CN115800380B - 一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气控制领域，提供了一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，包括根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位；获取所述并网变流器内部的电网电压基波相位，达到一定条件时向并网变流器发送触发信号，接收触发信号后，将触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测，通过对信号进行转化为载波比，计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI控制器，输出最终的载波。

Description

一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法及系统

技术领域

本发明属于电气控制技术领域，具体涉及一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，新能源装机容量快速增长，突显了新能源发电的重要地位。并网逆变器是新能源发电系统与电网连接的重要灵活可控装备，其输出电能质量、运行可靠性是逆变器厂家和新能源用户共同关注的关键指标。调控脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)的相位、频率是决定电能质量、可靠性的关键参数。

受自然资源分布分散的制约，并网变流器的容量相对较小，在新能源场站内部多以大规模、高密度的形式接入电网，具有天然的集群并网特征，例如典型的10MW光伏电站内大约有100至200台组串式光伏并网逆变器并联运行。研究表明，通过引入并网变流器PWM相位、频率协同，可在消除主要谐波的同时提升运行可靠性，优势明显。

然而，并网变流器中的PWM由其控制独立生成，多台变流器的PWM相位会随时间变化，无法固定。考虑到PWM频率也需要动态调节，如何兼顾PWM相位协同和PWM频率协同极具挑战。

在电网中，多个分布式并网逆变器一般以并联的形式接入电网，其结构如图1所示。多个并网逆变器接入公共并网点(PCC)，逆变器的总数定义为N，逆变器编号定义为M(M＝1,…,N)，逆变器M的输出电流表示为iM，其总谐波失真表示为THDM，总并网电流表示为isum，总谐波失真表示为THDsum。通常，iM中含有大量的高次谐波，这些高次谐波会在PCC处随机叠加，最终导致isum的谐波含量在最小值和最大值之间变化。

中国发明专利，专利号为：ZL201410073512.0，专利名称为《分布式并网逆变系统全局同步脉宽调制系统及方法》，公开了一种分布式并网逆变系统全局同步脉宽调制系统，确定了全局脉宽调制系统的基本结构，包括主控单元(全局同步单元)和位于不同地理位置的若干个并网逆变器，每个所述并网逆变器均与分布式电源连接，每个并网逆变器均通过公共并网点与电网连接，所述主控单元与所有的并网逆变器通信。如图1所示，所述主控单元接收各个并网逆变器的信息，确定全局同步策略后，将包含全局同步策略的全局同步信号分别发送给各个并网逆变器，各个并网逆变器利用全局同步信号调整自己的脉宽调制波相位，以达到各个并网逆变器脉宽调制波之间能够满足谐波抵消的相位差，从而抵消各个并网逆变器注入电网的谐波电流。但该方法需要依赖低延迟通讯通道，适用范围受限，且仅能协同PWM相位的主要缺陷是，当通讯系统出现短时间故障或长时间故障时，全局同步脉宽调制方法无法正常工作，全局同步脉宽调制系统的可靠性无法得到保障。且通讯系统的加入会增加系统的成本。

中国发明专利，ZL201510376893.4《分布式并网逆变系统全局同步脉宽相位、频率动态调整方法》在上述专利基础上，公开了一种分布式并网逆变系统全局同步脉宽相位、频率动态调整方法，逆变器正常运行过程中，在满足并网电流谐波要求的前提下降低每个逆变器开关频率，能够提高整个系统的运行效率。该方法虽能协同PWM相位、频率，但仍需依赖低延迟通讯通道。

中国发明专利，申请号为：ZL201811033134.8，专利名称为《基于锁相环的无通讯全局调制信号同步控制方法及系统》，提出了一种基于锁相环的无通讯全局同步脉冲宽度调制系统及方法。逆变器利用现有锁相环输出的电网电压相位，经过相位补偿模块、低通滤波模块、动态相位矫正模块，生成稳态误差较小的基波电压相位。基波电压相位经过相位倍增模块、相角偏移模块生成载波基准相位。载波基准相位经过载波相位闭环追踪模块产生逆变器运行所需的三角载波信号。该系统及方法无需通讯信号，能够有效实现多个逆变器间调制信号的同步。然而，该方法无法动态调节PWM频率。

综上所述，发明人发现，现有技术中缺少既不依赖低延迟通讯通道又能够实现高精度PWM相位、频率协同的系统及方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法及系统，本发明可在不依赖低延迟通讯通道的前提下实现高精度PWM相位、频率协同，为并网变流器输出电能质量改善、运行可靠性提升奠定实现基础。

根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，采用如下技术方案：

一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，包括：

根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位；

获取所述并网变流器内部的电网电压基波相位，达到一定条件时向并网变流器发送触发信号，接收触发信号后，将触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测，通过对信号进行转化为载波比，计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，输出最终的载波。

根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种并网变流脉宽调制相位及频率协同系统，采用如下技术方案：

中央计算单元，用于根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位；

本地载波生成单元，包括触发保持模块、载波参考相位生成模块、载波生成模块，用于获取所述并网变流器内部的电网电压基波相位，达到一定条件时向并网变流器发送触发信号，接收触发信号后，将触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测，通过对信号进行转化为载波比，计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，输出最终的载波。

根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法中的步骤。

根据一些实施例，本发明的第四方案提供了一种计算机设备。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明能够在不依赖低延迟通讯通道的条件下实现并网变流器PWM相位、频率的协同调节。

(2)本发明能在保证PWM相位协同的前提下将PWM频率调节分辨率从50Hz或60Hz提升到1Hz。

(3)本发明能保证各台并网变流器的PWM相位、频率同步更新，避免切换过程出现的谐波越线等。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的并网变流脉宽调制相位、频率高精度协同系统整体图；

图2是本发明的本地载波生成单元内部框图；

图3是本发明的信息发送时序图；

图4是本发明的提高载波比等效分辨率示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法方法，该方法包括以下步骤：

根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位；

获取所述并网变流器内部的电网电压基波相位，达到一定条件时向并网变流器发送触发信号，接收触发信号后，将触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测，通过对信号进行转化为载波比，计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，输出最终的载波。

作为一种实施例，一种并网变流脉宽调制相位、频率高精度协同方法主要实施流程包含如下步骤：

(1-1)根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位包括：中央计算单元按照并网变流器序号依次发送频率和相位：f_1,cΦ_1,PWMb、f_2,cΦ_2,PWMb、……、f_N,cΦ_N,PWMb，并网变流器接收并识别其所对应的频率和相位。

(1-2)步骤(1-1)结束后，获取所述并网变流器内部的电网电压基波相位，达到一定条件时向并网变流器发送触发信号包括中央计算单元(CCU)接收其所在并网变流器内部的电网电压基波相位，在电网电压基波相位为0度至30度范围内发送触发信号，并网变流器接收并识别触发信号。

步骤(1-1)(1-2)所述的发送时序如图3所示。

(2-1)在接收到触发脉冲后的第一个过零点时刻触发零阶保持器，所述零阶保持器将接收到的频率、相位进行转化，转化后的信号在各个并网变流器的同一时刻进行更新。

具体的，本地载波生成单元(LCG)中的触发保持模块(TH)接收f_m,c、Φ_m,PWMb、触发信号。触发信号和电网电压基波相位θ_m,g共同输入过零点检测。在接收到触发脉冲后的第一个θ_m,g过零点时刻触发零阶保持器(Zero Order Hold，ZOH)。零阶保持器(ZOH)将接收到的f_m,c、Φ_m,PWMb转化成f'_m,c、Φ'_m,PWMb。此时，各并网变流器中的f'_m,c、Φ'_m,PWMb可在同一时刻更新。

(2-2)计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，输出最终的载波包括将计算的载波参考相位输入载波生成模块，将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，然后获得实时设定频率值。

具体的，将f'_m,c转化为载波比：

其中，f_m,g,rated是电网电压额定基波频率，其额定值50Hz或60Hz。f'_m,c的分辨率为1Hz，为了保证PWM相位始终保持在同步运行状态，每个基波周期内的载波数应为整数，因此在x个基波周期内将载波比设定为r_m,c，，在y个基波周期内将载波比设定为r_m,c+1。此时，载波比为：

因此，输出的载波比R'_m,c符合如下规律：x个基波周期为r_m,c，y个基波周期为r_m,c+1，如图4所示。

当f_m,g,rated为50Hz时，x、y、r_m,c的求解公式为：

y＝50-x

其中，表示向下取整数，round()表示四舍五入取整数。

当f_m,g,rated为60Hz时，x、y、r_m,c的求解公式为：

y＝60-x

(2-3)基于R'_m,c、θ_m,g、Φ'_m,PWMb计算载波参考相位θ'_m,PWM：

θ_m′_,PWM＝R′_m,cθ_m,g+Φ′_m,PWMb (5)

(2-4)将θ'_m,PWM输入载波生成模块(CG)，θ'_m,PWM与载波实际相位θ_m,PWM作差并输入抗饱和PI调节器。

(2-5)抗饱和PI调节器的输出与f'_m,c求和获得实时设定频率值f_m,c(k)。利用f_m,c(k)与控制内部时钟频率f_{m,DSP_r}获得控制器中的载波峰值f_{m,DSP_r}/2f_m,c(k)，最终利用控制器中的载波生成功能获得载波Car_m。

实施例二

本实施例提供了一种并网变流脉宽调制相位及频率协同系统，包括：

中央计算单元(Central Calculation Unit，CCU)和本地载波生成单元(LocalCarrier Generator，LCG)，整体结构如图1所示。

所述中央计算单元(CCU)根据谐波消除需求等计算出各台并网变流器的脉宽调制频率f_m,c和相位Φ_m,PWMb，其中m表示并网变流器编号，其范围为1至N，N为并网变流器数量。频率f_m,c和相位Φ_m,PWMb的具体计算方法为业内公知。中央计算单元(CCU)的功能可转化成程序嵌入一台并网变流器的控制器中。

所述本地载波生成单元(LCG)包含触发保持模块(Trigger and Hold，TH)、载波参考相位生成模块(Carrier Reference Generator，CRG)、载波生成模块(CarrierGenerator，CG)，其整体结构如图2所示。本地载波生成单元(LCG)的功能转化为诚如嵌入到所有并网变流器的控制器中。

具体的，中央计算单元，用于根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位；

本地载波生成单元，包括触发保持模块、载波参考相位生成模块、载波生成模块，用于获取所述并网变流器内部的电网电压基波相位，达到一定条件时向并网变流器发送触发信号，接收触发信号后，将触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测，通过对信号进行转化为载波比，计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，输出最终的载波。

上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。

所提出的系统，可以通过其他的方式实现。例如以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时，可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法中的步骤。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，其特征在于，包括：

根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位；

获取所述并网变流器内部的电网电压基波相位，达到一定条件时向并网变流器发送触发信号，接收触发信号后，将触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测，通过对频率信号进行转化为载波比，具体为：本地载波生成单元中的触发保持模块接收f_m,c、Φ_m,PWMb、触发信号；触发信号和电网电压基波相位θ_m,g共同输入过零点检测；在接收到触发脉冲后的第一个θ_m,g过零点时刻触发零阶保持器；零阶保持器将接收到的f_m,c、Φ_m,PWMb转化成f'_m,c、Φ'_m,PWMb；计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，输出最终的载波，具体为，抗饱和PI调节器的输出与f'_m,c求和获得实时设定频率值f_m,c(k)；利用f_m,c(k)与控制内部时钟频率f_{m,DSP_r}获得控制器中的载波峰值f_{m,DSP_r}/2f_m,c(k)，最终利用控制器中的载波生成功能获得载波Car_m；

所述载波比为：

其中：

y＝f_m,g,rated-x

其中，表示向下取整数，round()表示四舍五入取整数；f_m,g,rated是电网电压额定基波频率，f'_m,c的分辨率为1Hz，为了保证PWM相位始终保持在同步运行状态，每个基波周期内的载波数为整数，因此在x个基波周期内将载波比设定为r_m,c，在y个基波周期内将载波比设定为r_m,c+1；

所述一定条件，具体为：中央计算单元接收其所在并网变流器内部的电网电压基波相位，在电网电压基波相位为0度至30度范围内发送触发信号，并网变流器接收并识别触发信号。

2.如权利要求1所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，其特征在于，所述根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位包括：中央计算单元按照并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别其所对应的频率和相位。

3.如权利要求1所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，其特征在于，所述接收触发信号后，将触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测包括本地载波生成单元中的触发保持模块接收频率、相位以及触发信号，所述触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测。

4.如权利要求3所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，其特征在于，在接收到触发脉冲后的第一个过零点时刻触发零阶保持器，所述零阶保持器将接收到的频率、相位进行转化，转化后的信号在各个并网变流器的同一时刻进行更新。

5.如权利要求1所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，其特征在于，计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，输出最终的载波包括将计算的载波参考相位输入载波生成模块，将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，然后获得实时设定频率值。

6.如权利要求5所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，其特征在于，利用所述实时设定频率值与控制内部时钟频率获得抗饱和PI调节器中的载波峰值，最终利用载波生成模块获得载波。

7.一种并网变流脉宽调制相位及频率协同系统，基于权利要求1-6任一项所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法，其特征在于，包括：

中央计算单元，用于根据并网变流器序号依次发送频率和相位，所述并网变流器接收并识别所对应的频率和相位；

本地载波生成单元，包括触发保持模块、载波参考相位生成模块、载波生成模块，用于获取所述并网变流器内部的电网电压基波相位，达到一定条件时向并网变流器发送触发信号，接收触发信号后，将触发信号和电网电压基波相位共同输入过零点检测，通过对信号进行转化为载波比，计算载波参考相位，并将载波参考相位与载波实际相位作差输入至抗饱和PI调节器，输出最终的载波。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法中的步骤。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种并网变流脉宽调制相位及频率协同方法中的步骤。