CN102723722A - 一种基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法，通过将无功幅度下垂控制产生的逆变器输出电压幅度参考值改为公共连接点电压幅度参考值，再将公共连接点幅度参考值转化为逆变器所需要的逆变器输出电压幅度参考值；由于将下垂曲线的输出值改为公共点电压幅度参考值，因此逆变器并联时无论每台逆变器的传输线阻抗值是否相等，逆变器的输出无功功率都可以保证均流，从而达到并联逆变器无功功率均流的目的。

Description

一种基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法

技术领域

本发明属于微网系统中逆变器控制技术领域，涉及一种基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法。

背景技术

在不间断供电系统（UPS）并联供电系统中，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，当每台逆变器传输线上的阻抗互不相等时，会导致并联逆变器的无功功率不均流。在UPS并联供电系统中，当各UPS采用下垂控制时，若每台逆变器传输线上的阻抗不相等时，同样会导致并联逆变器的无功功率不均流。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法，克服微网及并联UPS系统中由于传输线阻抗互不相等时所带来的无功功率不均流的缺陷，达到并联逆变器无功功率均流的目的。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法，包括以下步骤：

在带有传输线的并联逆变器供电系统中，逆变器的输出无功功率与公共连接点的电压幅度参考值构成下垂曲线，下垂曲线的斜率为-kq；当逆变器的输出无功功率Q等于逆变器的设定无功功率Q₀时，公共点电压幅度参考值U_L ^*为U_L0，该下垂曲线经过（Q₀,U_L0）这一状态；

在多逆变器无信号互联线经过传输线并联系统中，当负载所需的无功功率变化时，每台逆变器的输出无功功率也发生变化，每台逆变器的公共点电压幅度参考值也发生了变化；其公共点电压幅度参考值U_L ^*的计算为：

检测逆变器的输出无功功率Q，将其进行低通滤波后与逆变器的设定无功功率Q₀做差，得到偏移的无功功率dQ；偏移的无功功率dQ乘以下垂曲线斜率-kq，得到偏移的参考幅度dU^*，偏移的参考幅度加上设定的公共点幅度U_L0 ^*，得到逆变器的公共点电压幅度参考值U_L ^*；

然后计算逆变器输出电压幅度参考值U^*：

检测逆变器的输出电流幅值I及功率因数角θ，并进行以下计算： $\sqrt{U_L^{*2}-{\left(\mathrm{ZI}\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}+\mathrm{ZI}\sin \mathrm{\θ},$ 其中Z为传输线阻抗；

将计算结果作为逆变器输出电压幅度参考值U^*；

得到U*之后，配合频率参考值f*，合成逆变器的参考电压，用参考电压进行脉冲宽度调制，使得逆变器输出的电压幅度U等于U*，负载电压幅度UL等于U_L*。

所述的多逆变器无信号互联线经过传输线并联系统为多逆变器通过各自传输线并联，且各逆变器间没有信号传输线。

所述的功率因数角θ为逆变器输出电压U与电流I的相位差。

所述的当N台逆变器并联时，则有U_L1*=U_Ln*=U_LN*=U_L，而N台逆变器采用相同的下垂控制曲线，那么达到Q₁=Q_n=Q_N的均流。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法，通过将无功幅度下垂控制产生的逆变器输出电压幅度参考值改为公共连接点电压幅度参考值，再将公共连接点幅度参考值转化为逆变器所需要的逆变器输出电压幅度参考值；由于将下垂曲线的输出值改为公共点电压幅度参考值，因此逆变器并联时无论每台逆变器的传输线阻抗值是否相等，逆变器的输出无功功率都可以保证均流，从而达到并联逆变器无功功率均流的目的。

附图说明

图1为两台逆变器通过传输线向负载供电的电路图；

图2-1为有功-频率下垂控制示意图，图2-2为无功幅度下垂控制示意图；

图3为传输线不同时对逆变器无功均分的影响示意图；

图4为改进的无功幅度下垂控制示意图；

图5为改进的下垂控制的整体控制框图；

图6为改进的垂控制暂态过程向量图；

图7-1～7-2为传输线电感不同采用传统下垂控制时的均流效果，其中图7-1为两逆变器各自的a相电流；图7-2为各逆变器的有功和无功输出功率示意图；

图8-1～8-2为传输线电感不同采用改进下垂控制时的均流效果，其中图8-1为显示两逆变器的电流相等，图8-2为显示两逆变器的有功功率和无功功率均分。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

1、并联逆变器供电系统及下垂控制

并联逆变器供电系统为多台逆变器经过传输线，接至同一点，向负载供电，具体的当2台并联的逆变器通过传输线向负载供电时，其电路图如图1所示，其中Z1与Z2为传输线，Pn表示第n台逆变器的输出有功功率，Qn表示第n台逆变器的输出无功功率；Un表示第n台逆变器的输出电压幅度，UL表示公共连接点（即负载端）的电压幅度。δn表示第n台逆变器的输出电压与公共连接点（即负载端）电压的相位差。

逆变器的输出功率为：

$P_n=\frac{U_n{U}_L}{Z_n}\sin {\mathrm{\δ}}_n---(1-1)$

$Q_n=\frac{U_n(U_n-U_L\cos {\mathrm{\δ}}_n)}{Z_n}---(1-2)$

其中n=1,2。

当采用并联逆变器下垂控制方式以达到有功功率及无功功率的均流时，下垂控制的控制电路的方程为：

$f_n^{*}-f_0=-k_p(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{P}_n-P_0)---(2-1)$

$U_n^{*}-U_0=-k_p(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{Q}_n-Q_0)---(2-2)$

其中，ωc为低通滤波器的截止频率；

在带有传输线的并联逆变器供电系统中，逆变器的输出无功功率与公共连接点的电压幅度参考值构成下垂曲线，下垂曲线的斜率为-kq（当横坐标变化1个单位时，纵坐标变化-kq个单位）；当逆变器的输出无功功率Q等于逆变器的设定无功功率Q₀时，公共点电压幅度参考值U_L ^*为U_L0，该下垂曲线经过（Q₀,U_L0）这一状态。

下垂控制中功率与参考电压频率及幅值的关系如图2-1、2-2所示，其中2-1为有功-频率下垂控制，横坐标表示第n台逆变器的输出有功功率，纵坐标表示第n台逆变器的输出电压频率参考值。图2-2为无功幅度下垂控制，横坐标表示第n台逆变器的输出无功功率，纵坐标表示第n台逆变器的输出电压幅值参考值。

通过图2-1可以得到：

$\frac{d{\mathrm{\δ}}_n}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{\π}(f_n-f)---\left(3\right)$

当并联系统处于稳态时，（1-1、1-2）中各参数均恒定，这说明（3）中δn恒定。因此可以得出：

f₁=f₂=f    (4)

这表明在稳态时，各逆变器的输出电压频率相同。

从图2-1、2-2中可以看出，当逆变器的输出电压频率相同时，其输出的有功功率也相同。而以上分析均和传输线阻抗大小无关。这表明，当逆变器的各传输线大小不同时，若采用同样的下垂控制策略，有功功率仍均分。

通过（2-1、2-2）可以得出，当传输线阻抗不同时，假设Z₁>Z₂（Z1表示与第一台逆变器相连的传输线的阻抗值大小，Z2表示与第二台逆变器相连的传输线阻抗值的大小），无功功率与逆变器输出电压的关系如图3所示，横坐标表示第n台逆变器的输出无功功率，纵坐标表示第n台逆变器的输出电压幅值。

由图3可得，当传输线阻抗不同时，两台逆变器有两个不同的稳态工作点，这表明当两台逆变器采用相同的下垂控制方式时，其输出无功功率并不相等，且传输线阻抗大的逆变器输出的无功功率小。

2、用于无功功率均分的下垂控制方法对下垂控制的改进

2.1逆变器输出电压幅度参考值改为公共点电压幅度参考值

在逆变器并联系统中，两台逆变器通过传输线连接至同一点。将下垂控制的控制策略由根据无功功率得到逆变器输出电压幅度参考值改为根据无功功率得到公共点电压幅度参考值。

在多逆变器无信号互联线经过传输线并联系统中（多逆变器通过各自传输线并联，且各逆变器间没有信号传输线），当负载所需的无功功率变化时，每台逆变器的输出无功功率也发生变化，每台逆变器的公共点电压幅度参考值也发生了变化。

由于两逆变器连接至同一公共点，因此，在稳态时，并联逆变器输出的无功功率也相同。其控制策略可由图4表示，图4中横坐标表示第n台逆变器的输出无功功率，纵坐标表示根据输出无功功率得到的希望第n台逆变器实现的负载端口电压幅值。如图所示，这两者的关系为经过（Q₀，U₀），且斜率为-kq。控制电路方程为：

$U_{\mathrm{Ln}}^{*}-U_0=-k_p(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{Q}_n-Q_0)---\left(5\right)$

公共点电压幅度参考值U_L ^*的计算为：

检测逆变器的输出无功功率Q，将其进行低通滤波后与逆变器的设定无功功率Q₀做差，得到偏移的无功功率dQ；偏移的无功功率dQ乘以下垂曲线斜率-kq，得到偏移的参考幅度dU^*，偏移的参考幅度加上设定的公共点幅度U_L0 ^*，得到逆变器的公共点电压幅度参考值U_L ^*。

2.2从公共点电压幅度参考值U_Ln*得到逆变器输出电压幅度参考值U_n*

实际上，在逆变器控制时，需要逆变器的输出电压参考值。因此下一步应从公共点电压幅度参考值得到逆变器输出电压幅度参考值：

检测逆变器的输出电流幅值I及功率因数角θ（逆变器输出电压U与电流I的相位差），并进行以下计算：其中Z为传输线阻抗；

将计算结果作为逆变器输出电压幅度参考值U^*；

其计算流程如图5所示，图5中左半部分为图4所示的改进下垂控制，以得到公共点电压幅度参考值，右半部分为由U_Ln ^*得到U_n ^*，其框图中的公式为根据三角关系得到。

得到U*之后，配合频率参考值f*，就可以合成逆变器的参考电压，用参考电压进行脉冲宽度调制，使得逆变器输出的电压幅度U等于U*，负载电压幅度U_L等于U_L*。当N台逆变器并联时，则有U_L1*=U_Ln*=U_LN*=U_L，既然U_L1*=U_Ln*=U_LN*，而N台逆变器采用相同的下垂控制曲线，因此Q₁=Q_n＝Q_N，即达到均流目的。

具体结合图6来进行说明：在图6中，假设下垂控制得到的负载电压幅度参考值变为U_L ^*，此时通过当时的传输线电流及阻抗得到传输线电压幅值V_T。这时结合电流与电压的夹角，得到逆变器输出电压幅度指令U^*，不考虑有功-频率产生的相角的变化，那么得到的U^*为图6中U⁽¹⁾，输出U⁽¹⁾后，电路中的各电压关系发生了新的变化，如图中红色三角形所示（U⁽¹⁾、V_T ⁽¹⁾、U_L ⁽¹⁾）。这时再用V_T ⁽¹⁾和U_L ^*得到U⁽²⁾，经过若干次迭代后，最终使得U^(N)等于U^*，完成图5中的控制目标。也就是说，通过图5的控制，虽不能直接得到U_n ^*，但引入的电流闭环会使得控制系统最终达到目标。

3、控制效果的对比

图7为传输线为纯感性，但电感值不相同的情况下，采用传统下垂控制时的功率分配情况。图7-1为两逆变器各自的a相电流，图7-2为各逆变器的有功和无功输出功率。在试验中，两逆变器采用相同的下垂控制曲线。但7-1显示两逆变器并不均流，从7-2中可以得到更明确的结论，即两逆变器的有功功率并不受不同电感值的影响。由于其下垂控制曲线相同，有功功率均分。但无功功率并不均分，并且传输线阻抗大的逆变器的无功功率反而小，这些结论与图3中的分析相符。

图8为传输线为纯感性，但电感值不相同的情况下，采用改进的下垂控制下的功率分配情况。图8-1显示两逆变器的电流相等。图8-2显示两逆变器的有功功率和无功功率均分。这说明针对传输线不同电感值情况而采取的改进下垂控制能够有效解决传统下垂控制带来的功率不均分问题。

Claims (4)

1.一种基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在带有传输线的并联逆变器供电系统中，逆变器的输出无功功率与公共连接点的电压幅度参考值构成下垂曲线，下垂曲线的斜率为-kq；当逆变器的输出无功功率Q等于逆变器的设定无功功率Q₀时，公共点电压幅度参考值U_L ^*为U_L0，该下垂曲线经过（Q₀,U_L0）这一状态；

在多逆变器无信号互联线经过传输线并联系统中，当负载所需的无功功率变化时，每台逆变器的输出无功功率也发生变化，每台逆变器的公共点电压幅度参考值也发生了变化；其公共点电压幅度参考值U_L ^*的计算为：

检测逆变器的输出无功功率Q，将其进行低通滤波后与逆变器的设定无功功率Q₀做差，得到偏移的无功功率dQ；偏移的无功功率dQ乘以下垂曲线斜率-kq，得到偏移的参考幅度dU^*，偏移的参考幅度加上设定的公共点幅度U_L0 ^*，得到逆变器的公共点电压幅度参考值U_L ^*；

然后计算逆变器输出电压幅度参考值U^*：

检测逆变器的输出电流幅值I及功率因数角θ，并进行以下计算： $\sqrt{U_L^{*2}-{\left(\mathrm{ZI}\cos \mathrm{\θ}\right)}^2}+\mathrm{ZI}\sin \mathrm{\θ},$ 其中Z为传输线阻抗；

将计算结果作为逆变器输出电压幅度参考值U^*；

得到U*之后，配合频率参考值f*，合成逆变器的参考电压，用参考电压进行脉冲宽度调制，使得逆变器输出的电压幅度U等于U*，负载电压幅度U_L等于U_L*。

2.如权利要求1所述的基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法，其特征在于，所述的多逆变器无信号互联线经过传输线并联系统为多逆变器通过各自传输线并联，且各逆变器间没有信号传输线。

3.如权利要求1所述的基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法，其特征在于，所述的功率因数角θ为逆变器输出电压U与电流I的相位差。

4.如权利要求1所述的基于并联逆变器下垂控制的无功功率控制方法，其特征在于，当N台逆变器并联时，则有U_L1*=U_Ln*=U_LN*=U_L，而N台逆变器采用相同的下垂控制曲线，那么达到Q₁=Q_n=Q_N的均流。

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