低压逆变器设计相关问题解决方法

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 高少波 康真威

在二十一世纪的今天，化石能源会导致环境问题日益加剧，因此我们就要设计一些节约的方法，使能量优化调度，在用电量大的今天，我们要考虑降低小型发电系统的成本，衡量其核心部件，就是逆变器的功能强弱。如何设计功率线路？如何提高逆变器效率？对应用于低中压微网时就会有相应的应对之策，这样就会针对不足之处提出改进下垂策略。

为了能与电力系统友好地融合，实际应用中的微电网需要在通信网络的支撑下通过配网级、微电网级和单元级3个层次控制系统间的协调合作。在逆变器系统中，低压逆变器是非常重要的，而微网分布式电源，有很多种控制方式以及逆变器的调节方法，主要是利用虚拟阻抗的条件，然后加入改善微网等效阻抗特性，再加上下垂控制和虚拟阻抗系统，可控制电压下降。当微网系统中电压幅值、相位、频率与大电网电压、频率的支撑大致相抵时，可在微网自身和大电网之间，由下垂控制系统维持，从而进一步减小了参数差值，有助于增强系统鲁棒性。

1 低压逆变器设计

在低压逆变器的设计中，首先考虑对整个小型系统的电源能量控制。但是将新能源合理利用到实际电力系统中还需要时间，也有许多不完美的地方，比如电量和发电输出稳定性。新能源与自然天气因素息息相关，在多云或雨天，也会增大消耗，虽然大电网能够相对稳定，但在急需时，就会在一定程度上对系统有影响，降低动态稳定，也会影响静态稳定，从而造成电网的不稳定。在实验中，单独的风机发电能源功率小，如何设计内部连接？和低压逆变器结合。如何进行热流设计和监测温度？但单独的风机发电能源功率小，无法满足用电需求。在发展如此快的情况下，在大规模的、不同特性的各分布式电源之间，微网就是一个重点，其他在满足电力系统稳定运行的前提下，可随时并入或切除其他的可控单元。

2 逆变器并联系统及传统下垂控制策略

逆变器并联系统及传统下垂控制策略以增强供电可靠性为目的，因下垂控制被广泛应用，微电网就会在逆变器并联系统控制中，这样利用频率、电压等相关数据的控制下，保证了垂控制中下垂系数为固定值。逆变器1，2在线路上的传输有两种方式，一种是有功功率，另一种是无功功率。在多逆变器并联运行时，其他会导致下垂控制造成功率分配不均匀。在逆变器并联等效电路图中，会出现电压、频率不稳定的问题。这样需要两者对传，促进下垂控制改进。在不同系统中阻感比不同，易造成功率耦合现象。

在传统下垂控制框图中如图1所示，逆变器的输出电压和电流可以确定，在下垂控制产生的电压作为参考值。传统下垂控制原理简单，应用广泛，易于实现，就会有实现有功功率和无功功率的效果，从而解耦控制。

GPR(s)和Gi(s) 分别为电压外环和电流内环中调节器的传递函数；K在基于虚拟复阻抗的电压电流双闭环控制框图中Rf，Lf，C分别表示低通滤波器中的滤波电阻、滤波电感和滤波电容。为了能够更好地实现低压逆变器并联系统的下垂控制，电压调节器和电流调节器要两者共同控制。

图1 电压调节器和电流调节器传递示意

3 低压逆变器自适应下垂控制

低压逆变器设计改进的自适应下垂控制是需要试验进行验证的。但如何优化导通和开关损耗呢？

3.1 低压逆变器改进有功功率下垂控制

逆变器可以维持各DG与负荷平衡，有功功率下垂控制框图中，ke为U0- E反馈环的放大系数；GL(s) 为低通滤波器的传递函数，可表示为：

ΔE为运行过程中电压状态发生变化时，逆变器公共点电压最高与最低电压的差值。

根据改进的下垂控制框图，输出有功功率的传递函数由于空载频率不可能达到完全一致，当接入同一负载时，就会导致功率均分效果不同。

3.2 低压逆变器无功功率下垂控制

在拓展了电源的多样性的条件下，引入与无功功率相关的一次项。在无功功率下垂控制框图中，保持逆变器的输出无功功率不变，当下垂曲线斜率不变，则角频率增大。并让压环的输出信号和电流调节器中的信号不同。通过调节曲线斜率，可使系统频率恢复至接近于空载状态。当系统频率无法恢复到稳定状态时，可增加系统阻尼，提高系统暂态性能。使无功下垂系数相对减小，系统频率偏差降低。在基频条件下逆变器输出电压的零稳态误差情况下，当频率反馈环出现情况三，将参考角频率与空载角频率改变。

4 低压逆变器设计

4.1 低压逆变器有功功率及电压

在高压逆变器中，由于半导体开关的额定电压，让能量分配相对困难，但控制方法十分简单。在传统下垂控制中，稳态电压幅值大于虚拟阻抗下垂控制中的稳态电压幅值，就会导致前者的电压跌落幅值小于后者的电压跌落幅值；但是前者的电压偏移率会小于后者的电压偏移率。

4.2 低压逆变器设计的频率

现在的新能源，大部分一般分布较为广泛、资源不够集中。就会导致许多产业耗资巨大，但在低压逆变器中，功率半导体的电压裕度小了10倍左右，这样就让那些高耗能的企业找到了出路。这样在供电方式和效果方面，就得到很大的提高，因为不能像现在一样，和火力发电集中式供电一样供电，但是高压逆变器确实能提供较高的功率，从而减少能源的浪费。在运行过程中，当电压状态发生变化时，促进逆变器公共点电压最高。有功功率的值可通过改变下垂系数进行精确分配，从而促进多逆变器并联运行，但是由于空载频率不可能达到完全一致。

图2 功率半导体反复的温度变化对热应力

5 低压逆变器设计解决方案

5.1 寄生电感对性能的影响

因其他的工作电压很高，通常比低压逆变器对应的电压高 10倍，但会导致供给侧欠缺于需求侧。这些电流与系统组件的寄生电感相耦合，也就是寄生电感。虽然电感有存储的寄生能量，但是这些能量与电压无关。寄生能量需要在逆变器的开关过程中进行处理和耗散，这样就会增大逆变器的性能。传统半导体模块与外部电容组合，其他结合而成的逆变器寄生电感就会很高。有上述所有设计要求，系统只需要再增加一个控制板即可工作。这样就会提高电压，从而产生开关电压尖峰。

5.2 精确模拟系统温度的热模型

在现在的精确模拟系统温度的热模型，因为有了大量的研究和大量的归纳，针对虚拟复阻抗的设计方法，就有了进一步的优化和改进。功率半导体反复的温度变化对热应力如图2所示。在实践中，要记住预测和控制的就是温度，这是非常重要的，因为其他是平衡功率和寿命的关键，但是这也可以用来计算，关键是系统的温度。系统的温度是重中之重，在冷却条件和负载条件下，就可以推导出可以预测功率，进一步算出半导体和电容器温度，之后可以推断出热模型。但是出错，就会导致系统压力过大，无法达到计划寿命。当逆变器尺寸过大、成本过高，或者导致系统压力过大，就会导致系统无法达到计划寿命。功率半导体反复的温度变化对热应力的影响最大。

在高动态负载周期下 MOSFET 和电容器的模拟温度设计，大大优化了结构，省掉了传统配电盒和控制器之间的连接器和导线，可以优化逆变器集成、平衡输出功率，这就是高度非线性的效果。

结束语：在研究中实现了有功功率和无功功率的解耦控制，当参数设计为固定值时，线路阻抗不一致和逆变器的容量不匹配就会得到改善。虽然在实际的系统中，其他的结构是不断变化的，但是当系统动态性能良好的时候，平衡输出功率，提高优化寿命，促进冷却系统的高效利用。新能源深受世界各国高度重视，我国已有了很大的提升，在这个研究中，提出了定义和能源利用的方式，进而提出了其组成结构，在微网中由电力电子器件进行微型电源的能量转换中。我国的微电网技术位于世界前茅，离不开一线的工作人员的辛勤努力，也为我国提供了很多有较高利用价值的微网项目。