CN102447414A - 基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法 - Google Patents

基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法，将微电网母线通过微电网调度将母线电压参数E0送入功率解耦控制器；测定单相电压源传输线路的线路阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、单相电压源E1∠δ的输出端口的E1、δ送入功率解耦控制器；得到解耦环节的参数，动态解耦实时地计算运行点参数，将计算结果通过控制器送入调整单相电压源型逆变器，使解耦环节能够获得很高的精度，从而实现有功、无功完全的解耦。此方法克服了传统电压源型逆变器无法精确控制有功、无功的缺点，实现了带负载调节输出功率的功能，是单相微电网中较为理想的分布式电源控制方案。

Description

基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种发电控制技术，特别涉及一种基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法。
背景技术
微电网是将分布式能源纳入中、低压配电网以解决未来能源问题及利用新能源、绿色能源的重要途径。分布式电源(Distributed Generation，DG)是微电网的主要电源形式。目前，微电网及分布式电源的研究和开发已经引起全球性关注。并且已经在微电网及分布式电源的理论和实验研究方面取得了不小的进展。
 微电网中的分布式电源与大电网概念下的分布式电源在单体的功率控制方法上是相同的，但是由于微电网中的分布式电源肩负着支撑微电网运行的责任，因而不能像大电网中的分布式电源那样一旦遇到大电网发生故障则退出运行。所以，微电网中的分布式电源控制是微电网研究中的关键问题之一。
分布式电源是微电网主要的能量源，一般通过电力电子逆变器的电气耦合方式输出功率。根据逆变器电气参数的控制类型，逆变器的控制方式主要有电压源控制方式和电流源控制方式。电流源控制方式的优点在于能够精确地控制输出有功、无功功率及限制故障电流，缺点在于运行时需要其它电源提供参考电压，难以独立带负载运行；以及在缺乏高性能的大电感元件时（大电感稳流方式需要超导技术的普及作为支撑），电流源逆变器输出电流质量难以保证。电压源控制方式的优点是能够单独带负载运行；以及大电容储能及稳压技术的迅速兴起使得电压源输出电压波形质量有所保证，缺点是难以完全地解耦有功、无功控制；对故障电流缺乏限制能力。
鉴于当前广泛使用零-火线单相电源接口及负载的家庭用户是未来微电网中的重要组成部分，因此研究单相逆变器的控制策略对于推广微电网及分布式电源在居民住宅小区内的应用具有积极意义。
发明内容
本发明是针对传统电压源控制方案难以完全地解耦有功、无功控制的问题，提出了一种基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法，采用电压源型单相逆变器作为分布式电源接口，并实现其有功、无功的完全解耦。
本发明的技术方案为：一种基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法，具体步骤包括：
1）微电网母线通过微电网调度将母线电压参数E0送入功率解耦控制器；测定单相电压源传输线路的线路阻抗                                               送入功率解耦控制器；单相电压源E1∠δ的输出端口的E1、δ采集后送入功率解耦控制器；
2）功率解耦控制器将步骤1）采集到的动态的E1、 E0、δ、值代入下面公式：
A=
Figure 328289DEST_PATH_IMAGE004
B=
Figure 142662DEST_PATH_IMAGE006
C=
Figure 902807DEST_PATH_IMAGE008
D=
Figure 169840DEST_PATH_IMAGE010
3）功率解耦控制器将A、B、C、D参数代入解耦环节
Figure 54226DEST_PATH_IMAGE012
计算公式：
Figure 723105DEST_PATH_IMAGE014
将频率、电压耦合控制有功、无功的关系完全解耦为频率控制有功，电压控制无功的两个单变量传递函数；
4）将步骤3）得到的解耦参数输出通过PWM控制调节单相电压源型逆变器，单相电压源带家用负载。
本发明的有益效果在于：本发明基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法，克服了传统电压源型逆变器无法精确控制有功、无功的缺点，实现了带负载调节输出功率的功能，是单相微电网中较为理想的分布式电源控制方案。
附图说明
图1为单机无穷大系统原理图；
图2为传统近似解耦仿真曲线图；
图3为本发明基于动态解耦的单相电压源型逆变器中单机动态解耦仿真曲线图；
图4为本发明基于动态解耦的单相电压源型逆变器中有功，无功解耦控制框图；
图5为本发明基于动态解耦的单相电压源型逆变器系统图；
图6为本发明基于动态解耦的单相电压源型逆变器输出功率调节过程图。
具体实施方式
本发明是通过以下技术方案实现的。在图1所示单机无穷大系统原理图中，定义分布式单相电源为E1∠δ，大电网为E0∠0，线路阻抗为
Figure 654152DEST_PATH_IMAGE002
。则由单相交流电功率的定义可得式(1)：
         （1）
Figure 332444DEST_PATH_IMAGE018
            （2）
Figure 2011104363180100002DEST_PATH_IMAGE024
       （3）
传统方法依据线路阻抗
Figure 153398DEST_PATH_IMAGE002
在感性或阻性特征下，分别令
Figure DEST_PATH_IMAGE026
从而实现有功/无功的近似解耦。但这类近似解耦精度很低，在控制过程中会造成有功/无功的震荡，如图2所示传统近似解耦仿真曲线图。  
本发明采用完全解耦方法，以实现对功率的精确控制。由泰勒公式将(3)式在运行点附近线性化得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
       (4)
Figure DEST_PATH_IMAGE030
        (5)
若将某一特定工
Figure DEST_PATH_IMAGE032
,
Figure DEST_PATH_IMAGE034
,,
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，,带入(4),(5)得:
Figure DEST_PATH_IMAGE042
             (6)
由(6)式可见，通过逆变器输出电压的频率和幅值控制有功、无功的系统为一典型的双输入、双输出耦合系统。若直接采用对消解耦设计则需要的补偿环节为：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
                     （7）
其中
A=
Figure 300958DEST_PATH_IMAGE004
B=
Figure 944429DEST_PATH_IMAGE006
C=
Figure 217278DEST_PATH_IMAGE008
D=
由(7)式可见，该补偿环节带有
Figure DEST_PATH_IMAGE046
两个微分项，是物理不可实现的。所以必须采用加入另一个补偿环节
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，使最终的补偿环节
Figure DEST_PATH_IMAGE050
物理可实现。考虑到抵消
Figure DEST_PATH_IMAGE052
的微分项，并且维持
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为对角阵，因此选择
Figure DEST_PATH_IMAGE056
。
得到：
                (8)
验证之：
Figure DEST_PATH_IMAGE060
           (9)
可见所设计的解耦环节
Figure 461232DEST_PATH_IMAGE012
成功地将有功、无功完全解耦为关于有功/频率，无功/电压的两个单输入单输出系统，其系统框图4。
    上述静态解耦系统的缺陷在于，设计中所采用电压有效值、频率、相角参数皆为某一特定运行点下的参数，一旦运行点改变，解耦系统的性能会受较大影响。因而可采用动态解耦方法，具体做法是在安装单相分布式电源时，测定分布式电源端口至母线的线路阻抗，该段阻抗值可认为时不变参数输入控制器内存；在运行过程中，通过不断测量电压有效值、频率、相角等信号，按式(4),(5)得出式(7)中各参数A，B，C，D的值，进一步按式(8)计算解耦环节的参数。动态解耦的仿真曲线参见图3，可见动态解耦方法通过实时地计算运行点参数，使解耦环节能够获得很高的精度，从而实现有功、无功完全的解耦。
    通过对电压源型逆变器输出有功、无功的完全解耦，就可以实现图5中所设计的单相电压源逆变器系统。微电网母线7通过微电网调度2将功率需求和母线电压参数送入功率解耦单元1；传输线路5通过功率表4将功率数值送入功率解耦单元1；单相电压源9的输出端口电压6送入功率解耦单元1；功率解耦单元1处理数据后通过PWM控制3调节电压源型逆变器，改变单相电压源9的输出，家用负载8接单相电压源9的输出。
该系统既能够单独带家庭负载，又能够跟踪微电网调度的指令，发出或吸收功率为微电网的稳定运行做出贡献。虽然该逆变器系统在调节输出功率时会对家庭负载的电压及频率造成一定的扰动，考虑到微电网较短的传输线路以及单相民用电220伏的电压等级，逆变器通过较小的
Figure DEST_PATH_IMAGE062
便可以实现数千瓦的功率输出。如图6所示，在逆变器带负载并调节送出功率(15kW,10kVar)的过程中，用户侧电压波动仅为
Figure DEST_PATH_IMAGE064
以内，频率波动为
Figure DEST_PATH_IMAGE066
以内，完全符合用户家用电器的工作要求。由此可见本发明克服了传统电压源型逆变器无法精确控制有功、无功的缺点，实现了带负载调节输出功率的功能，是单相微电网中较为理想的分布式电源控制方案。

Claims (1)

1.一种基于动态解耦的单相电压源型逆变器功率控制方法，其特征在于，具体步骤包括：
1）微电网母线通过微电网调度将母线电压参数E0送入功率解耦控制器；测定单相电压源传输线路的线路阻抗                                               
Figure 2011104363180100001DEST_PATH_IMAGE002
送入功率解耦控制器；单相电压源E1∠δ的输出端口的E1、δ采集后送入功率解耦控制器；
2）功率解耦控制器将步骤1）采集到的动态的E1、 E0、δ、
Figure 725887DEST_PATH_IMAGE002
值代入下面公式：
A=
Figure 2011104363180100001DEST_PATH_IMAGE004
B=
Figure 2011104363180100001DEST_PATH_IMAGE006
C=
Figure 2011104363180100001DEST_PATH_IMAGE008
D=
Figure 2011104363180100001DEST_PATH_IMAGE010
3）功率解耦控制器将A、B、C、D参数代入解耦环节
Figure 2011104363180100001DEST_PATH_IMAGE012
计算公式：将频率、电压耦合控制有功、无功的关系完全解耦为频率控制有功，电压控制无功的两个单变量传递函数；
4）将步骤3）得到的解耦参数输出通过PWM控制调节单相电压源型逆变器，单相电压源带家用负载。
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