CN101278472B - 并行操作电力电子变换器的系统 - Google Patents

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Abstract

一种每个变换器单元的控制装置基于基准信号(u*q，u*d)产生输出电压，该基准信号是从每个变换器输出功率的有功和无功组分(P，Q)产生的。用于输出电压的无功组分的第一基准信号(u*q)设置为零，因此调整输出电压的无功组分为零。因此，只有有功组分对实际输出电压起作用。在具有有功功率对有功电压偏差的有功功率组分(P)基础上产生用于输出电压的有功组分的基准信号(u*d)。为了使所有变换器单元的频率同步，为每个变换器单元引入无功功率对频率偏差，在每个变换器单元的无功功率组分(Q)中的变化的基础上调整频率。由于每个变换器单元的控制装置在变换器单元自身无功和有功功率输出的基础上产生其基准信号，因此不需要在并行操作的各个变换器单元之间进行通信。因此变换器单元可以设置在不需要通信的任何地方。

Description

并行操作电力电子变换器的系统
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及并行操作AC电力电子变换器的系统和控制这种系统的方法。
背景技术
使用发电机单元的并行操作以便在两个或多个单元之间共享公用电网或岛系统的负载。增大的额定功率可以通过匹配两个低功率单元，而不需要一个单独的大功率单元。几个单元并行操作允许一个单元的日常维护而不必完全关闭该系统，这是由于其它发电机会临时从因维护而停止的一个单元接管负载。如在任何并行操作中一样，发电冗余增加了该公用电网中的电力的可用性。
在电网模式中，各种发电机单元连接到具有稳定电压和频率的公用电网，虽然几个发电机单元并行操作没有危险，但并行的发电机单元孤岛模式的安全操作仍然是个挑战。由于发电机单元可以离的很远，它们之间有显著的线路阻抗，因此不用控制通信或利用最少的控制通信就会实现几个单元的并行操作。
过去，人们已经对控制并行发电机单元做了多种尝试。一个单元可以连接到电池并且可以定义为将孤岛母线电压和频率控制为设定值的主机。所有其他单元都在电网模式操作。通过用于负载跳变支持的电池的帮助，主机单元检测并获取负载的任何改变。主机单元将系统频率和输出电压降低一点，从而分别与其它单元关于有功和无功负载进行通信。其它单元的控制电路将测量孤岛网络的频率和电压值并将分别计算有功和无功功率基准，并产生有功和无功功率基准。在其它单元拾取功率时，主机单元减少发电和维持系统电压和频率。该程序将继续进行，直到在整个系统稳定为止。即使在大多数系统中备有电池的主机控制的很好，这种两阶方法的动态性能非常低。
在一个改进中，不与主机单元同步，所有并行操作单元，包括备有电池的主机单元，都与具有锁相环(PLL)的孤岛网络同步，闭合环路频率控制系统，其基于输入和输出信号之间的相位差的相敏探测进行工作。必须分配给所有单元的PLL同步信号可以从外部正弦波发生器获取。为了避免使用电线，正弦波可以通过无线连接进行通信。
在另一种改进中，代替使用外部正弦波发生器，主机单元将系统频率设置为常值。并行的所有其它单元都锁定到具有PLL的那个频率。可以采用所谓的偏差(droop)方法使该系统稳定。有功功率对频率-偏差并且无功功率对电压-偏差是以以下事实为基础的：对于逆变器，有功功率P主要取决于逆变器的输出电压和负载电压之间的相位角Φ，而无功功率Q主要取决于输出电压幅值E。利用偏差系数m和n可以表述以下等式或偏差。
ω＝ω*-mP(ω*＝无负载时的频率)
E＝E*-nQ(E*＝无负载时的输出电压)
相关背景
由T.Kawabata等人在IEEE Transaction on industryApplications，1988年3月/4月第24卷第2号的“Parallel Operationof Voltage Source Inverters”中建议了一种不用通信的孤岛中电压源变换器并行操作的一种可行方案。引入有功功率对频率并且无功功率对电压偏差以共享有功和无功功率。
由Jang-Sik Yoo等人在1998年的IECON，IEEE，第568-573页的“Parallel U.P.S.with an Instantaneous Current Sharing Control”提出了利用电流小环路并利用总负载电流的通信的并行操作。在这种情况下，测量总负载电流并除以操作中的单元数量，然后前馈到每个内部电流控制器。
由Anil Tuladhar等人在2000年1月/2月的IEEE Transactions onindustrial Applications，第36卷第1号的“Control of ParallelInverters in Distributed AC Power Systems with Consideration ofLine Impedance Effect”中提出了另一种控制变换器的并行操作的方法，但是通过注入用于通信的特殊频率信号而通过电力网络进行通信。
美国Wisconsin-Madinson大学的Mukul C.Chandorkar提出的“Distributed uninterruptible Power Supply Systems”(他的1995的电机工程哲学博士论文)中，详细介绍了分布式网络和不间断电源(UPS)系统的操作和控制，这里通过参考引入该文献。在第2.3.1章第30页，介绍了电压源逆变器的并行操作，并利用了电流小环路。所述的系统示于第30页的图2.16中。在第31页，第二段，作者记载了当应用电流控制方案时，在并行运行的逆变器之间强制具有通信链路。否则，不同并行单元的电流控制器将互相作用以使控制方案不稳定。
在由该作者(Mukul C.Chandorkar)在1993年1月的IEEETransaction on industry Applications，第29卷第1号的“Control ofParallel Connected Inverters in Standalone AC Supply Systems”中，介绍了一种用于控制独立系统中的逆变器的控制方案，其中所有AC电通过逆变器传送而不用任何同步交流发电机。在此所述的控制系统中，反馈所测量的电流并用于功率计算和控制。然而在所述系统中电流再次不受控制，因此没有内部电流环路。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过独立控制每个变换器单元的用于并行操作电力电子变换器单元的增强型系统。
在具有并行操作的两个或多个AC变换器单元的本发明系统的第一实施例中，每个变换器单元的控制装置基于基准信号产生AC输出电压，所述基准信号是从每个变换器输出功率的有功和无功组分产生的。用于输出电压的无功组分的第一基准信号设置为零，因此将输出电压的无功组分调整为零。因此，只有有功组分对实际输出电压起作用。用于输出电压的有功组分的基准信号是基于具有有功功率对(vs.)有功电压环路的有功功率组分产生的。为了使所有变换器单元的频率同步，为每个变换器单元引入无功功率对频率偏差，在每个变换器单元的无功功率变换器的变化的基础上调整频率。
由于每个变换器单元的控制装置在变换器单元自身无功和有功功率输出的基础上产生其基准信号，因此在并行操作的各个变换器单元之间不需要通信。因此变换器单元可以设置在任何地方而不用通信。
在具有并行操作的几个变换器单元的本发明系统的第二实施例中，通过有功功率对频率偏差产生用于输出电压开关信号的频率基准。
附图说明
下面参考附图详细说明本发明的方法和装置。附图中：
图1是孤岛模式中的变换器单元的控制结构；
图2是有功功率(P)对有功电压(ud)参考偏差特性；
图3是并行操作的两个变换器的参考帧杂乱取向；
图4是用于孤岛模式中的变换器单元的本发明控制的第一实施例；和
图5是用于孤岛模式中的变换器单元的本发明控制的第二实施例。
具体实施方式
图1中示出了孤岛模式的变换器单元(converter unit)的控制结构。该变换器控制是在dq0坐标系中实施的。有功d轴基准电压对应变换器单元的实际输出电压，而无功q轴基准和零轴基准设置为零。三个电压控制器的输出添加到负载电流的相应组分中和维持设置的基准电压所需的各个电容器电流中。这得出电感器Lfi的总电流基准。电感器电流中的误差馈送给P1控制器，并且电流控制器的输出最后添加到各个输出电压前馈中。
电压前馈包括完整的LCL滤波器模型以获得给定的基准。
在孤岛模式中频率基准总是固定。由于负载电流前馈，变换器立即输送负载电流中的任何改变。这瞬时将输出电压变化减小到最小。可选的，实际反馈电流可用于电压去耦合项。然后电压控制器调整它们的输出以校正其余负载电压。
另外，还实施了用于孤岛单元的负的和零序非平衡电压控制器。只要大的线间(line to line)和线到中性(line to neutral)负载连接在孤岛网络上，这些控制器是必须的。如果这些负载接近于额定负载，则电压非平衡控制器将电压保持在可接受的限制内。
在分布式发电中，利用去耦合以获得较快响应的d和q轴在闭合环路中控制变换器的输出电压，不可能使用正常发电机系统的偏差原理(有功功率对频率及无功功率对电压偏差)来稳定该系统。
在具有并行操作的几个变换器单元的系统中，变换器单元通常连接在相同的系统总线上。如果单元的输出直接连接，则所有变换器单元都设法控制相同电压。如果有些变换器单元的输出与其它变换器单元的输出被较大系统阻抗分开，则分开的变换器单元设法控制它们各自的输出。
每个变换器单元的d轴控制器的输出代表d轴电流，它对应负载的有功部分。q轴电压控制器的输出代表q轴电流并对应该负载的无功部分。在本发明的控制中，每个变换器中的q轴电压被控制为零。这意味着每个DG只把孤岛电网电压看做稳定状态的d轴电压。
因为每个变换器单元中无功q轴电压被控制为零，在稳定状态操作时有功d轴电压处于同相。如果循环功率在并行操作的变换器单元中增大并且导致一个或两个变换器单元的有功功率增加，那么这些变换器单元的有功电压基准会减小。由于在每个变换器单元中，d轴电压控制器输出代表有功电流，降低有功电压导致减小有功电流基准。这个过程持续直到根据并行变换器的功率额定值而使有功功率再次在所有变换器之间共享为止。在并行操作的每个变换器中，引入如图2所示的有功功率(P)对有功电压(ud)基准偏差特性，以便在所有变换器单元之间同等地共享有功功率。如果一个变换器单元的有功功率增加，则根据偏差特性这个变换器的有功电压而减小。
如果两个系统的方位稍微不同，则同一个系统电压当被两个不同单元测量时会发现是不同的。这反映为无功q轴电压的误差，如图3所示。在这个图中，变换器单元1完好地取向到其坐标系。q轴电压uq1为零并根据转换定义，d轴电压ud1等于输出电压us的峰值。
变换器单元2的坐标系以角度δ稍微领先变换器单元1的坐标系。由于终端电压是共同的，因此可看到正的d轴电压ud2和负的q轴电压uq2。变换器单元2的q轴控制器将试图通过增加无功电流基准来校正它，这导致无功功率的循环。结果是每个并行变换器系统的频率必须作为无功功率的函数而改变，从而衰减循环的无功功率。为了自动稳定并行变换器系统，对于孤岛操作实施无功功率(Q)对频率(ω)偏差。偏差特性的输出用作基准频率。这个频率被积分并且作为角度的积分器输出用于转换。
该系统频率将在取决于总系统无功功率的值的地方处于稳定状态。
利用图4所示的用于并行操作变换器单元的本发明控制系统，即使在并行变换器单元是遥远的并离得很远，也可以使有功和无功功率共享处于稳定状态。各个变换器单元之间的通信不是必须的，这是由于两个发明的基准偏差特性，它允许每个变换器单元的动态自动稳定。
电压控制器的最大输出电流是设置为该变换器的额定值的基准电流。在电压控制器达到其功率极限时，电压控制器将转为电流源，控制电流等于基准电流。这可能在变换器过负载的情况下发生。
发明的基准偏差也可用于操作单个变换器单元。较高水平(upperlevel)偏差设置系统的电压矢量幅值和频率。频率直接写入可编程的逻辑器件(PLD)作为基准，并且在PLD中实现频率积分器。
在如图5所示的本发明的用于并行操作变换器单元的控制系统的第二实施例中，由有功功率对频率偏差产生的频率基准直接用作开关信号的基准，以便产生AC电压，并因此直接写在产生这种信号的PLD上。基准频率的积分器输出只由PLD中的输出电压控制使用而不由用于测量的电压和电流的转换的控制使用。
通常用于保持输出电压频率稳定的锁相环(PLL)只在电网模式期间启动。然而，在这个第二发明实施例中，建议激活PLL但是保持q轴电压控制器不工作。将q轴电压调节为零将防止PLL和q轴电压控制器之间的抵触，从而使d轴适应输出电压。由PLL产生的角度(ρ＝ωt)用于将测量电压和电流转换成垂直交叉的无功和有功电压、电流和功率和功率矢量。
在多个单元的情况下PLL将锁定到总系统的频率，并在单个单元情况下锁定到从有功功率对频率偏差的控制内产生的频率基准。因此在单个和多个单元的情况下控制不变。
电流控制器通常是不工作的，并且只在系统变为过负载时启动。这保持单元在不确定时间周期内在电流极限或极限以下运行。电流极限设置成对应额定值。当总系统负载减少时，支配(over-riding)系统控制器可以使这个单元脱离电流极限模式。在这种情况下，电流控制器不工作并且如前所述的正常控制系统被激活。如果支配控制器不恢复这个状态，则这个逆变器将以额定电流运行并共享与电路中的其它逆变器相比的负载的差异部分。在预定时间后可以实现自动恢复，使电流控制器不工作和启动正常控制。这将避免与支配控制器通信。
当单元在电流极限工作，总系统负载低于由这个逆变器输送的负载时，调制指数和相应的输出电压将升高。可使用这个信息使电流控制器不工作和重新激活电压控制器。
在正常操作期间，q和0轴电压基准设置为零。在这两种建议的方法中涉及该频率的量将更精确地共享，因为系统频率在任何地方都准确地相等。在第一系统中，它是无功功率，在第二系统中，它是有功功率。
关于这一点，后面建议的系统具有优于前者的优点。
零轴环路不变和d轴电压控制器输出直接添加到d轴电压基准，以便获得只在d轴方向上的电压的硬性控制。
如果由控制方案产生的话，如在第一实施例那样，偏差还可以使用有功和无功功率的实际值或基准来实现。

Claims (4)

1.一种功率变换系统，包括可变AC输出电压的两个或多个AC输出变换器单元，每个所述变换器单元包括用于控制所述变换器单元的输出电压的装置，所述用于控制输出电压的装置包括从所述变换器单元的输出电压产生两个垂直-交叉的无功和有功电压矢量(uq，ud)从而分别产生无功功率组分(Q)和有功功率组分(P)的装置，以及用于响应获得的无功和有功功率组分而产生用于控制所述变换器输出电压的基准信号的装置，
其特征在于：
所述用于产生用于控制输出电压的基准信号的装置包括内部电流控制环路，
有功功率对有功电压偏差
u＝u*-mP
用于从有功功率组分产生有功电压基准信号，其中u*是有功电压，P＝0，m是常数，
以及无功功率对频率偏差
f＝f*-nQ
从而调整无功功率组分输出电压的频率，其中f*是频率，Q＝0，n是常数。
2.一种功率变换系统，包括可变AC输出电压的两个或多个AC输出变换器单元，每个所述变换器单元包括用于控制所述变换器单元的输出电压的装置，所述用于控制输出电压的装置包括响应所述变换器单元的输出电压产生两个垂直-交叉的无功和有功电压矢量(uq，ud)从而分别产生无功功率组分(Q)和有功功率组分(P)的装置，以及用于响应获得的无功和有功功率组分而产生用于控制所述变换器的输出电压的基准信号的装置，
其特征在于：
采用锁相环来产生用于将测量电压和电流转换成所述无功和有功电压矢量(uq，ud)的频率和角度，以及
所述用于产生用于控制输出电压的基准信号的装置包括内部电流控制环路，和
有功功率对频率偏差
f＝f*-nP
用于调整输出电压的频率，其中f*是频率，P＝0，n是常数。
3.一种用于控制可变AC输出电压的两个或多个AC输出变换器单元的方法，其中：
产生垂直-交叉的无功和有功电压矢量(uq，ud)以控制输出电压并分别产生无功功率组分(Q)和有功功率组分(P)，
产生基准信号，从而调整输出电压的无功和有功组分，
输出电压的无功组分的基准信号设置为零，
调整输出电压的无功组分为零
根据有功功率对有功电压偏差u＝u*-mP设置有功电压基准，其中u*是有功电压，P＝0，m是常数，从而基于有功功率组分调整输出电压的有功电压组分，和
根据无功功率对频率偏差f＝f*-nQ设置输出电压的频率，其中f*是频率，Q＝0，n是常数，从而基于无功功率组分调整频率。
4.一种用于控制可变AC输出电压的两个或多个AC输出变换器单元的方法，其中：
产生垂直-交叉的无功和有功电压矢量(uq，ud)以控制输出电压并分别产生无功功率组分(Q)和有功功率组分(P)，利用锁相环产生用于将测量的电压和电流转换成所述无功和有功电压矢量的频率和角度，
产生基准信号，用于通过包括内部电流控制环路的用于产生控制输出电压的基准信号的装置来调整输出电压的无功和有功组分，
将输出电压的无功组分调整为零，和
根据有功功率对有功频率偏差f＝f*-nP设置输出电压的频率，其中f*是频率，P＝0，n是常数，从而基于有功功率组分调整输出电压的频率。
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