一种并网变换器及其工作方法与流程

1.本发明涉及电能质量技术领域，特别是涉及一种并网变换器及其工作方法。


背景技术：

2.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。
3.以新能源为主体的新型电力系统有大量新能源接入时，如不经有效治理将出现谐波污染、电压波动等电能质量问题。不论是分布式光伏还是电动汽车与电网互动技术(vehicle-to-grid，v2g)都会需经电力电子变换器(常用spwm或svpwm等控制策略)完成交直转换才能接入电网，特别像风能、潮汐能等间歇性新能源具有较大的波动性，经过变换器进行电能变换时，如不加以抑制，其产生的电压畸变和电流谐波等电能质量问题，将直接影响用户使用。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种并网变换器及其工作方法，在控制环节对接入电源的电压信号进行过零检测和锁相环锁相，经与标准函数和载波信号的比较后，得到控制脉冲信号，以控制可控桥式变换电路中开关管的动作，避免电源侧电压波动或畸变带来影响。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种并网变换器，包括：可控桥式变换电路、过零检测锁相电路、正弦指令产生电路和控制脉冲生成电路；
7.所述过零检测锁相电路用于对接入电源的电压信号进行过零检测和锁相环锁相，得到与接入电源频率相位一致的电流信号；
8.所述正弦指令产生电路用于根据过零检测锁相电路得到的电流信号与接入电源的电流信号，得到标准正弦控制指令；
9.所述控制脉冲生成电路用于对标准正弦控制指令经比例积分调节后，根据预设载波信号得到控制脉冲信号，以根据控制脉冲信号控制可控桥式变换电路中开关管的动作。
10.作为可选择的实施方式，所述过零检测锁相电路包括过零检测电路和锁相电路，所述过零检测电路根据接入电源的电压信号得到与接入电源的电压信号同频率的电压过零点信号，所述锁相电路根据电压过零点信号得到与接入电源频率相位一致的电流信号。
11.作为可选择的实施方式，所述锁相电路包括鉴相器锁相倍频电路，所述鉴相器锁相倍频电路包括鉴相器和计数器，接收电压过零点信号后，将鉴相器的压控振荡器输出端经计数器同倍的分频后，再与原电压信号比较，得到与接入电源频率相位一致的电流信号。
12.作为可选择的实施方式，所述锁相电路还包括低通滤波电路、电压放大电路和函数发生电路，以分别对电流信号进行过滤、放大和稳定。
13.作为可选择的实施方式，在所述正弦指令产生电路中，输出电压指令和实际输出
电压的差值经比例积分调节后与过零检测锁相电路得的电流信号相乘，再将相乘的结果与接入电源的电流信号相减，得到标准正弦控制指令。
14.作为可选择的实施方式，在所述正弦指令产生电路中，所需的信号幅值大小与接入电源的电压信号波形幅值无关。
15.作为可选择的实施方式，在所述控制脉冲生成电路中，预设载波信号为两个相位相差180
°
的三角载波信号，对标准正弦控制指令经比例积分调节后，与两个三角载波信号进行比较，得到pwm脉冲信号，对pwm脉冲信号进行移相变换，作用于可控桥式变换电路。
16.作为可选择的实施方式，所述可控桥式变换电路根据接入电源的不同，分为单相桥式或三相桥式。
17.作为可选择的实施方式，所述可控桥式变换电路通过电感与接入电源交流侧连接，在直流输出侧并联电容；所述过零检测锁相电路和所述正弦指令产生电路与接入电源侧连接，用于获取接入电源的电压和电流。
18.第二方面，本发明提供一种并网变换器的工作方法，包括：
19.对接入电源的电压信号进行过零检测和锁相环锁相，得到与接入电源频率相位一致的电流信号；
20.根据得到的电流信号与接入电源的电流信号，得到标准正弦控制指令；
21.对标准正弦控制指令经比例积分调节后，根据预设载波信号得到控制脉冲信号；
22.根据控制脉冲信号控制可控桥式变换电路中开关管的动作。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.本发明提供了一种提升电能质量的并网变换器及其使用方法，通过在控制环节对接入电源的电压信号进行过零检测和锁相环锁相，经标准函数和载波信号比较后，得到控制脉冲信号，以控制可控桥式变换电路中开关管的动作，避免电源侧电压波动或畸变带来影响。
25.本发明提供的一种提升电能质量的并网变换器及其使用方法，适用于风能、潮汐能等波动性较大的新能源接入供电的场合，当接入电源为波动性较大的新能源时，可有效降低波动性新能源侧的电压畸变或幅值波动的影响，减轻对变换器器件的影响，通过变换器变换后供给用户能抑制波动和畸变，减轻畸变对用户用电设备带来的影响，提升电网供电电能质量。
26.本发明提供的提升电能质量的并网变换器及其使用方法，在接入同一电力系统的多个用户中，可降低用户间的相互干扰，提升电网供电电能质量。
27.接入电源电压无论有无波动或畸变，与常规的控制方法相比，本发明提供的提升电能质量的并网变换器及其使用方法，在设备初始阶段，电压达到稳定的时间变短，即设备响应时间有较大提高。
28.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
29.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。
30.图1为本发明实施例1提供的并网变换器整体结构示意图；
31.图2为本发明实施例1提供的过零检测锁相电路图；
32.图3为本发明实施例1提供的接入电压畸变时电流畸变比较图；
33.图4(a)-4(b)为本发明实施例1提供的接入电压波动时输出电压响应与波动比较图；
34.其中，1、可控桥式变换电路，2、过零检测锁相电路，3、正弦指令产生电路，4、控制脉冲生成电路，5、过零检测电路，6、鉴相器锁相倍频电路，7、低通滤波电路，8、电压放大电路，9、函数发生电路。
具体实施方式：
35.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
36.应该指出，以下详细说明都是示例性的，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。
37.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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.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。
39.实施例1
40.如图1所示，本实施例提供一种提升电能质量的并网变换器，在控制环节中通过对接入电压进行过零检测和锁相环锁相，构造标准正弦指令信号，生成相应的控制脉冲信号，具体包括：可控桥式变换电路1、过零检测锁相电路2、正弦指令产生电路3和控制脉冲生成电路4；
41.在本实施例中，所述可控桥式变换电路可1接入具有较大波动的新能源，根据电源场合不同，分为单相桥式或三相桥式。
42.在本实施例中，所述可控桥式变换电路1与交流电源之间连接有电感，直流输出侧并联有电容；所述过零检测锁相电路2和所述正弦指令产生电路3与电源侧连接，用于获取电源电压和电源电流。
43.在本实施例中，所述过零检测锁相电路2用于对获取的电源电压进行过零检测和锁相环锁相。
44.在本实施例中，所述正弦指令产生电路3接收过零检测锁相电路2生成的电流信号及电源侧电流信号，将过零检测锁相电路2生成的电流信号与电源侧电流信号进行比较，产生相应的控制指令，以控制电源侧电流相位。
45.作为可选择的实施方式，在所述正弦指令产生电路3中，输出电压指令和实际输出电压的差值经比例积分调节后与过零检测锁相电路2的输出电流信号相乘，再与采集到的电源侧电流信号相减，产生相应的控制指令。
46.作为可选择的实施方式，所述正弦指令产生电路3所需的信号幅值大小与电源电压的波形幅值无关。
47.在本实施例中，所述控制脉冲生成电路4接收正弦指令产生电路3的控制指令，通过比例积分调节器后，与载波信号进行比较，生成pwm控制脉冲，再将pwm脉冲进行移相变换等，作用于可控桥式变换电路1的开关器件，控制可控桥式变换电路1中的开关管动作；
48.作为可选择的实施方式，所述控制脉冲生成电路4对正弦指令产生电路3的输出信号经比例积分调节后，与两个相位相差180
°
的三角载波信号相比较，生成pwm脉冲。
49.在本实施例中，如图2所示，所述过零检测锁相电路2包括过零检测电路5和锁相电路；所述锁相电路包括鉴相器锁相倍频电路6、低通滤波电路7、电压放大电路8和函数发生电路9；
50.所述过零检测电路5根据采集到电源电压得到与电源电压同频率的电压过零点信号，并将其输入至鉴相器锁相倍频电路6，通过鉴相器锁相倍频电路6得到与接入电源频率、相位一致的电流信号，所述鉴相器锁相倍频电路6的输出端依次连接低通滤波电路7、电压放大电路8和函数发生电路9，以对电流信号进行过滤、放大和稳定。
51.在本实施例中，所述过零检测电路5采用低功耗、低失调的电压比较器lm339，为提高lm339过零检测器精度，输入信号接比较器负输入端，输出端接pnp高频三极管，此电路可消除lm339转换速率带来的影响。
52.本实施例中的鉴相器采用cd4046的ⅰ号相位比较器，过零检测电路5的输出信号接cd4046的14管脚，由于鉴相器输入的信号基波频率并非为恒定值，如仍采用50hz频率采样，可能会产生频谱泄露；所以，本实施例由鉴相器和计数器搭建鉴相器锁相倍频电路6，鉴相器锁相倍频电路6的中心频率可通过设置电阻r5、电容c1的参数值来确定，本实施例将cd4046的压控振荡器输出端(4管脚)经计数器cd4040同倍的分频后再与原信号比较，当环路稳定时，cd4046可输出一个与接入电源频率、相位一致的信号。
53.所述鉴相器锁相倍频电路6输出的电流信号经低通滤波电路7后，可降低输出信号的噪声成份，低通滤波电路7的截止频率越高，滤波能力越低，但鉴相器达到锁相稳定的时间就越小，所以电阻r7、电容c3的大小需综合考虑后确定。
54.所述函数发生电路9为正弦信号发生电路，本实施例采用函数发生器icl8038，其工作电压vc＝15v，为获得稳定的频率，需为icl8038提供2/3vc-vc的控制电压，即为icl8038提供的控制电压应为10-15v，而鉴相器cd4046经低通滤波电路7输出的电压约为7.5v，所以需在函数发生电路9前连接电压放大电路8。
55.在本实施例中，为了减少输出正弦波的失真度，通过icl8038的第1管脚和第12管脚配置可调桥式电路来减轻失真，其中管脚2输出正弦波，管脚9输出方波，将管脚9通过上拉电阻与vc相连，同时在后连接运算放大器，使输出的方波电平控制在
±
15v，作为cd4046比较信号输入端(3管脚)的输入信号；
56.输出电压指令和实际输出电压的差值经pi调节后的信号，与icl8038生成的正弦波信号(2管脚)相乘，然后再与采集到的电源电流信号作比较，以控制电源侧电流相位，实现系统高功率因数运行；
57.将与电源电流作比较后的信号，通过pi调节器后，再与三角载波信号进行比较，生成pwm脉冲，将脉冲信号取反，与原信号组成四路pwm信号作用于四个桥臂。
58.在一个开关周期内，电源侧电流波动幅值与直流侧电压、电源侧电压和电感的关系式如式(1)所示：
[0059][0060]
在输出侧直流电压v
dc
要求一定的情况下，适当增加电感l的值或降低|v
dc-emsin(ωkts)|dkts的值有利于减小电源侧电流波动，但l值过大会影响电流跟随性，主要是在dkts周期内，保持v
dc
与e
m sin(ωkts)的跟随性。
[0061]
根据上述构建过程，本实施例进行了仿真验证，如图3为电源电压畸变的情况下，在0.8s时，采用本实施例方法的电流畸变比较图，可以看出与0.8s前未改进时相比，电流受电源电压畸变影响变小，基本达到标准化正弦运行，此种改善有效减少电压大幅波动增对变换器电力电子器件的冲击，降低了变换器元器件被烧坏的几率，增加变换器的使用寿命。
[0062]
在一个开关周期内，输出侧电压波动幅值大小为：
[0063][0064]
若r
l
c＞＞ts，由(2)式可化简为：
[0065][0066]
根据上述构建过程，进行了仿真验证，图4(a)-4(b)为电源电压存在波动的情况下，采用本实施例方法与传统方法相比输出电压响应及幅值波动比较图，可以看出采用本实施例的技术方案时输出电压达到稳定的时间缩小，即响应的快速性有很大提高，同时电源电压有上下波动时，输出电压受波动影响也较小。当接入的电源为风能、朝夕能等波动性较大的能源时，采用本实施例方法，即可降低电源侧电流畸变，又能降低输出侧电压波动，较大的提高了供电电能质量。
[0067]
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。

技术特征：
1.一种并网变换器，其特征在于，包括：可控桥式变换电路、过零检测锁相电路、正弦指令产生电路和控制脉冲生成电路；所述过零检测锁相电路用于对接入电源的电压信号进行过零检测和锁相环锁相，得到与接入电源频率相位一致的电流信号；所述正弦指令产生电路用于根据过零检测锁相电路得到的电流信号与接入电源的电流信号，得到标准正弦控制指令；所述控制脉冲生成电路用于对标准正弦控制指令经比例积分调节后，根据预设载波信号得到控制脉冲信号，以根据控制脉冲信号控制可控桥式变换电路中开关管的动作。2.如权利要求1所述的一种并网变换器，其特征在于，所述过零检测锁相电路包括过零检测电路和锁相电路，所述过零检测电路根据接入电源的电压信号得到与接入电源的电压信号同频率的电压过零点信号，所述锁相电路根据电压过零点信号得到与接入电源频率相位一致的电流信号。3.如权利要求2所述的一种并网变换器，其特征在于，所述锁相电路包括鉴相器锁相倍频电路，所述鉴相器锁相倍频电路包括鉴相器和计数器，接收电压过零点信号后，将鉴相器的压控振荡器输出端经计数器同倍的分频后，再与原电压信号比较，得到与接入电源频率相位一致的电流信号。4.如权利要求2所述的一种并网变换器，其特征在于，所述锁相电路还包括低通滤波电路、电压放大电路和函数发生电路，以分别对电流信号进行过滤、放大和稳定。5.如权利要求1所述的一种并网变换器，其特征在于，在所述正弦指令产生电路中，输出电压指令和实际输出电压的差值经比例积分调节后与过零检测锁相电路得的电流信号相乘，再将相乘的结果与接入电源的电流信号相减，得到标准正弦控制指令。6.如权利要求1所述的一种并网变换器，其特征在于，在所述正弦指令产生电路中，所需的信号幅值大小与接入电源的电压信号波形幅值无关。7.如权利要求1所述的一种并网变换器，其特征在于，在所述控制脉冲生成电路中，预设载波信号为两个相位相差180
°
的三角载波信号，对标准正弦控制指令经比例积分调节后，与两个三角载波信号进行比较，得到pwm脉冲信号，对pwm脉冲信号进行移相变换，作用于可控桥式变换电路。8.如权利要求1所述的一种并网变换器，其特征在于，所述可控桥式变换电路根据接入电源的不同，分为单相桥式或三相桥式。9.如权利要求1所述的一种并网变换器，其特征在于，所述可控桥式变换电路通过电感与接入电源交流侧连接，在直流输出侧并联电容；所述过零检测锁相电路和所述正弦指令产生电路与接入电源侧连接，用于获取接入电源的电压和电流。10.一种并网变换器的工作方法，其特征在于，包括：对接入电源的电压信号进行过零检测和锁相环锁相，得到与接入电源频率相位一致的电流信号；根据得到的电流信号与接入电源的电流信号，得到标准正弦控制指令；对标准正弦控制指令经比例积分调节后，根据预设载波信号得到控制脉冲信号；根据控制脉冲信号控制可控桥式变换电路中开关管的动作。

技术总结
本发明公开一种并网变换器及其工作方法，包括：可控桥式变换电路、过零检测锁相电路、正弦指令产生电路和控制脉冲生成电路；过零检测锁相电路对接入电源的电压进行过零检测和锁相环锁相，得到电流信号；正弦指令产生电路根据电流信号与接入电源的电流信号，得到标准正弦控制指令；控制脉冲生成电路对标准正弦控制指令经比例积分调节后，根据载波信号得到控制脉冲信号，以控制可控桥式变换电路中开关管的动作。在控制环节对接入电源的电压信号进行过零检测和锁相环锁相，经与标准函数和载波信号的比较后，得到控制脉冲信号，以控制可控桥式变换电路中开关管的动作，避免电源侧电压波动或畸变带来影响。或畸变带来影响。或畸变带来影响。


技术研发人员：李付存 张岩 汪洲 于丹文 王华佳 李广磊 张青青 张高峰 王清 杨剑 杨冬 王昕 李军 高嵩
受保护的技术使用者：国家电网有限公司
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/3/7