CN103414207A - 一种基于下垂控制的平滑切换方法 - Google Patents

Abstract

一种基于下垂控制的平滑切换方法，通过采用下垂控制，即无功功率与有功功率的平衡来调整输出电压幅值与频率，使逆变器既可以自治运行也可以并网运行。当电网状态正常时，控制单元调整逆变器的输出电压幅值与频率，满足并网要求后，将并网开关闭合，逆变器会根据系统前后的频率与电压变化，根据下垂方程输出合适的电压与频率，维持系统电压和频率稳定。当检测到电网状态异常或需要切换至自治运行模式时，将并网开关断开，同时，由于系统前后的频率和电压的变化，逆变器会依据下垂方程自动输出合适的有功功率与无功功率，维持系统的有功功率与无功功率平衡。本发明采取下垂控制可以实现逆变器自治运行与并网运行之间的平滑切换。

Description

一种基于下垂控制的平滑切换方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器切换控制方法。

背景技术

在世界各国大力发展新能源发电，提高分布式发电技术的同时，逆变器是其中不可或缺的环节。在光伏并网发电、风力发电中交-直-交变速风力并网发电、生物质能并网发电等并网发电系统中，逆变器将直流电能或不规则的交流电能转换为满足标准的交流电能，进行并网或直接给负荷供电，起到的转换能量的桥梁作用，也是分布式发电系统的关键技术之一。

在一定程度上说，逆变器的性能好坏直接影响分布式发电系统的可靠性和安全性。并且，随着对大电网要求越来越高，当大电网发生故障时，要求以分布式电源，并网逆变器等组成的微电网系统继续为负荷供电，保证用户供电的正常运行。只有在保证并网逆变器的控制性能的前提下，才能使整个微电网系统可靠运行。

传统逆变器一般工作在并网状态或自治状态，很少可以满足两种工作模式，即使满足也存在两种模式的切换，在模式切换过程中，由于控制模式、运行状态的不同，很容易引起系统不稳定，从而使逆变器或者负载进行自我保护，严重的将逆变器和负载烧坏甚至电网造成不可修复的损坏。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于下垂控制的平滑切换方法。本发明将多台逆变器并联下垂控制的思想引入到逆变器并网应用中，使逆变器既可以自治运行，也可以并网运行，并且在两种工作模式下可以实现平滑切换，提高了系统的稳定性和可靠性。

应用本发明基于下垂控制的平滑切换方法的逆变器系统包括逆变器电路系统和逆变器控制电路系统。逆变控制器电路系统向逆变器电路系统中的三相逆变桥发出触发信号，逆变器电路系统中的电压电流信号作为逆变器控制电路系统中采样单元的输入。所述的逆变器电路系统包括直流母线电源、三相逆变桥、三相滤波电感、三相滤波电容、三相变压器、负荷，以及并网开关。逆变器控制电路系统主要包括采样单元、滤波单元、控制单元及驱动单元。采样单元采集的信号经过滤波单元滤波后，此信号作为控制单元的输入，经过控制单元的处理得到相应的驱动信号。此驱动信号经驱动单元将驱动信号转换成适用于驱动三相逆变桥的信号。其中采样单元包括逆变器输出电压、输出电流以及电网电压的采样电路，采样电路由采样电阻及霍尔传感器组成。控制单元主要包括功率计算单元、有功功率下垂调节单元、无功功率下垂调节单元、三相电压生成单元、电压控制器、电流控制器、锁相环单元、abc/dq变换单元即三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元、dq/αβ变换单元即两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换单元、功率计算单元及PWM信号发生单元。

所述的逆变器电路系统中，所述的直流母线电源接于三相逆变桥的直流输入测，三相逆变桥的交流输出侧接三相滤波电感的一侧，三相滤波电感的另一侧连接三相滤波电容，三相滤波电容采用Y型接法。同时，三相滤波电容的另一侧接三相变压器的原边，变压器的副边接负荷，同时变压器副边连接并网开关的一端，并网开关的另一端连接电网。

为了实现上述目的，本发明基于下垂控制的平滑切换方法采用如下技术方案：

所述的采样单元包括逆变器的三相输出电压采样单元、电流采样单元以及电网电压采样单元，并且以上三个采样单元的输出作为低通滤波器的输入，低通滤波器的输出分别连接控制单元，作为坐标变换的输入。

采样单元实时采集到的，经过滤波之后的逆变器输出的电压、电流信号，以及电网电压信号送入控制单元。控制单元将所述的逆变器的电压、电流信号及电网电压信号作为其abc/dq变换单元的输入，经过abc/dq变换单元得到的电网电压信号和逆变器输出电流信号作为功率计算单元的输入；并将经过abc/dq变换单元转换得到电网电压信号作为其锁相环单元的输入，锁相环单元输出电网电压的幅值与频率。控制单元的功率计算单元输出的无功功率和锁相环单元输出的电网电压的幅值送入无功功率下垂调节单元，功率计算单元输出的有功功率和锁相环单元输出的频率送入有功功率下垂调节单元。无功功率下垂调节单元输出电压幅值给定值，有功功率下垂调节单元输出频率给定值。有功功率下垂调节单元的输出和无功功率下垂调节单元的输出作为三相电压生成单元的输入，由三相电压生成单元生成三相给定电压。三相电压生成单元的输出送入abc/dq变换单元，经abc/dq变换单元进行坐标变换后，得到电压给定值的d轴和q轴分量。上述采样单元采集得到，经滤波后的逆变器的输出电压信号经abc/dq变换单元变换后，得到逆变器输出电压的d轴与q轴分量。所述的电压给定值的d轴分量与逆变器输出电压的d轴分量相减得到的差值作为d轴电压控制器的输入，所述的电压给定值的q轴分量与逆变器输出电压的q轴分量相减得到的差值作为q轴电压控制器的输入。采样单元得到的，经滤波后的逆变器输出电流信号送入abc/dq变换单元，经abc/dq坐标变换后得到输出电流的d轴和q轴分量。d轴电压控制器的输出作为逆变器输出电流d轴分量的给定值，逆变器输出电流d轴分量的给定值与逆变器输出电流的d轴分量相减作为d轴电流控制器的输入，q轴电压控制器的输出作为逆变器输出电流q轴分量的给定值，逆变器输出电流q轴分量的给定值与逆变器输出电流的q轴分量相减作为q轴电流控制器的输入。d轴和q轴电流控制器的输出作为dq/αβ变换单元的输入，经dq/αβ变换单元变换后，dq/αβ变换单元的输出送入PWM信号发生器的输入端，经PWM发生器产生PWM信号，该PWM信号作为驱动电路的输入，经驱动电路输出至三相逆变桥，直接驱动三相逆变桥的开关管动作。上述电流、电压控制器均采用PI控制器，实现对给定电流值和电压值的无差跟踪。

当逆变器不并网自治运行时，由锁相环单元输出的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，作为有功功率下垂调节单元及无功功率下垂调节单元的输入，由于下垂调节方程的特殊性，得到的u^*和f^*均与电网参数无关。

当逆变器并网运行时，由锁相环单元输出的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，经过有功功率下垂调节单元及无功功率下垂调节单元调整，得到调整后的u^*和f^*作为并网时逆变器的电压给定。

当电网状态正常，逆变器由自治运行状态转换为并网运行时，当逆变器的输出电压和电网电压的差值满足并网要求时，闭合并网开关，逆变器给定电压u^*和频率f^*迅速自动调整为并网状态的值，并且在此并网过程中，不断调整u^*和f^*，保证在并网过程中达到平滑切换，直到达到并网状态。

当电网发生故障，或者逆变器主动由并网状态转换为自治运行状态时，将并网开关断开，逆变器给定电压u^*和频率f^*迅速自动调整为自治状态的值，由于u^*和f^*的暂态变化，保证在切换过程中平滑过渡，直到逆变器达到不并网自治状态。

逆变器在电网正常和故障状态下的工作状态由控制电路单元控制。

当逆变器工作在不并网自治运行时，逆变器的给定电压u^*和频率f^*，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=f_0\\ u^{*}=u_0\end{array}\right.$

其中u₀和f₀分别为初始给定电压幅值与频率，则逆变器的给定与电网电压是解耦的。当逆变器工作在并网运行时，逆变器的给定电压u^*和频率f^*，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=f-m\×(P_f-P^{*})\\ u^{*}=u-n\×(Q_f-Q^{*})\end{array}\right.$

其中P^*、Q^*分别对应在初始频率设定点f₀与初始电压设定点u₀时对应的有功功率与无功功率的输出大小，P_f为功率计算单元输出的有功功率，Q_f为功率计算单元输出的无功功率，f为锁相环单元输出的频率，u为锁相环单元输出的电压，m为有功功率的下垂系数，n为无功功率的下垂系数。

此时，逆变器的给定电压u^*和频率f^*均由电网电压的变化而自由变化，来满足功率要求。

当逆变器满足并网要求时，由自治运行状态转换为并网运行状态，在切换的过程中，逆变器电压和频率随着暂态过程自动调节，能抑制电压、电流的波动，实现平滑切换；当逆变器由并网运行状态切换到自治运行状态时，是一个逆变器和电网解耦的过程，在此过程中，可以保证逆变器的输出电压的平滑过渡，并且不会引起电网电流的突变。

本发明的特点和技术效果：

本发明适用于大电网系统，也适用于微电网系统。

本发明在由自治模式转换为并网模式时，逆变器的输出电压与电网电压越接近，暂态过程中切换越平滑。

本发明通过采用下垂控制的切换，可以提高系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1逆变器的基本结构图；

图2逆变器的控制原理图；

图3锁相环结构图；

图4无功功率下垂调节结构图；

图5有功功率下垂调节结构图；

图6逆变器自治与并网平滑切换过程的电压波形；

图7逆变器自治与并网平滑切换过程的频率波形。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

应用本发明平滑切换方法的三相逆变器结构如图1所示：包括逆变器电路系统10和逆变器控制电路系统20。电网的电压以及逆变器的电压电流信号通过采样电路201进入逆变器控制电路系统20，逆变器控制电路系统20计算得出的PWM控制信号经过驱动电路204控制逆变器电路。

所述的逆变器电路系统包括直流母线电源Vdc、三相逆变桥101、三相滤波电感102、三相滤波电容103、三相变压器104、负荷105及并网开关106。直流母线电源Vdc经过三相逆变桥101逆变输出得到三相交流电压，三相交流电压经过由三相滤波电感102和三相滤波电容103构成的滤波环节后再经过三相变压器104的变压得到理想的正弦电压，此理想的正弦电压一部分向负荷105供电，另一部分经过并网开关106向电网发电。

所述的逆变器控制电路系统主要包括采样单元201、滤波单元202、控制单元203及驱动单元204。其中采样单元201包括逆变器输出电压、输出电流及电网电压的采样电路；控制单元202主要包括功率计算单元、有功功率下垂调节单元、无功功率下垂调节单元、三相电压生成单元、电压控制器、电流控制器、锁相环单元、abc/dq变换单元即三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元、dq/αβ变换单元即两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换单元以及PWM信号发生单元。

逆变器输出电压、输出电流以及电网电压信号依次经过采样单元201以及滤波单元202，得到的信号送入控制单元203，经过相应的运算后生成PWM脉冲，PWM脉冲经过驱动单元204处理之后得到驱动信号控制三相逆变桥。

逆变器在运行时，采样单元对逆变器的电压、电流，以及电网电压进行采样，分别得到三相逆变器电压u_ai、u_bi、u_ci，电网电压u_agrid、u_bgrid、u_cgrid、逆变器电流i_ai、i_bi、i_ci；将采样得到的逆变器的电压和电流，以及电网电压变量经过低通滤波器滤除高频谐波，分别得到逆变器变压u_a、u_b、u_c，电网电压u_afgrid、u_bfgrid、u_cfgrid和逆变器电流i_a、i_b、i_c；将电网电压u_afgrid、u_bfgrid、u_cfgrid和逆变器电流i_a、i_b、i_c经abc/dq变换单元进行abc/dq坐标变换，得到电网电压d坐标轴分量值u_dgrid和q坐标轴分量值u_qgrid以及逆变器电流d坐标轴分量i_d和q坐标轴分量i_q。

将电网电压u_afgrid、u_bfgrid、u_cfgrid作为锁相环单元的输入，如图3所示，则可以得到电网电压的幅值u和频率f，通过电网电压d坐标轴和q坐标轴的分量值u_dgrid、u_qgrid，以及逆变器电流d坐标轴和q坐标轴分量i_d、i_q，可以得到逆变器所需的功率P_f、Q_f,通过如图4所示的无功功率下垂调节单元和图5所示的有功功率下垂调节单元的调整，可以得到逆变器在自治运行和并网运行时的给定电压的幅值u^*和频率f^*。由图4和图5得到下垂调节方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=\stackrel{\‾}{x}\×f_0-m\×x\×(P_f-P^{*})+f\×x\\ U^{*}=\stackrel{\‾}{x}\×U_0-n\×x\×(Q_f-Q^{*})+U\×x\end{array}\right.$

其中x表示逆变器的工作状态，逆变器自治运行时，x=0,

逆变器并网运行时，x=1,

m和n分别表示有功与无功功率下垂系数，U₀和f₀分别表示初始给定电压幅值与频率。

根据得到的给定电压幅值u^*和频率f^*，可以组成三相电压，即逆变器的三相给定电压u_a ^*(t)、u_b ^*(t)、u_c ^*(t)。将所述的三相给定电压u_a ^*(t)、u_b ^*(t)、u_c ^*(t)经过abc/dq变换单元的abc/dq坐标变换，得到u_d ^*、u_q ^*，经abc/dq坐标变换后的电压u_d ^*、u_q ^*分别与逆变器采样电压u_a、u_b、u_c经abc/dq坐标变换得到的u_d、u_q作差，可以得出二者的差值U_derr和U_qerr：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{derr}}={u_d}^{*}-u_d\\ U_{\mathrm{qerr}}={u_q}^{*}-u_q\end{array}\right.$

其中U_derr和U_qerr分别表示dq坐标轴下给定电压与实际输出电压的差值，u_d和u_q分别表示逆变器输出电压d轴和q轴分量的大小，u_d ^*和u_q ^*分别表示给定电压的d轴和q轴分量的大小。

将u_derr、u_qerr作为电压控制器的输入，其输出结果为i_d ^*、i_q ^*作为电流控制器的给定值，并与i_d、i_q作差，得出二者的差值i_derr和i_qerr：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{derr}}={i_d}^{*}{i}_d\\ i_{\mathrm{qerr}}={i_q}^{*}-i_q\end{array}\right.$

将差值i_derr、i_qerr作为d坐标轴和q坐标轴电流控制器的输入，d坐标轴和q坐标轴电流控制器的输出信号i_de和i_qe经过dq-αβ的坐标变换，得到i_α、i_β，i_α、i_β根据SVPWM算法，计算得到控制三相并网逆变器开关管的控制信号，实现对逆变器进行控制。

当逆变器自治运行时，根据检测得到的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率P_f和无功功率Q_f，作为图4和图5所示功率下垂调节单元的输入，由于下垂调节方程的特殊性，得到的逆变器的给定电压幅值u^*和频率f^*均与电网参数无关。

当逆变器并网运行时，根据检测得到的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率P_f和无功功率Q_f，经过图4和图5所示功率下垂调节单元，得到调整后的u^*和f^*，将调整后的u^*和f^*作为并网时逆变器的电压给定。

当电网状态正常，逆变器由自治运行状态转换为并网运行时，当逆变器的输出电压和电网电压差值满足并网要求时，闭合并网开关，逆变器给定电压u^*和频率f^*迅速自动调整为并网状态的值，并且在此并网过程中不断调整u^*和f^*，保证在并网过程中达到平滑切换，直到稳定在并网状态，如图6和图7所示。

当电网发生故障，或者主动由并网状态转换为自治运行状态时，将并网开关断开，逆变器给定电压u^*和频率f^*，迅速自动调整为自治状态的值，由于u^*和f^*的暂态变化，保证在切换过程中平滑过渡，直到逆变器达到自治状态，如图6和图7所示。

Claims (3)

1.一种基于下垂控制的平滑切换方法，其特征在于，所述的平滑切换方法为：

逆变器采样电路单元（201）分别采样逆变器的三相输出电压、输出电流以及电网电压，送入逆变器的控制电路单元（203）；在控制电路单元（203）中，所述的逆变器的电压、电流信号及电网电压信号作为其abc/dq变换单元的输入，经过abc/dq变换单元得到的电网电压信号和逆变器输出电流信号作为功率计算单元的输入；并将经过abc/dq变换单元转换得到的电网电压信号作为其锁相环单元的输入，锁相环单元输出电网电压的幅值与频率；控制单元（203）的功率计算单元输出的无功功率和锁相环单元输出的电网电压的幅值送入无功功率下垂调节单元，功率计算单元输出的有功功率和锁相环单元输出的频率送入有功功率下垂调节单元；无功功率下垂调节单元输出电压幅值给定值，有功功率下垂调节单元输出频率给定值；有功功率下垂调节单元的输出和无功功率下垂调节单元的输出作为三相电压生成单元的输入，由三相电压生成单元生成三相给定电压；三相电压生成单元的输出送入abc/dq变换单元，经abc/dq变换单元进行坐标变换后，得到电压给定值的d轴和q轴分量；上述采样单元采集得到，经滤波后的逆变器的输出电压信号经abc/dq变换单元变换后，得到逆变器输出电压的d轴与q轴分量；所述的电压给定值的d轴分量与逆变器输出电压的d轴分量相减得到的差值作为d轴电压控制器的输入，所述的电压给定值的q轴分量与逆变器输出电压的q轴分量相减得到的差值作为q轴电压控制器的输入；采样单元得到的，经滤波后的逆变器输出电流信号送入abc/dq变换单元，经abc/dq坐标变换后得到输出电流的d轴和q轴分量；d轴电压控制器的输出作为逆变器输出电流d轴分量的给定值，逆变器输出电流d轴分量的给定值与逆变器输出电流的d轴分量相减作为d轴电流控制器的输入，q轴电压控制器的输出作为逆变器输出电流q轴分量的给定值，逆变器输出电流q轴分量的给定值与逆变器输出电流的q轴分量相减作为q轴电流控制器的输入；d轴和q轴电流控制器的输出作为dq/αβ变换单元的输入，经dq/αβ变换单元变换后，dq/αβ变换单元的输出送入PWM信号发生器的输入端，经PWM发生器产生PWM信号，该PWM信号作为驱动电路的输入，经驱动电路输出至三相逆变桥，直接驱动三相逆变桥的开关管动作；上述电流、电压控制器均采用PI控制器，实现对给定电流值和电压值的无差跟踪。

2.按照权利要求1所述的基于下垂控制的平滑切换方法，其特征在于，

（1）当逆变器不并网自治运行时，由锁相环单元输出的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，作为功率下垂调节单元的输入，由于下垂调节方程的特殊性，得到的u^*和f^*均与电网参数无关；

（2）当逆变器并网运行时，由锁相环单元输出的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，经过功率下垂调节单元，得到调整后的u^*和f^*作为并网时逆变器的电压给定；

（3）当电网状态正常，逆变器由自治运行状态转换为并网运行时，当逆变器的输出电压和电网电压差值满足并网要求时，闭合并网开关，逆变器给定电压u^*和频率f^*，迅速自动调整为并网状态的值，并且在并网过程中不断调整u^*和f^*，保证在并网过程中达到平滑切换，直到达到并网状态；

（4）当电网发生故障，或者主动由并网状态转换为自治运行状态时，将并网开关断开，逆变器给定电压u^*和频率f^*，迅速自动调整为自治状态的值，由于u^*和f^*的暂态变化，保证在切换过程中平滑过渡，直到逆变器达到不并网自治状态。

3.根据权利要求2所述的基于下垂控制的平滑切换方法，其特征在于，当所述的逆变器工作在不并网自治模式下时，逆变器的给定电压u^*和频率f^*分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=f_0\\ u^{*}=u_0\end{array}\right.;$

其中u₀和f₀分别为初始给定电压幅值与频率，则逆变器的给定与电网电压是解耦的；当逆变器工作在并网运行时，逆变器的给定电压u^*和频率f^*分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=f-m\×(P_f-P^{*})\\ u^{*}=u-n\×(Q_f-Q^{*})\end{array}\right.;$

此时，逆变器的给定电压u^*和频率f^*均由电网电压的变化而自由变化，来满足功率要求。

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