逆变器可互换使用电流源逆变器和电压源外文翻译资料

逆变器可互换使用电流源逆变器和电压源

逆变器连接到电网

DAISUKE TERAYA, SHIGEO MASUKAWA, and SHOJI IIDA

Tokyo Denki University, Japan

摘要：我们提出一个新颖的逆变器,可以作为电流源逆变器(CSI)或作为一个电压源逆变器(VSI)来操作，只通过改变控制信号。适当的使用连接系统可再生能源,如光伏电池和风力发电系统,作为一个网格。这个逆变器通常是操作CSI连接到电网的。即使能源电压低于电网、能源可以提供吗网格通过提出的逆变器。功率因数可以一度保持着密切团结。当电源从电网中断时,该电路作为逆变器的独立经营模式来经营。在这方式,电路可以保持一个恒定的输出电压加载。本文提出的电路配置都是对于CSI和VSI的描述。对于两者的电路特性也做了讨论实验。

关键词：电流源逆变器；并网网格；电压源逆变器；独立操作

1. 介绍

在全球变暖的背景下，光伏发电、风力发电等可再生能源发电的形式获得动力。这种发电机随时间和天气条件波动强烈,因此他们通常是通过逆变器与电网相连,以稳定的电力供应给客户。电压源逆变器(VSIs)用于这样的互连,但为了保持高功率因数要求的规定关于系统互连[1,2], 逆变器的输出电压与系统的规定电压的有效价值和相必须为输出功率作出调整。此外,一个高于振幅系统电压的直流输入电压需要被正弦波脉宽调制控制的间歇脉冲输出电压，在谐波上符合规定。

至于逆变器的类型,有电流源逆变器(CSIs)与VSIs。由于输出电压复杂的控制，这些PWM电流源通常不适用作为电源供给；然而在从前，CSIs被使用于电机驱动系统,为了提供具有高响应性的四象限运行。

当CSI作为并网逆变器进行操作时,输出电压被系统电压所限制,这消除了上述问题。此外,如果当前是伴随着系统电压阶段性输出,然后输出可以时多种多样的，同时通过调整的有效功率当前值来保持基本波形输出因素高达100%。此外,CSIs有一个电压升压的能力,因此电网互连是可能的，甚至在直流输入电压低于系统电压的时候。因此,CSIs与VSIs相比更适合系统互连,研究人员正在调查这类互联[4 - 7]。

根据系统系统相互连接的规定, 如果在分布式电源与超高压电网相连时，系统电压出现安全故障，独立的操作必须被停止。另一方面, 在系统故障的情况下，在互连配电网络中,分布式发电机应立即切换到独立操作,以维持供电使用自己的能源。

然而,当CSIs用于互连时,逆变器的输出电压在独立操作的情况下不再受限于系统电压,因此交流输出电压的自我控制变得非常必要,这就需要反馈控制来调整这个范围广泛的调制深度。相比之下,使用VSIs时，交流输出电压控制在独立操作的情况下可以很容易地实现。

因此,我们提出一种并网逆变器，当连接到电网时它将作为CSI运行,并且，当如果系统发生故障需要独立操作系统时能切换到VSI模式。假设连接到一个配电网络,我们认为这里应加入一个小容量设备的单相电路。下面我们来解释并确认它的电路配置和控制方法，以及确认用CSI和VSI进行实验的实验操作可行性。

1. 电路的配置和功能模块

如图一所示的是供给型互连逆变器的电路配置。基本的配置有一个带有四个单向的、从s1到s2由一个桥臂连接的开关的单相CSI。目前，我们要得到带有反向电压的单向开关时非常困难的，因此，我们使用双向开关来提供内置的反向阻断的二极管以及一系列连接的二极管。电压源Ed是作为一个直流电压源被采用的，假设一个直流电压源是通过一个风力发电机产生的交流电压源进行整改后获得的，或是一个光伏电池电压。CSI的电流源是根据这个电压源Ed和窗帘配置平滑反应堆Ld来进行配置的。

应用VSI的情况下，直流电压源Ed可以有和系统电压的实际值Vs相对应的值。然而，在使用CSI的情况下，如果正弦波脉宽调制控制被应用，那么所需的直流电压至少要和系统电压es一样高。因此，为了能够持续的相负载提供相同的电压，当从CSI切换的VSI操作模式时，VSI的直流电压必须至少是CSI的1.14倍。然而,越来越多的直流电压源是不现实的,因此,在现有的配置下，电压源是固定用Ed以及提高的斩波器是被添加。也就是说，电路室友SCI的平滑反应堆Ld，开关元件Sr，滤波电容器Cd以及堵路保护二极管Dr所组成。

逆变器的输出端连接到电网，再通过交流滤波器到达客户端的负载。CSI和VSI是需要用到不同的AC过滤器的。在使用CSI的情况下，一个间歇脉冲电流将输出，英雌电容Cf要被并行着插入。从另一个方面看，VSI输出的时一个间歇脉冲电压因此电感Lf是要被低频插入到其中。在该系统中,串联低频Lf和并联电容Cf都需要AC过滤器来提供,以保证在两种模式下的操作。

然而,由于逆变器模型是由单向开关组成，累积在Lf中的磁能量不能在变换中被释放。因此,二极管桥Dr1 以及Dr2被反平行得连接进逆变器之中,如图1所示。因此,在Lf中的磁能量是被暂时存储在了滤波电容器Cd中，然后通过开关Sr释放到输出端，而只是根据控制信号(稍后解释)来进行。此外,VSI模式在独立运行时,一个电感负载的无功功率可以以类似的方式处理。

在图1中,Iinv和Vinv时逆变器模型的输出电流和输出电压，Io和Vo是通过过滤后的输出电流和电压,Es系统电压,以及老Isr是开关Sr的电流。

1. 控制方法

在模拟系统中，我们提出了系统的主电路配置是不变的,如图1所示,在CSI和VSI两个模式之间的切换只有通过对开关发出控制信号来实现。

3.1 控制信号在CSI操作

如图2（a）所示的是脉冲模式。图2(b)所示的是开关Rs的逆变器的输出电流Iinv和电流Isr的扩大后的波。

3.1.1 S1到S2和Sr的信号

为了遵守系统互连的规定, 在用系统电压的阶段，正弦波PWM控制的间歇脉冲电流序列是输出的。一个常见的分谐波方案是被用于这个目的的;也就是说,与正弦波信号Ws1同相的系统电压Es相比三角载波Wc。然而,这些信号的分配是不同于传统的CSI。

当在逆变器模块中的上臂逆变器开关S1和S2分别被转了一圈，一次谐波的间歇脉冲信号通常是交替分配的到前臂开关s1和s2上。因此，逆变器的输出操作在电源短路的情况下互相交替进行，以至于这样的电压加强了间歇脉冲电流的输出。然而，在图1所示的电路中，当S1和S1 g同时打开，电压源短路，短路的电压源通过二极管桥延伸到了电网

此外,当CSI打开时，过电压将生成；因为这个原因，脉冲信号通常是重叠的。但是，在模拟的系统中，例如，当两个前臂开光和Sr打开的时候，储存在Cd中的平滑反应堆Ld的磁场能量，在Lf的能量通过二极管桥储存起来的同时，通过了Sr的反平行二极管因此,没有必要重叠使用信号。

3.1.2 Rs信号

在模拟的系统中,Lf的低频磁场能量在每个变换中是被存储在了Cd中。如图2所示,当开关Sr顺序连接到Cd时，被释放进入了负载的这个能量在输出期间被放出。控制着Sr的信号Wsr，生成了如下的原因。

如图3所示, 随着系统电压Es阶段，一个三频信号Ws3是来自正弦波信号Ws1。它的振幅As3到Ws1的振幅As1被设置为一个任意的系数A1。Ws1-Ws3的区别主要是被作为信号波wsr所设置。然后，wsr是全波整流以至于我们得到带有振幅Asr的信号Wsr，其中振幅Asr是被设置为对于振幅As1而言任意的一个系数A2。当| Ws3 | gt; | Ws1 |（图3所描绘出的Wsr的波形）情况下，在整个周期里面，这个信号Wsr是零。这样做是为了防止通过从高电容器电压到较低的系统电压的放电，而使得浪涌电流的产生。

这里我们定义的逆变器模块的调制系数为M1 = As1 /Ac,以及Ac的载波振幅Wc。在模拟的系统中,如传统逆变器,依靠信号Ws1的振幅As1，对调制系数M1的控制就足以调整输出。现在，信号Ws3的振幅As3以及信号Ws的振幅As是不同于As1的，它们不需要的信号进行任何单独的调整。在控制常量的选择上，A1和A2将在4.2节说明。

在图2中，生成的信号Wsr如前所述与载波Wc相比，时在逆变器模块阶段中声称信号Sr的。在逆变器输出时，这个信号是被用于打开开关Sr的，以至于积累在Cd中的Lf的低频磁场能量被释放到负载上。结果，如图2（b）所示，从开关Sr通过，逆变器的输出电流Iinv产生了一种波形，这类波形由从目前排放的叠加的电流源提供所得来的的平滑的直流电产生的。

作者： Daisuke Teraya, Shigeo Masukawa, Shoji Iida

作者单位： 1Tokyo Denki University, Japan

刊名： Elect. Eng. Jpn., 2013, Vol.183 (4)

来源数据库： Wiley Journal

DOI： 10.1002/eej.22349

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