CN101741271A - 逆变器的动态有功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种逆变器的动态有功功率控制方法，经过检测偏移的参考频率Δf，当偏移的参考频率Δf的绝对值大于设定值时，对Δf进行比例积分，比例积分的输出值为有功功率δP，将δP叠加到P₀，叠加后产生新的设定功率P₁，当偏移的频率为零，即系统的参考频率达到50Hz时，停止此比例积分环节，这时逆变器输出的有功功率等于负载所需的有功功率，系统的频率恢复至50Hz；本发明通过动态地移动系统中所设定的逆变器下垂曲线，使微网工作模式切换和微网孤岛运行模式以及无互联线UPS并联系统中负载大幅变化时导致严重偏移的频率得到恢复，并使得其它逆变器电源在回到额定工作点附近的情况下功率均分。

Description

逆变器的动态有功功率控制方法

技术领域：

本发明涉及UPS并联供电系统及分布式发电和微网系统领域，特别是一种逆变器的动态有功功率控制方法。

背景技术：

在微网的孤岛运行状态下，对于有逆变器接口的电源，在无互联信号线的情况下，一般采用下垂控制进行功率的分配。在这种逆变器控制技术下，当微网由与主网联网模式切换至孤岛模式，或在孤岛模式下负载变化幅度过大时，系统的频率会有大的偏移，这种偏移不但可能使用户设备稳定性下降，并且使同并联的其它逆变器接口电源大幅偏离额定功率。因此这种频率偏移会导致电网稳定性的降低。

近年来用户对电的需求量越来越大，原有的UPS系统可能已不能满足现有的用户用电，这是就有UPS并联问题，同样，UPS无互联线并联后，在负载大幅变动时，会使得供电频率发生变化，对系统的稳定性产生影响。

发明内容：

为了解决微网工作模式切换和微网孤岛运行模式下负载大幅变化以及无互联线UPS并联系统中负载大幅变化时，对频率产生的严重偏移从而导致系统的稳定性降低的问题，本发明的目的是提供一种逆变器的动态有功功率控制方法，通过动态地移动系统中所设定的逆变器下垂曲线，使得系统频率恢复，并使其它逆变器电源在回到额定工作点附近的情况下功率均分。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

逆变器的动态有功功率控制方法，逆变器的输出有功功率P与参考频率f构成P-f下垂曲线，下垂曲线的斜率为-k_p；当逆变器的输出有功功率P等于逆变器的设定有功功率P₀时，参考频率f为50Hz，该下垂曲线经过(P₀，50Hz)这一状态；在多逆变器无互联线并联系统中，各逆变器的输出电压在稳态时总处于相同频率，当负载所需的有功功率变化时，各台逆变器按比例地分担变化的有功功率，系统的频率较50Hz有相应地偏移，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤：

步骤一)检测逆变器的输出有功功率P，将其和逆变器的设定功率P₀做差，得到偏移的有功功率ΔP，偏移的有功功率ΔP乘以下垂曲线斜率-k_p，得到偏移的参考频率Δf，

步骤二)当偏移的参考频率Δf的绝对值大于设定值时，对Δf进行比例积分，比例积分的输出值为有功功率δP；

步骤三)将δP叠加到P₀，叠加后产生新的设定有功功率P₁；

步骤四)当新的设定功率P₁与输出有功功率P相等时，偏移的参考频率Δf为零，即系统的参考频率达到50Hz时，停止对Δf的比例积分，这时下垂曲线从原先的经过(P₀，50Hz)这一状态，至现在的经过(P₁，50Hz)这一状态，而下垂曲线的斜率-k_p保持不变，这时逆变器输出的有功功率等于负载所需的有功功率，系统的频率恢复至50Hz。

本发明的进一步技术方案是，所述的P-f下垂曲线表达式为：f-f₀＝-k_p[P-(P₀+δP)]，其中f₀为逆变器输出电压的额定频率，即50Hz，P₀为逆变器的设定有功功率，-k_p为下垂曲线的斜率。

本发明由于在负载大幅变化时调整其中一台逆变器原有下垂曲线的位置，保证了多逆变器无互联线并联系统，如微网系统和UPS并联系统的频率可以保持在一个设定的范围，从而提高了系统的稳定性，并且使得其它发电设备的输出功率总在额定功率附近，且按比例分配输出的有功功率，提高了其它发电设备的运行效率。

附图说明：

图1为通过传输线的有功与无功功率示意图；

图2为P-f与Q-U下垂特性示意图；

其中：图2A为P-f下垂特性示意图；图2B为Q-U下垂特性示意图；

图3为动态有功功率控制示意图；

其中：图3A为原理图；图3B为工作框图；

图4为开关的控制框图；

图5为控制器H(s)对Δf的作用示意图；

图6为传统P-f下垂控制的仿真结果图；

图7为采用动态有功控制的仿真结果图。

对于如图1所示的输电线，从A点流入的有功功率P_A和无功功率Q_A可由下式表示：

$P_A=\frac{U_1\·U_2}{2\mathrm{\πf}\·L}\·\sin \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

$Q_A=\frac{U_1\·(U_1-U_2\cos \mathrm{\θ})}{2\mathrm{\πf}\·L}---\left(2\right)$

其中，U₁和U₂分别表示A点和B点电压的有效值，θ表示传输线两端的电压相差，f表示电压频率，L表示传输线的等效电感。

在一般的线路长度下，传输线两端的电压相差θ很小，因此有sinθ≈θ，cosθ≈1，则上式可等效为：

$P_A=\frac{U_1\·U_2}{2\mathrm{\πf}\·L}\·\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

$Q_A=\frac{U_1\·(U_1-U_2)}{2\mathrm{\πf}\·L}---\left(4\right)$

式(3)(4)说明了在纯感性传输线下，传输的有功功率的大小由端电压相位差θ决定，而无功功率的大小则由端电压的幅值差决定。而对频率的控制可以自动地控制相角。因此，如果负载消耗的有功功率和无功功率确定的话，微网中逆变器电源的电压频率和幅值就被确定了。通过上述结论，我们可以得到传统的P-f和Q-U下垂特性：

f-f₀＝-k_p(P-P₀)    (5)

U-U₀＝-k_q(Q-Q₀)    (6)

其中f₀和U₀分别为逆变器输出电压的额定频率和幅度。P和Q表示逆变器实际输出的有功功率和无功功率。而P₀和Q₀则分别为逆变器输出的额定有功功率和额定无功功率。k_p和k_q为下垂曲线中的斜率。逆变器输出电压功率的下垂特性参见图2A和图2B所示。图2A表示当逆变器的输出有功功率为P₀时，逆变器输出电压频率为f₀，当输出有功功率P小于(或大于)P₀时，逆变器输出电压频率f增大(或减小)，f的值可通过式(5)求得。图2B表示当逆变器的输出无功功率为Q₀时，逆变器输出电压幅度为U₀，当输出无功功率Q小于(或大于)Q₀是，逆变器输出电压幅度U增大(或减小)，U的值可通过式(6)求得。

如图3所示，当频率上升或下降到设定的阈值时，如50.0±0.2Hz，通过改变P-f下垂曲线的位置，则可以使频率重新回到50.0Hz。如图3A所示，在初始状态，逆变器和负载的P-f曲线分别为曲线a和L₀，当负载突增时，负载的P-f曲线变为L₁，所以逆变器的工作点开始从A向C移动。但当工作点移动至B点时，出于对系统稳定性的考虑，系统频率不能再降低。这时P-f曲线开始由a向a′、a″、a″′…移动，在这期间，工作点由B向D移动。当下垂曲线由a移至b的同时，逆变器的工作点也由B点到达D点，这样最终的P-f曲线形成，并且系统的频率重新回到了50.0Hz。在此之后，当负载再发生变化时，只要不使得频率变动再次超过阈值，逆变器之间仍由传统的方式分配功率。

这种动态能量管理的控制框图由图3B所示。当|Δf|达到阈值时，开关S闭合。通过调节Δf可以使得50Hz下设定的有功功率由P₀变为P₁，即P₀+δP，这样就改变了P-f曲线的位置，ΔP表示在新的P-f曲线下实际有功功率和50Hz下设定的有功功率之间的偏差P-(P₀+δP)。实际有功功率和最终的曲线可由下式表示：

f-f₀＝-k_p[P-(P₀+δP)]    (7)

微网的运行是由分布式发电(DG)，分布式储能(DS)，连网开关，以及系统控制构成。其中，分布式发电和分布式储能都需要通过逆变器才能与微网连接。

在分布式储能技术中，储能能力可分为中长期能量需要和短期能量需要。由于这种新型动态有功管理的特性，逆变器需要在较大范围内调节其输出功率和较大的能量密度。因此这种控制策略可应用于微网中提供中长期能量的分布式储能系统。在分布式发电系统中，其输出功率由自然环境决定，但当由负载下降所需要动态有功管理时，分布式发电系统仍可参与，其多余的能量可提供至与之相连或相近的储能系统。

在UPS并联系统中，处于并联中的任一逆变器均可应用此技术。

当负载的大幅变化使得系统的频率偏移高于或达到设定的0.2Hz时，开关S闭合，这时P-f曲线的位置开始移动。当输出功率与负载在50.0Hz处平衡时，开关S断开。开关的控制框图如图4所示。图中ABS表示求绝对值。

当P-f曲线开始移动时，调节器H(s)的目的是使频率偏移为零。调节器可表述为如下形式：

$H\left(s\right)=\frac{k_1+k_{2}s}{s}---\left(8\right)$

式中k₁表示积分系数，k₂表示比例系数，s为传递函数自变量。

调节器的效果通过图5说明。当频率的偏移Δf达到0.2Hz时，调节器H(s)开始动作，这时δP开始增大，随着δP的增大，有功功率的偏移ΔP，即P-(P₀+δP)减小，由于Δf与ΔP成比例关系，则Δf也会减小。直至Δf减小到零，即系统频率回到50Hz，这时δP增至某一定值，开关S断开，调节器H(s)停止动作。

图6为在传统P-f下垂控制下负载变动所引起的频率变动。从图6中可以看出，在0.1s后系统稳定，在0.3s时，负载增加，两台逆变器按比例分配负载功率，系统频率降至49.92Hz，在0.7s时，负载再次增加，这时系统频率再次下降，低于频率的设定下限49.8Hz。

图7为对其中一台逆变器进行动态有功管理后的P-f特性，从图7中可以看出，在0.7s负载又一次增加时，频率下降，当被控制的逆变器频率f降至49.8Hz时，频率回升，最终在1.2s处使得整个系统的频率恢复至50.0Hz，在1.5s处负载又一次发生变化，逆变器之间又可以按比例分配负载。

Claims (2)

1.逆变器的动态有功功率控制方法，逆变器的输出有功功率P与参考频率f构成P-f下垂曲线，下垂曲线的斜率为-k_p；当逆变器的输出有功功率P等于逆变器的设定有功功率P₀时，参考频率f为50Hz，该下垂曲线经过(P₀，50Hz)这一状态；在多逆变器无互联线并联系统中，各逆变器的输出电压在稳态时总处于相同频率，当负载所需的有功功率变化时，各台逆变器按比例地分担变化的有功功率，系统的频率较50Hz有相应地偏移，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤：

步骤一)检测逆变器的输出有功功率P，将其和逆变器输出的设定有功功率P₀做差，得到偏移的有功功率ΔP，偏移的有功功率ΔP乘以下垂曲线斜率-k_p，得到偏移的参考频率Δf，

步骤二)当偏移的参考频率Δf的绝对值大于设定值时，对Δf进行比例积分，比例积分的输出值为有功功率δP；

步骤三)将δP叠加到P₀，叠加后产生新的设定有功功率P₁；

步骤四)当新的设定功率P₁与输出有功功率P相等时，偏移的参考频率Δf为零，即系统的参考频率达到50Hz时，停止对Δf的比例积分，这时下垂曲线从原先的经过(P₀，50Hz)这一状态，至现在的经过(P₁，50Hz)这一状态，而下垂曲线的斜率-k_p保持不变，这时逆变器输出的有功功率等于负载所需的有功功率，系统的频率恢复至50Hz。

2.根据权利要求1所述的逆变器的动态有功功率控制方法，其特征在于，所述的P-f下垂曲线表达式为：f-f₀＝-k_p[P-(P₀+δP)]，其中f₀为逆变器输出电压的额定频率，即50Hz，P₀为逆变器的设定有功功率，-k_p为下垂曲线的斜率。

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