得高的角频率惯性和电压惯性，在式(1)中引入惯性项。角频率惯性和电压惯性类似于低通一阶滤波器，当微电网发生电力扰动时，它可以降低角频率和电压的变化率，减小电网波动。具体下垂控制方法如下：

其中，V

图2所示为传统下垂控制方法和新型下垂控制方法的功率调整曲线相量图。Δθ

本实施例中，有功-频率控制环节的运行步骤如下：

S01、通过参考有功信号(P

S02、通过有功差值信号(P

S03、通过角频率偏差信号(Δω)与参考角频率信号(ω

S04、最后，通过积分获取实际相位信号(θ)以实现虚拟阻抗和坐标变换功能。

本实施例中，无功-电压控制环节的运行步骤如下：

S11、通过参考无功信号(Q

S12、通过无功差值信号(Q

S13、通过电压偏差信号与参考电压信号(V

S14、通过该电压参考信号可以实现逆变器电压信号的准确控制。

本实施例中，耦合补偿环节主要是通过电压偏差信号和角频率偏差信号分别补偿有功-频率控制环节和无功-电压控制环节来实现下垂控制的三维化控制，从而有效实现解耦。相比传统下垂控制方法，本发明的下垂控制方法具有耦合补偿功能，且控制是三维的；结合耦合补偿和惯性补偿，可以大大减小电网和逆变器功率调节曲线的相位差。

另外一方面，本发明的储能逆变单元采用结合变开关频率和变开关模式的EMI抑制策略，通过优化设计复合器件的驱动模式，在不增加功率损耗的前提下，有效抑制EMI噪声。

具体地，在采用固定开关频率时，由于SiC MOSFET固有的高dv/dt使得系统产生较严重的EMI噪声。为有效解决该问题，本发明根据不同器件的开关损耗和开关速度特性，合理选择当前开关频率和电流幅值下的最优驱动模式，以提出变驱动模式策略，从而对系统的EMI特性进行优化。

如图4所示，本发明考虑的变驱动模式有以下两种，具体为：

驱动模式一：在负载电流较大(如大于第一预设值)的情况下，采用SiC MOSFET相对于Si IGBT来说先开后关的驱动模式以防止系统的开关损耗过多增加。

驱动模式二：在负载电流较小(如小于第二预设值)的情况下，采用SiC MOSFET先开且Si IGBT后关的驱动模式以降低EMI噪声。其中第一预设值大于第二预设值，而且第一预设值与第二预设值可根据现场实际情况进行选择确认。

进一步地，对于传统的固定开关频率策略而言，EMI噪声的频谱只集中在开关频率的整数倍附近，具有峰值极高和分布不均的特点，如图5所示。为此，可以通过改变开关频率的方式将这些峰值极高的能量有分散于各个频率中，从而降低各个频率下的EMI峰值，满足EMI的标准。

变开关频率策略的基本原理如图6所示。在保持三相电流纹波不超过限定值的情况下，适当降低器件的开关频率，从而分散相对集中的EMI能量频谱，降低EMI峰值。

因三相电流对称，仅以某一项电流纹波仿真结果进行说明，其峰值曲线如图7所示，一个电流周期内只有少数时间段电流纹波达到最大值，因此可以在满足纹波要求的同时适当降低器件开关频率。当三相占空比一定时，电流纹波峰值正比于开关周期，如式(3)。因此可以由固定开关频率时的电流纹波峰值推导出每个时刻将电流纹波峰值钳位到最大值时的开关周期：

式中，T

根据三相逆变器输出电流质量中电流纹波最大值的要求，选定电流纹波限定值I

本发明将Si/SiC混合器件应用于光-储分布式系统(或称微电网)中，引入耦合补偿环节的新型下垂控制技术在继承传统下垂控制技术的优点的基础上，进一步对系统的功率分配及其动态响应进行了优化和改善，这对于无互连线的逆变单元的控制而言，具有较高的应用价值和应用前景。

其次，变驱动模式策略以及变开关频率策略的应用，在不增加系统额外功率损耗的前提下，有效降低了Si/SiC混合器件对该系统带来的负面影响，同时也能有效的抑制光-储分布式系统的EMI噪声，提升该系统的电磁兼容性能。

因此，新型下垂控制策略、变驱动模式策略以及变开关频率策略的采用有利于逆变器在有限的条件下发挥出更优越的性能，对于未来逆变器效率以及电磁兼容性能的优化和提升具有指导意义。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。