CN101697422B - 微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法，由主控制器和从控制器实现，主控制器包括功率环、电压环和微网电流前馈环节。从控制器由电压外环、电流内环双环控制组成，可以快速响应由于配电网和微源邻近负载投切引起的电压波动。当微网系统处于并网运行模式时，主控制器通过设定微网系统额定有功功率、额定无功功率、控制微网微源的能量输出，同时通过配电网实时电压、配电网实时频率，发出控制信号至各个从控制器，使逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率；并使各个逆变器统一输出与配电网同步的电压，满足微网与配电网并网要求，从而避免微源间环流的产生。

Description

微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法

技术领域

本发明属于微网及含微网配电系统的电能质量及其控制技术领域，特别涉及一种微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法。 

背景技术

加快能源建设和保障能源供给一直是我国经济建设与发展的重要目标之一。能源电力可持续发展的要求和化石能源利用所造成的环境问题要求我们认真思考大力发展清洁高效的分布式发电及供能系统的问题。但是分布式发电日渐广泛的应用也给现有电力系统带来了新的挑战，使得分布式发电并网规模受到限制。深入开展微型电网关键科学和技术问题的研究，将分布式电源有计划地组织和管理起来，摆脱现有标准和运行方式限制，形成集群以微型电网方式运行，去弊趋利，突破分布式发电并网规模瓶颈，是分布式发电并网的必经之路。把以分布式发电供能为基础的微网与大电网相结合，不仅有助于提高微网的供能质量，还有助于微网技术的大规模推广应用，也有助于防止大面积停电，提高电力系统的安全性和可靠性，增强电网抵御自然灾害的能力，对于电网乃至国家安全都有重大现实意义。 

由于分布式电源本身的特性，使得分布式电源输出电压是不稳定的。为了满足微网电能质量的要求，多种分布式电源组成的微网能源系统是必须的，通过多种能源相互补充，可以为微网提供稳定可靠的电力能源。由于微源的不稳定性，单一微源难以满足用户需求，由多微源组成的微网将成为今后的发展目标。但是微源不同的输出会引起微源间的环流。现有的微源大多通过逆变器与微网系统相连，例如光伏发电系统、风力发电系统和燃料电池等等。 

太阳能发电与风力发电的互补方式己得到了认可，在它们相并联组成微网能源时有两种方法，一是在直流母线并联。二是在交流母线并联。 

前者技术较为简单，是目前实用化装置中的主要方案，但仅适合于各发电装置相距很近的情况，而太阳能电池和风力发电机的安装位置取决于自然条件，当装置位置距离较远或存在多个发电装置多点分布时，这种方式受到一定的限制，目前这种方式均不能与大型风力发电机及微网相连接。 

而交流侧并联方式则无此限制，各发电装置可各自选择最为合适的安装位置，然后在供电区域中的某点或多点相连接。采用这种方式可降低对单台变流器容量的要求并提高系统的 可靠性高，在其中一套发电装置(含其中的蓄电池、逆变器等)出现故障情况下，仍可继续供电。但这种方式技术较为复杂，需要解决相距较远的两个或多个发电系统的输出电压、频率、相位以及电能互相传输等一系列技术问题。由于电力电子变流器的过载能力较弱，因而解决系统中各输出参量的协调控制尤为重要。 

发明内容

本发明针对多微源组成的微网电能质量问题，提出了一种微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法，该方法可以使微源输出稳定的功率和电压，可以有效的抑制微源间环流的产生，还可以快速响应由于配电网和微源邻近负载投切引起的电压波动。 

本发明采取的技术方案是，微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法包括主控制和从控制，其中由主控制器实现的主控制方法包括功率环、电压环和微网电流前馈环节： 

当微网系统处于孤岛运行模式时，微网系统额定有功功率、额定无功功率与微网系统实时有功功率、无功功率构成功率环，控制微网系统输出有功功率和无功功率；功率环输出的误差信号与微网系统额定电压、微网系统额定频率和微网系统实时频率一起处理，输出参考电压信号与微网实时电压组成电压环，控制微网系统输出电压幅值和频率；电压环误差信号经电压控制器后与微网系统实时母线电流构成微网电流前馈环节，输出主控制器控制信号；主控制器发出控制信号至各个从控制器，使逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率；并使各个逆变器统一输出380V，50HZ的电压；从控制器由电压外环、电流内环双环控制组成；当微网系统处于并网运行模式时，微网系统额定有功功率和额定无功功率均经主控制器控制微网微源的能量输出，同时配电网实时电压、配电网实时频率经主控制器处理后，发出控制信号至各个从控制器，使逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率；并使各个逆变器统一输出与配电网同步的电压，满足微网与配电网并网要求。 

本发明的工作原理是，所述微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法适用于微网多微源逆变器系统，其中各种形式的微源的输出端输出非工频交流电，经整流器整流后转换为直流电，再经逆变器逆变成工频交流电，经电感-电容(LC)滤波器滤波后，通过静态开关STS连接到配电网。逆变器控制方式为PWM控制方式。工控机通过电压、电流互感器与微网和配电网相连；各个DSP控制板也通过电压、电流互感器与微网连接，并经由数据传输总线与工控机相连。 

所述微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法由主控制器和从控制器实现，主控制器包括功率环、电压环和微网电流前馈环节。当微网系统处于孤岛运行模式时，主控制器通过设定微网系统额定有功功率、额定无功功率、微网系统额定电压、微网系统额定频率， 发出控制信号至各个从控制器，使逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率；并使各个逆变器统一输出电压。从控制器由电压外环电流内环双环控制组成，可以快速响应由于配电网和微源邻近负载投切引起的电压波动。当微网系统处于并网运行模式时，主控制器通过设定微网系统额定有功功率、额定无功功率、控制微网微源的能量输出，同时通过配电网实时电压、配电网实时频率，发出控制信号至各个从控制器，使逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率；并使各个逆变器统一输出与配电网同步的电压，满足微网与配电网并网要求，从而避免微源间环流的产生。 

本发明所述微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法可以使微源输出稳定的功率和电压，可以有效的抑制微源间环流的产生，还可以快速响应由于配电网和微源邻近负载投切引起的电压波动。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

图1是微网多微源逆变器系统结构图。 

图2是基于微网多微源逆变器系统的控制流程框图。 

图3是微网单个微源逆变器结构框图。 

图4是微网单个微源逆变器控制器框图。 

具体实施方式

如图1所示：微网多微源逆变器系统包含微源、整流器、逆变器、工控机和DSP控制板，不同形式的微源的输出端通过整流器接入逆变器的输入端，逆变器的输出端经电感电容滤波器后接入微网电压母线构成微网系统，与邻近负载相连，一并通过静态转换开关连接到配电网；所述工控机通过电压、电流传感器直接接入微网和配电网，且该工控机还通过数据传输总线连接有DSP控制板，所述DSP控制板也通过电压、电流互感器与微网连接。 

当静态转换开关STS断开时，微网系统与配电网连接断开，微网系统处于孤岛运行模式，整个微网系统由微网内部微源提供能量。此时工控机通过数据采集装置采集微网系统当前运行参数，将微网系统当前电压设定为380V、50HZ，然后输出控制信号至各个逆变器DSP控制板统一控制逆变器的输出，各个逆变器DSP控制板通过数据采集装置采集逆变器输出电压电流，用于工控机输出补偿控制信号，增强逆变器的快速响应能力，有效抑制由于负载变化引起的逆变器输出电压波动。 

当微网确定要与配电网并网运行时，微网系统此时切换至并网运行模式，工控机此时通过数据采集系统采集配电网实时运行参数和微网实时运行参数，将配电网实时电压作为微网系统电压，然后输出控制信号至各个逆变器DSP板统一控制逆变器的输出，逆变器工作状态与微网孤岛运行模式时一样，使得微网系统电压与配电网电压一致。然后静态转换开关STS闭合，微网与配电网并网运行。微网并联逆变系统的主控制器由功率支路、电压控制器和电流前馈支路组成。主控制器电压反馈信号经截止频率为100HZ的低通滤波器。微网并联逆变系统的从控制器包含电压外环与电流内环控制支路，从控制器电压反馈信号经截止频率为100HZ的高通滤波器。 

如图2所示，上述控制方法的具体流程如下所述： 

当微网处于孤岛运行模式时，静态转换开关STS断开，开关1断开。开关2向下闭合，开关3断开。主控制器包括功率环、电压环和微网电流前馈环，具体过程为：微网额定频率为ω^*，微网额定电压为E^*。P^*为微网系统额定有功功率，P为微网系统实时有功功率。将上述微网系统额定值与微网系统实际测量值做比较，构成闭环系统，这样既可控制微网系统在孤岛运行模式时输出稳定的电压、有功功率和无功功率。取额定有功功率P^*与实时有功功率P的差值得有功功率误差信号ΔP_K。将有功误差信号ΔP_K与有功比例系数β(见公式1)相乘，取乘值与微网额定频率ω^*的差值为频率信号ω。将频率信号ω做S变换得相角信号δ。 

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{\min }}{P^{*}-P_{\max }}---\left(1\right)$

式中：P_max为微网系统最大输出有功功率；ω_min为微网系统安全运行最低电网频率。 

Q^*为微网系统额定无功功率，Q为微网系统实时无功功率。取额定无功功率Q^*与微网实时无功功率Q的差值得无功功率误差信号ΔQ_K。将无功功率误差信号ΔQ_K与无功比例系数ξ相乘(见公式2)，取其乘值与微网额定电压E^*的差值为电压信号E。 

$\mathrm{\ξ}=\frac{E^{*}-E_{\min }}{Q_{\max }-Q^{*}}---\left(2\right)$

式中：Q_max为微网系统最大输出无功功率；E_min为微网系统安全运行最低电压值。 

将频率信号ω、相角信号δ和电压信号E，输入空间矢量变换器得微网三相参考电压 

将微网系统母线实时三相电压V_a，V_b，V_c乘比例系数F(S)(见公式3，其中η_k为K 次谐波含量，η₁为基波含量，η₁＝1)与微网三相参考电压 

的差值作为电压控制器的输入信号，电压控制器输出电流控制信号i_ua，i_ub，i_uc，将检测出的微网系统母线实时三相电流i_a，i_b，i_c乘增益1/n，其中n就是逆变器的个数，得到前馈电流控制信号i_fa，i_fb，i_fc，取i_ua，i_ub，i_uc与i_fa，i_fb，i_fc的和值得到主控制器输出指令信号i_ma，i_mb，i_mc；主控制器输出指令信号通过数据传输总线传递至从控制器。因此，所有多微源逆变系统中所包含逆变器的控制信号都是由主控制器产生，就使得所有逆变输出的电压幅值相位相等，这样可抑制微源间环流的产生。 

$F\left(S\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\η}}_2}{\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_k}---\left(3\right)$

式中：η_k为K次谐波含量，η₁为基波含量，η₁＝1。 

从控制器包括电压环和电流环控制支路。微网多微源逆变器系统中各个逆变器控制方式相同，以逆变器1为例解释说明。将逆变器1输出三相电压V_a1，V_b1，V_c1乘比例系数1-F(S)后，与误差信号0作差，得到的差值作为电压控制器的信号输入，电压控制器输出电流控制信号Δi_a1，Δi_b1，Δi_c1；取主控制器输出指令信号i_ma，i_mb，i_mc与Δi_a1，Δi_b1，Δi_c1的差值作为电流控制器参考电流控制信号 

再将电流控制器参考电流控制信号 

与逆变器1电容电流 (见图3)的差值作为电流控制器的输入信号，并将其输出信号 

作为逆变器1的控制信号。由于从控制器采用了临近负载侧的电压信号V_a1，V_b1，V_c1乘比例系数1-F(S)作为电压环的反馈，同时还采用了逆变器电容电流 

作为电流环的反馈，当微源邻近负载投切引起电压波动的时候，逆变器不需要主控制发出信号，可以通过从控制器的反馈环节立即响应，这样即可快速抑制于配电网和微源邻近负载投切引起的电压波动。 

 从控制器电压电流双环控制支路与微网单个微源逆变器控制器控制支路类似，见图4。将三相参考电压 

与矩阵A(公式4)相乘转换成参考电压 

同时将检测逆变器输出电压V_a，V_b，V_c作为反馈电压信号与矩阵A相乘转换成反馈电压信号V_α，V_β；取 

与V_α，V_β的差值乘矩阵T1(公式5)，转换成d-q坐标系电压 

作为常规PI控制器控制信号，控制器输出d-q坐标系电流信号 

同理取 

与V_α，V_β的差值乘矩阵T2 (公式6)，经矩阵T2，常规PI控制器，得i_d ^-，i_q ^-。取i_d ⁺，i_q ⁺经矩阵T1的转置矩阵T₁ ^T与i_d ^-，i_q ^-经矩阵T2的转置矩阵T₂ ^T的和值得电流信号i_α ^*，i_β ^*。电流信号i_α ^*，i_β ^*经矩阵B(公式7)得三相参考电流信号i_a ^*，i_b ^*，i_c ^*。取参考电流信号i_a ^*，i_b ^*，i_c ^*与反馈信号逆变器电容电流i_Ca ^*，i_Cb ^*，i_Cc ^*的差值作为比例控制器K_C的输入信号，并将其输出信号 

作为逆变器的控制信号。 

$A=\left[\begin{array}{ccc}\sqrt{1/6}& 0& -\sqrt{1/6}\\ -\sqrt{2}/6& \sqrt{2}/3& -\sqrt{2}/6\end{array}\right]---\left(4\right)$

$T_1=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)& \sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)& \cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

$T_2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)& -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)& -\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

$B=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{2/3}& 0\\ -\sqrt{1/6}& \sqrt{2}/2\\ -\sqrt{1/6}& -\sqrt{2}/2\end{array}\right]---\left(7\right)$

当微网处于孤岛运行模式时且与配电网连接断开，STS断开，开关1闭合。开关2向上闭合，开关闭合。微网额定频率ω^*为配电网频率，微网额定电压E^*为配电网电压实时值。P^*为微网系统额定有功功率，P为微网系统实时有功功率。取额定有功功率P^*与实时有功功率P的差值为功功率误差信号ΔP_K。 

将有功误差信号ΔP_K与有功比例系数β_i相乘，然后取其乘值与微网固定频率ω^*的差值，与Δδ经常规PI控制器后的输出值相加得频率信号ω，Δδ为微网与配电网电压相角误差信号。将频率信号ω做S变换得相角信号δ。 

Q^*为微网系统额定无功功率，Q为微网系统实时无功功率。取额定无功功率Q^*与微网实时无功功率Q的差值得无功功率误差信号ΔQ_K作为常规PI控制器输入，取常规PI控制器输出与微网微网额定电压E^*的差值，与ΔE经常规PI控制器后的输出值相加得电压信号E，ΔE为微网与配电网的电压幅值误差信号。此后与孤岛模式完全相同。当微网与配电网频率、电压一致时，STS闭合，微网与配电网并网工作。 

Claims (2)

1.一种微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法，其特征是，包含分别由主控制器和从控制器实现的主、从控制方法：所述主控制器包括功率环、电压环和微网电流前馈环节，当微网系统处于孤岛运行模式时，微网系统额定有功功率、额定无功功率与微网系统实时有功功率、无功功率构成功率环；功率环输出的误差信号与微网系统额定电压、微网系统额定频率和微网系统实时频率一起处理后输出参考电压信号，参考电压信号与微网实时电压组成电压环，控制微网系统输出电压幅值和频率；电压环误差信号经电压控制器后与微网系统母线实时电流构成微网电流前馈环节，输出主控制器控制信号；主控制器发出控制信号至各个从控制器，使逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率；从控制器由电压外环、电流内环双环控制组成；当微网系统处于并网运行模式时，微网系统额定有功功率、额定无功功率经主控制器控制微网微源的能量输出，同时配电网实时电压、配电网实时频率经主控制器处理后，发出控制信号至各个从控制器，使逆变器输出满足微网系统所需的有功功率和无功功率，并使各个逆变器统一输出与配电网同步的电压。

2.根据权利要求1所述微网多微源逆变器环流及电压波动主从控制方法，其特征是，所述主控制器运行的具体步骤为：微网额定频率为ω^*，微网额定电压为E^*；P^*为微网系统额定有功功率，P为微网系统实时有功功率；将上述微网系统额定值与微网系统实际测量值做比较，构成闭环系统；取额定有功功率P^*与实时有功功率P的差值得有功功率误差信号ΔP_K，将有功误差信号ΔP_K与公式1中的有功比例系数β相乘，取乘值与微网额定频率ω^*的差值为频率信号ω；将频率信号ω做S变换得相角信号δ；

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{\min }}{P^{*}-P_{\max }}---\left(1\right)$

式中：P_max为微网系统最大输出有功功率；ω_min为微网系统安全运行最低电网频率；

Q^*为微网系统额定无功功率，Q为微网系统实时无功功率，取额定无功功率Q^*与微网实时无功功率Q的差值得无功功率误差信号ΔQ_K；将无功功率误差信号ΔQ_K与公式2中的无功比例系数ξ相乘，取其乘值与微网额定电压E^*的差值为电压信号E；

$\mathrm{\ξ}=\frac{E^{*}-E_{\min }}{Q_{\max }-Q^{*}}---\left(2\right)$

式中：Q_max为微网系统最大输出无功功率；E_min为微网系统安全运行最低电压值；

将频率信号ω、相角信号δ和电压信号E，输入空间矢量变换器得微网三相参考电压

微网系统母线实时三相电压V_a，V_b，V_c乘公式3中的比例系数F(S)，与微网三相参考电压

的差值作为电压控制器的输入信号，电压控制器输出电流控制信号i_ua，i_ub，i_uc，将检测出的微网系统母线实时三相电流i_a，i_b，i_c乘增益1/n，其中n为逆变器的个数，得到前馈电流控制信号i_fa，i_fb，i_fc，取i_ua，i_ub，i_uc与i_fa，i_fb，i_fc的和值得到主控制器输出指令信号i_ma，i_mb，i_mc；主控制器输出指令信号通过数据传输总线传递至从控制器；

$F\left(S\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\η}}_2}{\underset{K=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_k}---\left(3\right)$

式中：η_k为K次谐波含量，η₁为基波含量，η₁＝1；

所述从控制器包括电压外环和电流内环控制支路，具体步骤包括：将逆变器输出三相电压V_a1，V_b1，V_c1乘比例系数1-F(S)后，再与误差信号0作差，得到的差值作为电压控制器的信号输入，电压控制器输出电流控制信号Δi_a1，Δi_b1，Δi_c1；取主控制器输出指令信号i_ma，i_mb，i_mc与Δi_a1，Δi_b1，Δi_c1的差值作为电流控制器参考电流控制信号

再将电流控制器参考电流控制信号与逆变器的电容电流

的差值作为电流控制器的输入信号，并将其输出信号

作为逆变器的控制信号。

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