大功率可再生能源回馈并网装置_0

2019-06-07 14:06

1 引言

  在交-直-交控制系统和风能、太阳能等可再生能源控制系统中,可再生能源的处理,一般有超级电容贮能、电磁轴承飞轮贮能、纯电阻消耗及回馈并网等方法。针对大功率再生能源系统来讲,超级电容贮能具有投入成本大、维护费用高等缺点;电磁轴承飞轮贮能目前仍在实验室阶段,可能存在一定技术难题;纯电阻能耗制动结构简单,运行可靠,操作方便,但发出的能量全部转化为电阻的热能消耗掉,所以效率非常低,在绝大多数可再生能源控制系统中是不适合应用的;而可再生能源回馈并网系统既可以解决效率低的问题,又可以减少投入成本,提高运行效率,属于当今世界的一种绿色电力电子变换技术。国内许多高校和研究所都把此当作研究热点,从查阅近几年信息来看,其实在运行实际产品不多,大多数只谈到实验样机,且样机中几个关键参数与实际产品有较大差距。针对此问题,山东新风光电子科技发展有限公司投入大量人力、物力,用几年的时间研发出兆瓦级的大功率可再生能源回馈并网装置。

2 系统控制原理

  大电流再生能源回馈装置的单个单元主电路如图1所示。主电路拓扑采用。

  三电平电路,每一相桥臂4个开关元件有三种正常的开关模式。以a相为例:ug1和ug2导通时,a相输出+u0/2;ug2和ug3导通时,a相输出零电平;ug3和ug4导通时,a相输出-u0/2。如果用sa、sb、sc分别表示各桥臂的开关状态,每一桥臂都有三种开关状态,如表1所示,表1中的1为导通。

  表1 单元a相开关状态

  当装置功率大时,需要这样几个主电路并联,并联时需考虑均流与环流及其相位问题,同时采用二极管嵌位的三电平电路需考虑直流端电容中点电位不平衡问题,在软件pwm波生成电路中尤其要注重此点。

  图2是大功率再生能源回馈装置的控制方框图。整个装置的控制系统是电压外环与电流内环的双闭环控制控。在图2中,1-系统母线给定值,2-电压调节器,3-电流调节器,4-pwm信号生成部分,5-主功率器件电路,6-均流与环流抑制电路,7-交流电网,8-相电流检测电路,9-相电压检测、同步信号生成及母线电压采集电路。首先装置的控制系统实时检测系统母线,当高于某一设定值时,系统投入工作,母线检测值与母线设定值之差输入电压调节器,经过一定控制运算,完成电压外环的控制功能,电压调节器的输出便是电压外环的输出信号,同时也是电流内环的给定信号,其值与系统检测到的实时电流值之差,再经过电流调节器的控制运算,完成电流内环的控制功能。此方块的输出直接送给pwm信号生成部分,其生成的pwm波送给主功率器件电路,最后多个主功率器件单元电路并联,经过均流与环流抑制电路直接连到交流电网上。整个大电流再生能源回馈装置控制系统就是这样一种电压外环与电流内环相互作用的双闭环控制系统。

3 系统技术特点

  大功率可再生能源回馈并网装置实现了网侧电流正弦化,且能运行于单位功率因数,呈现出电流源特性,因而真正实现了电力电子的绿色电能变换技术,控制系统技术特点简述如下:

  (1)控制系统是电压外环和电流内环的双闭环控制系统。电压外环是母线电压检测值与设定值,以及网侧相电压的同步信号生成电路相互作用,经过电压调节器输出的电流内环的给定值。电流内环是整个控制系统的核心,其实,整个控制系统从核心上说就是网侧电流的控制,也就是电流内环的控制。

  (2)控制系统网侧呈电流源特性,容易做成多单元并联装置,易于可再生能源回馈并网装置大功率化,而大功率化需要解决许多实际问题。

  (3)网侧功率因数可调,可再生能源回馈并网装置可以做到负功率因数运行。

  (4)网侧电流波形正弦化,电流总谐波(thd)远小于5%。

  (5)主电路采用三电平电路,从电路拓扑上看,有利于减小网侧电流谐波且输入输出电压范围广。

  (6)控制系统采用数字化控制,运用了现代控制理论与现代电力电子技术相结合,使装置易于控制,容易掌握。

  (7)具有直流接反、过流、短路、温度以及网侧电压异常等保护功能。

  (8)具有动态响应快,能在短时间内输出大电流,整体效率高等优点。

4 实验结果分析

  我公司研发的大功率可再生能源回馈并网装置经铁道部产品质量监督检验中心检验证明:具有输出功率大、网侧电流波形好、整机效率高等特点。表2是功率因数、直流侧输入电压、网侧交流电流及整体效率的简表。

  表2 电压、电流、效率、功率因数表

  从表2中可以看出,随网侧电流的增大,其功率因数越来越接近于1,也就是说其网侧电流的总谐波(thd)越来越小,其整体效率有减少的趋势。这也符合现代电力电子器件的特性,电流增大,器件的损耗增加,整体效率也就减少了。

  表3 各相电流谐波

  表3是接表2的网侧各相电流的谐波含量表。

  从表3中可以看出,随着大功率可再生能源回馈并网装置网侧输出电流的增大,其网侧电流谐波是越来越小的,在输出网侧电流265.4a以上时,其各相电流总谐波(thd)远小于5%,同时表3内容趋势也是与表2相符的。

5 结束语

  山东新风光电子科技发展有限公司研发的大功率可再生能源回馈并网装置是一种绿色电力电子变换控制系统,是电压外环和电流内环相互作用的双闭环控制系统,其网侧功率因数高,波形正弦化,呈现电流源特性,容易做成多单元并联等特点,适于在城市轨道交通、静止无功补偿器、有源电力滤波器、统一潮流控制器、超导储能、高压直流输电以及电气传动、太阳能、风能等可再生能源的并网发电等领域中应用。可以预言,在当今能源危机的时代中,此项技术将越来越被同行业人士重视起来。

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