CN103701351B - 并联逆变器的自适应无功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并联逆变器的自适应无功功率控制方法，根据测量的功率计算出虚拟无功，并结合实际输出的电压幅值以及线路阻抗大小对输出电压指令进行自适应调节，所述自适应调节是指在输出电压指令上对线路阻抗上降落的电压进行补偿，本发明通过自动调整输出电压使得无功均分，而且不需要采集本地信息以外的信号，也不会加大电压偏差，在线路阻抗不同的情况下，能让逆变器达到精确均分或按设定的比例分配无功功率的目的。

Description

并联逆变器的自适应无功功率控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器无线并联控制领域，具体涉及一种应用于UPS并联供电系统、分布式发电和微网系统的并联逆变器的自适应无功功率控制方法。

背景技术

下垂控制是一种主流的不需要通讯线的逆变器并联控制方法。在一个多台逆变器的并联系统中，根据KCL与KVL，对于任意的第n台逆变器，其输出功率可由式（1）表达。

其中，U_L为公共负载端电压幅值，为逆变器输出电压与公共负载端电压的相位差，从式（1）可以得到，无功功率与电压幅度差成正比，有功功率与电压相位差成正比。考虑到频率的改变可以动态地改变相位，因此在控制中，可以通过建立无功功率与幅度，有功功率与频率的关系，产生输出电压幅度及频率的参考值。相应的下垂控制表达式如式（2）所示。

$\left\{\begin{array}{cc}{U}_n^{*}-U_r=-k_{\mathrm{qn}}(Q_n-Q_r)& \left(a\right)\\ {\mathrm{\ω}}_n^{*}-{\mathrm{\ω}}_r=-k_{\mathrm{pn}}(P_n-P_r)& \left(b\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式（2）中：

——输出电压幅度的参考值；

U_r——输出电压幅度的额定值；

——输出电压角频率的参考值；

ω_r——输出电压角频率的额定值；

P_n——输出有功功率；

P_r——额定输出有功；

Q_n——输出无功功率；

Q_r——额定输出无功；

下面的分析为简单起见，只考虑线路阻抗为纯感性的情况，并假设各个逆变器的容量相同并采用相同的下垂控制曲线。由于稳态时系统各处频率相等，所以各逆变器输出的有功功率必然相等。而输出无功功率却与各自的线路阻抗大小相关，如下式所示：

$Q_n=\frac{U_r+k_q{Q}_r-U_L}{\frac{Z_n}{U_n}+k_q}---\left(3\right)$

由式（3）可知，当线路阻抗大小Z_n不相等时，输出的无功也不相等。

近年来，一些学者就这一问题进行了深入研究。具有代表性的解决方案有如下几类。

第一类：与传统下垂控制类似，在仅采集逆变器本身信号的情况下，对传统无功-频率下垂控制进行改进。

1）取消原有的无功-幅度控制关系，而将无功与电压幅度的变化率之间建立下垂关系。这种控制方式如式（4）与（5）所示。

${\stackrel{\·}{V}}_n={\stackrel{\·}{V}}_{n0}-k_q(Q_n-Q_{\mathrm{nr}})---\left(4\right)$

$V_n^{*}=V_{n0}+\∫{\stackrel{\·}{V}}_n\mathrm{dt}---\left(5\right)$

在这种控制策略下，在稳态时可得：

Q_n=Q_nr（6）

若各逆变器的无功额定值相等，即：

Q_1r=…=Q_nr（7）

可以得到：

Q₁=…=Q_N（8）

即各逆变器的输出无功相等。

2）改进逆变器的电压控制环路，使得各逆变器的等效输出阻抗相等且比各配电线上的阻抗大，进而可以忽略各配电线上阻抗的不同。整个并联的系统可等效为各逆变器与其等效输出阻抗相连接。由于设计的各等效输出阻抗均相等，则各逆变器采用相同下垂控制时，逆变器输出无功功率相等。

第二类，采集除逆变器之外的信息，用以改进下垂控制。

通过对逆变器无功功率不均流的分析可以发现，由于公共连接点处电压唯一，而配电线线路阻抗的不同，造成了各逆变器输出电压幅度的不同，而输出电压幅度又与输出无功功率在控制电路中形成一一对应关系，这就造成了各逆变器输出无功功率不同。但如果直接采集公共连接点处的电压，将其与各逆变器的输出无功功率之间建立下垂控制关系，那么，若逆变器的下垂控制曲线相同，由于公共连接点处电压唯一，则各逆变器的输出无功功率相同。

第一类方法的第一种方法将逆变器控制成为恒定无功源，它的问题在于无论负载增大或减小，输出的无功功率均恒定。这样就会使得输出电压产生大幅变化。

第一类方法的第二种方法简单易行，从原理上看，实际是将下垂曲线的斜率加大，使得各输出无功功率相互靠近，近似为相等。而这种控制策略的缺点也同样明显，在等效输出阻抗很大的情况下，逆变器的实际输出电压幅度下降非常明显。

第二类方法当电源相对分散时，各个逆变器与公共连接点处的距离较远。因而在正常运行时，该方法需要时刻采集公共连接点电压，而采集这种高频信号进行控制将会付出较高的代价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并联逆变器的自适应无功功率控制方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

该自适应无功功率控制方法包括以下步骤：根据测量的逆变器输出功率计算出虚拟无功，并结合实际输出的电压幅值以及线路阻抗大小对输出电压指令进行自适应调节，所述自适应调节是指在输出电压指令上对线路阻抗上降落的电压进行补偿。

所述自适应无功功率控制方法具体包括以下步骤：

1）测量逆变器输出的有功功率和无功功率；

2）对测量的有功功率和无功功率分别进行低通滤波，得到低通滤波后的对应功率P_n和功率Q_n；

3）对功率P_n与功率Q_n进行变换，得到虚拟无功Q'_n；

4）通过式（19）得到输出电压角频率和幅度的参考值：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ω}}_n}^{*}={\mathrm{\ω}}_r-k_p(P_n-P_r)\\ {U_n}^{*}=U_r+k_q{Q}_r-K(Q_n-\frac{Z_n}{K{U}_n}{Q}_n^{\′})\end{array}\right.---\left(19\right)$

其中，K是一个常数，ω_n ^*表示输出电压角频率的参考值，ω_r表示输出电压角频率的额定值，k_p为有功下垂系数，P_r表示额定输出有功，表示输出电压幅度的参考值，U_r表示输出电压幅度的额定值，Q_r表示额定输出无功，Z_n表示线路阻抗的模值，U_n为逆变器实际输出电压幅值，k_q为无功下垂系数。

所述虚拟无功按照式（14）计算：

Q_n′=P_ncosθ_n+Q_nsinθ_n（14）

其中，θ_n是逆变器线路阻抗的角度值。

本发明的有益效果体现在：本发明所述并联逆变器的自适应无功功率控制方法可以实现在线路阻抗不同的情况下，让逆变器达到精确均分（或按设定的比例分配）无功功率的目的，并且相对于现有的方法，本发明所述方法具有不需要采集本地信息以外的信号，也不会加大电压偏差的优点。

附图说明

图1为本发明无功功率控制的控制框图；图1中，ωL、UL分别为公共负载端电压角频率和幅值，ω、U分别为逆变器输出电压角频率和幅值，ωf为功率测量低通滤波器截止频率；s表示拉普拉斯算子， $Q^{*}=Q-\frac{Z}{\mathrm{KU}}{Q}^{\′};$

图2为实验中逆变器并联系统结构图；

图3为实验中单台逆变器示意图；图3中，i_oabc、v_abc分别为逆变器输出的三相电流与电压瞬时值，u_abc为输入给PWM调整器的三相调制值，i_abc为输出滤波器电感上的三相电流瞬时值；

图4为逆变器电压电流内环控制框图；i_abc、v_abc和u_abc与图3中含义一致，i_d、i_q为i_abc在dp坐标系下的值，v_d、v_q为v_abc在dp坐标系下的值，u_d、u_q为电压环PI控制器输出电压在dp坐标系下的值；

图5为实验中功率波形，其中，(a)有功功率波形，(b)无功功率波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

本发明所述并联逆变器的自适应无功功率控制方法的基本思想如下。受式（3）无功的表达式的启发，如果可以控制为一个常数K，即实际的无功-电压下垂曲线的斜率：

$\frac{Z_n}{U_n}+k_q=K---\left(9\right)$

那么式（3）将变为：

$Q_n=\frac{U_r+k_q{Q}_r-U_L}{K}---\left(10\right)$

从式（10）中可以看出，逆变器输出无功与线路阻抗没有关系，所以在线路阻抗不一样的情况下，逆变器的无功功率仍然可以均分。

下面来推导相应的控制方程实现式（9）。由式（9）可得：

$k_q=K-\frac{Z_n}{U_n}---\left(11\right)$

将式（11）带入下垂控制方程式式（1b）中可得：

${U_n}^{*}=U_r+k_q{Q}_r-K(Q_n-\frac{Z_n}{K{U}_n}{Q}_n)---\left(12\right)$

式（12）即为改进的无功控制方程，控制示意图如图1所示。

以上结果都是在纯感性的线路阻抗的条件下推导出来的，在线路阻抗为阻感性时，式（12）修改为式（13），可以得到同样的无功均分效果。

${U_n}^{*}=U_r+k_q{Q}_r-K(Q_n-\frac{Z_n}{K{U}_n}{Q}_n^{\′})---\left(13\right)$

式中：

Q_n′=P_ncosθ_n+Q_nsinθ_n（14）

式中，θ_n是第n台逆变器线路阻抗的角度值。Z_n是其线路阻抗的模值。

下面证明用式（13）的无功控制式在不同阻感性阻抗的情况下可以实现无功均分。当线路为阻感性时，第n台逆变器输出的功率为：

结合式（14）与上式可得：

$Q_n^{\′}=\frac{U_n(U_n-U_L)}{Z_n}---\left(16\right)$

在稳态时，逆变器输出电压的参考值与实际输出电压相等，即

U_n=U_n ^*（17）

结合式（13），式（15）-式（17）可得：

$Q_n=\frac{U_r+k_q{Q}_r-U_L}{K}---\left(18\right)$

所以在阻感性线路阻抗下，逆变器输出无功与阻抗无关，无功均分。

本发明所述自适应无功功率控制方法具体包括以下步骤：

1）测量第n台逆变器输出的有功功率和无功功率；

2）对测量的有功功率和无功功率分别进行低通滤波（滤除测量功率高频干扰信号，比如利用一阶低通滤波器），得到低通滤波后的对应功率P_n和功率Q_n；

3）对功率P_n与功率Q_n按照式（14）进行变换，得到虚拟无功Q'_n：

Q_n′=P_ncosθ_n+Q_nsinθ_n（14）

，θ_n是第n台逆变器线路阻抗的角度值；

4）通过式（19）得到输出电压角频率和幅度的参考值：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ω}}_n}^{*}={\mathrm{\ω}}_r-k_p(P_n-P_r)\\ {U_n}^{*}=U_r+k_q{Q}_r-K(Q_n-\frac{Z_n}{K{U}_n}{Q}_n^{\′})\end{array}\right.---\left(19\right)$

其中，K是一个常数，K通常设计为逆变器输出无功功率的变化范围与逆变器输出电压范围的比值，ω_n*表示输出电压角频率的参考值，ω_r表示输出电压角频率的额定值，k_p为有功下垂系数，P_r表示额定输出有功，表示输出电压幅度的参考值，U_r表示输出电压幅度的额定值，Q_r表示额定输出无功，Z_n表示线路阻抗的模值，U_n为逆变器实际输出电压幅值，k_q为无功下垂系数。

本发明在实验室中进行了实验验证。实验平台的系统结构如图2所示。实验中所用到的逆变器是（型号MWINV-9R144）MyWay株式会社专门为了电力电子器械的实验、研究及开发而制造的，集整流逆变、传感器信号监测功能，以及保护功能于一体的逆变器。两台逆变器的额定功率均为10kW。

表I

系统控制参数

表II

主电路参数

单台逆变器如图3所示，功率外环控制如图1，用来产生电压的幅度与频率参考值。电压与电流内环如图4所示，用来控制逆变器输出电压跟踪电压参考值。控制参数如表I，主电路参数见表II和图3。

参见图5，刚开始，两逆变器采用传统下垂控制并且线路阻抗都相同。所以开始无功是均分的。在t1时刻，第二台逆变器的线路阻抗发生了变化，由纯感性切换到了阻感性，两台逆变器的线路阻抗不一致，无功功率差别变大。在t2时刻，两逆变器的控制方式切换为本发明提出的无功功率控制方法，无功功率得到了很好地均分。

本实验很好地证明了本发明的功率分配特性。

Claims (2)

1.一种并联逆变器的自适应无功功率控制方法，其特征在于：该自适应无功功率控制方法包括以下步骤：根据测量的逆变器输出功率计算出虚拟无功，并结合实际输出的电压幅值以及线路阻抗大小对输出电压指令进行自适应调节，所述自适应调节是指在输出电压指令上对线路阻抗上降落的电压进行补偿；

所述自适应无功功率控制方法具体包括以下步骤：

1)测量逆变器输出的有功功率和无功功率；

2)对测量的有功功率和无功功率分别进行低通滤波，得到低通滤波后的对应功率P_n和功率Q_n；

3)对功率P_n与功率Q_n进行变换，得到虚拟无功；

4)通过式(19)得到输出电压角频率和幅度的参考值：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ω}}_n}^{*}={\mathrm{\ω}}_r-k_p(P_n-P_r)\\ {U_n}^{*}=U_r+k_q{Q}_r-K(Q_n-\frac{Z_n}{{\mathrm{KU}}_n}{Q}_n^{\′})\end{array}\right.---\left(19\right)$

其中，K是一个常数，表示输出电压角频率的参考值，ω_r表示输出电压角频率的额定值，k_p为有功下垂系数，P_r表示额定输出有功，表示输出电压幅度的参考值，U_r表示输出电压幅度的额定值，Q_r表示额定输出无功，Z_n表示线路阻抗的模值，U_n为逆变器实际输出电压幅值，k_q为无功下垂系数，Q'_n为虚拟无功。

2.根据权利要求1所述一种并联逆变器的自适应无功功率控制方法，其特征在于：所述虚拟无功按照式(14)计算：

Q′_n＝P_ncosθ_n+Q_nsinθ_n(14)

其中，θ_n是逆变器线路阻抗的角度值。