逆變器的消諧控制技術
光伏逆變器是光伏系統(tǒng)非常重要的一個設備,主要作用是把光伏組件發(fā)出來的直流電變成交流電,除此之外,逆變器還承擔檢測組件、電網(wǎng)、電纜運行狀態(tài),和外界通信交流,系統(tǒng)安全管家等重要功能。在光伏行業(yè)標準NB32004-2013中,逆變器有100多個嚴格的技術參數(shù),每一個參數(shù)合格才能拿到證書。國家質(zhì)檢總局每一年也會抽查,對光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的保護連接、接觸電流、固體絕緣的工頻耐受電壓、額定輸入輸出、轉(zhuǎn)換效率、諧波和波形畸變、功率因數(shù)、交流輸出側過/欠壓保護等9個項目進行了檢驗。一款全新的逆變器,從開發(fā)到量產(chǎn),要兩年多時間才能出來,除了過欠電壓保護等功能外,逆變器還有很多鮮為人知的黑科技,如漏電流控制、散熱設計、電磁兼容、諧波抑制,效率控制等等,需要投入大量的人力和物力去研發(fā)和測試。諧波不但沒有用途,還有十分嚴重的危害。由于大部分設備都是包括電動機在內(nèi)的感性設備,只能吸收基波,高次的諧波會轉(zhuǎn)化為熱量或者振動,造成電氣設備過熱、并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀;在電力傳送過程中,諧波由于頻率高,產(chǎn)生的阻抗大,因此會多消耗電能,造成電能生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低;諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振,使諧波含量放大,造成電容器等設備燒毀,或者某些頻段的設備不能正常工作;諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作,使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部,諧波對通信設備和電子設備會產(chǎn)生嚴重干擾。逆變器通過改變壓縮機的速度以響應冷卻需求,使裝置能夠連續(xù)調(diào)節(jié)其冷卻和加熱能力。由于壓縮機的速度不能改變,傳統(tǒng)的空調(diào)要么以最大能力工作,要么關閉。變頻空調(diào)使用變頻驅(qū)動器來控制電機的速度,從而控制壓縮機的速度。消除停止-啟動循環(huán)可提高效率,延長組件的使用壽命,并有助于消除空調(diào)對電源施加的負載的急劇波動。直流逆變器:與交流定速壓縮機相比,數(shù)字技術為直流變頻壓縮機提供了卓越的控制和成本效率。對臭氧無害的壓縮機的超精確旋轉(zhuǎn)可節(jié)省高達 20% 的電力,并且運行更安靜。
直流混合逆變器,高節(jié)能控制,高功率因數(shù)控制,直流電機,直流雙轉(zhuǎn)子壓縮機,節(jié)能,雙回轉(zhuǎn)氣缸,低噪音和低振動,節(jié)能(低轉(zhuǎn)速:小于 30 rps),高可靠性(軸負載低),適用于R-410A。提高開關頻率:逆變器的開關頻率越高,控制帶寬越寬,對于寬范圍的電流諧波抑制更充分,為保證穩(wěn)定性,逆變器的控制帶寬通常取開關頻率的1/10左右。逆變器控制算法中輸出電壓為正弦波,當經(jīng)過逆變器調(diào)制輸出PWM波有畸變時,將影響逆變器的輸出諧波與控制效果。提高開關頻率與輸出PWM電平數(shù)有助于降低PWM波形的畸變率。并機諧波抵消能力:1個方陣多臺組串式逆變器距離升壓變壓器距離不一樣,線路阻抗會有差異。線路阻抗會等效改變并網(wǎng)LCL濾波器中的電感,不同的濾波器參數(shù)會改變諧波的相位。當多臺組串式逆變器并聯(lián)工作時,諧波成分將會由于相位的差異而部分相互低消,降低系統(tǒng)整體的諧波值。消除諧波的軟件控制技術:由于逆變器采用高速度的數(shù)字處理器,可以采用很復雜的算法,如重復控制的電流控制器算法,原理是任何周期性的信號都可以分解為直流、基波以及各次諧波之和,因此只要在控制系統(tǒng)的前向通道中在這些頻率處加入無窮大的增益,就可以實現(xiàn)對這些頻率處指令的無靜差跟蹤和擾動抑制。對逆變電源的開關管進行高頻PWM調(diào)制,使逆變器輸出為高頻等幅的PWM波,通過改變逆變電源主電路拓撲結構,在主電路上進行波形重構以實現(xiàn)階梯波形輸出,減小低階高次諧波含量。對于高頻PWM調(diào)制來說,開關頻率越高,諧波含量越小,但開關損耗也越大,故不宜用在大功率逆變電源中。而波形重構方式往往需要多個逆變器來實現(xiàn)電壓的疊加。波形重構的級數(shù)越多,出現(xiàn)的最低諧波次數(shù)越高,但主電路和控制電路也越復雜,相應地控制難度也越大,輸出電壓的調(diào)節(jié)也不甚方便,因此這種方式通常只在大功率逆變電源中采用。理論分析表明,早在1973年提出的消諧控制策略[1][2]能有效地克服上述問題,它只需要較少的開關脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波,取得很好的濾波效果,具有開關頻率低、開關損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優(yōu)點,是實現(xiàn)逆變電源PWM控制的理想方法。然而該方法經(jīng)過近二十年的研究至今仍未實際應用,其主要原因是消諧模型的求解復雜,在消諧方法的研究上,迄今為止還是停留在模型的算法研究上,而對消諧模型的具體實現(xiàn)方法很少開展研究工作。由于人們受到陳舊觀念的束縛,在實現(xiàn)方法上,理所當然地認為逆變電源的控制系統(tǒng)應由MCU或單片機來實現(xiàn),因而研究的主要焦點是如何在單片機上完成模型求解的實時計算,由于消諧模型求解過程的復雜性,這種設想是很難實現(xiàn)的,這也是消諧方法至今未能實用的主要原因。為了能夠?qū)崿F(xiàn)消諧模型的實時計算,無論算法如何改進,如不從根本上另尋算法的實現(xiàn)方法,即使采用DSP芯片進行計算,也是難以實現(xiàn)實時控制的。