CN104253553B

CN104253553B - 具有滞回特性的V/f‑PQ型微电网逆变器电源

Info

Publication number: CN104253553B
Application number: CN201410500426.3A
Authority: CN
Inventors: 陈谦; 孙萌; 鞠平; 吴峰; 窦春梅; 杨晓梅; 黄俊辉; 王海潜; 谢珍建; 乔黎伟; 祁万春; 谈健; 赵宏大
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; Hohai University HHU; Economic and Technological Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; Hohai University HHU; Economic and Technological Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: CN104253553A

Abstract

本发明公开了具有滞回特性的V/f‑PQ型微电网逆变器电源，包括信号输入模块、V/f‑PQ滞环控制模块、双反馈解耦PWM控制模块、输出驱动模块和VSC主电路；信号输入模块将接收的第一电压信号、电流信号均输出；V/f‑PQ滞环控制模块将接收的第一电压信号、电流信号经处理后输出频率信号或有功功率信号、无功功率信号或第二电压信号至双反馈解耦PWM控制模块；双反馈解耦PWM控制模块输出PWM控制脉冲至输出驱动模块；输出驱动模块并输出驱动信号至VSC主电路；当VSC主电路接收到驱动信号，将外部输入的直流转换成交流输出。本发明通过对不同的电源设置不同的门槛值和环宽，有效避免系统正常波动可能对控制器造成的误触发，防止电源在某一个值上下波动反复动作。

Description

具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源

技术领域

本发明涉及微电网控制领域，特别是具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源。

背景技术

随着电力需求的不断增长，常规电网在过去数十年里快速发展。然而由于其成本高、运行难度大，以及燃料短缺、环境污染的日益加重，促进了环保、灵活、以可再生能源为主的分布式发电技术的发展。为了充分发挥分布式发电的优点并解决大电网与其之间的矛盾，一般将分布式发电系统互联形成以微电网的形式运行。然而随着微电网的接入，出现了一些新的问题，主要表现在微电网在孤岛运行模式下采用何种控制方式才能维持整个系统的稳定运行。当微电网与大电网并网运行时，可由大电网提供运行参考频率和电压。而微电网在孤网状态时，需要对网内各个微电源进行有效的控制协调，以维持整个系统能够稳定运行，保证系统的电压及频率在合理的范围内。

目前常用的一种孤网运行方式是以一个采用V/f控制的电源为主电源，提供频率和电压参考。如图1所示是现有的V/f控制方法的电源静态输出特性曲线，图1中的(a)为有功-频率静态特性曲线，f_c为V/f控制方式下电源输出的恒定频率；图1中的(b)为无功-电压静态特性曲线，V_c为V/f控制方式下电源输出的恒定电压。其它的电源都运行在PQ方式下，即保持输出的有功和无功功率为恒定。如图2所示是现有的PQ控制方法的电源静态输出特性曲线，图2中的(a)为有功-频率静态特性曲线，P_n为PQ控制方式下电源输出的恒定有功功率；图2中的(b)为无功-电压静态特性曲线，Q_n为PQ控制方式下电源输出的恒定无功功率。其中，f为频率、V电压、P为有功功率、Q为无功功率。采用V/f控制方式的微电源虽然可以在其可调容量范围内维持系统的电压幅值及频率不变，但是一旦系统内需要大量的功率交换，超出其可调容量范围，该微电源就不能继续维持系统的稳定运行。

现有的解决上述问题的方法是采用V/f控制和PQ控制的交替方式，其如图3所示是现有的V/f-PQ控制方法的电源静态输出特性曲线，图3中的(a)为有功-频率静态特性曲线，图3中的(b)为无功-电压静态特性曲线。当孤网运行时，微电网中有一个电源运行于V/f方式下，为其它的电源提供运行参考频率和电压；而其它的电源运行于PQ方式下。当V/f控制的电源可调容量越限时转为PQ方式，而由某一个其它的电源提供运行参考电压和频率。但是，这种切换会造成较大的频率或电压扰动，运行灵活性不足，控制器容易误触发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷而提供具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源，通过对各个电源设置不同的门槛值和环宽，有效避免了系统正常波动可能对控制器造成的误触发，防止电源在某一个值的上下波动时反复动作。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源，包括信号输入模块、V/f-PQ滞环控制模块、双反馈解耦PWM控制模块、输出驱动模块和VSC主电路；其中，

信号输入模块，将电网输出的第一电压信号、电流信号均输出至V/f-PQ滞环控制模块、双反馈解耦PWM控制模块；

V/f-PQ滞环控制模块，将接收的第一电压信号、电流信号经处理后，输出频率信号或有功功率信号，以及无功功率信号或第二电压信号至双反馈解耦PWM控制模块；

双反馈解耦PWM控制模块，用于根据第一电压信号、电流信号以及频率信号或有功功率信号、无功功率信号或第二电压信号，生成PWM控制脉冲并输出至输出驱动模块；

输出驱动模块，用于接收PWM控制脉冲，并输出驱动信号至VSC主电路；

VSC主电路，当接收到驱动信号，将外部输入的直流电转换成交流电输出。

作为本发明的具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源的进一步优化的方案，所述V/f-PQ滞环控制模块包括f滞环控制模块、V滞环控制模块；其中，

f滞环控制模块包括第一处理单元、第一滞环触发器单元、第一控制单元；第一滞环触发器单元和第一控制单元均预先设定最小门槛频率f_min、最大门槛频率f_max、最小有功功率极限值P_min、最大有功功率极限值P_max，f_min<f_max，P_min<P_max；其中，

第一处理单元，用于将接收的第一电压信号、电流信号经计算处理获得有功功率P_入和频率f_入，P_入和f_入均输出至第一滞环触发器单元、第一控制单元；

第一滞环触发器单元，根据接收的有功功率P_入进行判断：当P_入<P_min或P_入>P_max，则输出第一触发信号至第一控制单元，当P_max>P_入>P_min，则输出第二触发信号至第一控制单元；

第一控制单元，当接收到第一触发信号时，根据接收的有功功率P_入进行判断：当P_入<P_min，输出有功功率为P_min，当P_入>P_max，输出有功功率为P_max；当接收到第二触发信号时，根据接接收的频率f_入进行判断：当f_入<(f_min+f_max)/2，输出频率为f_min，当f_入>(f_min+f_max)/2，输出频率为f_max；

V滞环控制模块包括第二处理单元、第二滞环触发器单元、第二控制单元；第二滞环触发器单元和第二控制单元均预先设定最小门槛电压V_min、最大门槛电压V_max、最小无功功率极限值Q_min、最大无功功率极限值Q_max，V_min<V_max，Q_min<Q_max；其中，

第二处理单元，用于将接收的第一电压信号、电流信号经计算处理获得无功功率Q_入和电压V_入；Q_入和V_入均输出至第二滞环触发器单元、第二控制单元；

第二滞环触发器单元，根据接收的无功功率Q_入进行判断：当Q_入<Q_min或Q_入>Q_max，则输出第三触发信号至第二控制单元，当Q_max>Q_入>Q_min，则输出第四触发信号至第二控制单元；

第二控制单元，当接收到第三触发信号时，根据接收的无功功率Q_入进行判断：当Q_入<Q_min，输出无功功率为Q_min，当Q_入>Q_max，输出无功功率为Q_max；当接收到第四触发信号时，根据接收的电压V_入进行判断：当V_入<(V_min+V_max)/2时，输出第二电压信号为V_min，当V_入>(V_min+V_max)/2时，输出第二电压信号为V_max。

作为本发明的具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源的进一步优化的方案，所述最小门槛频率f_min、最大门槛频率f_max设置在49.5Hz～50.5Hz之间。

作为本发明的具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源的进一步优化的方案，所述最小门槛电压V_min、最大门槛电压V_max设置在用户需要额定电压的90％～110％之间。

作为本发明的具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源的进一步优化的方案，所述V/f-PQ滞环输控制模块具有滞回响应的控制特性。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)引入具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源，通过对各个电源设置不同的门槛值和环宽，有效避免了系统正常波动可能对控制器造成的误触发,防止电源在某一个值的上下波动时反复动作。

(2)微电网处于并网状态时，微电源采用PQ控制方式，输出恒定的功率。微电网运行于孤岛模式时，某一个微电源采用V/f控制方式，输出恒定的电压幅值及频率，为系统提供稳定的电压及频率，并调节其输出功率来满足系统的功率平衡。该微电源不能满足负荷需求时，会自动切换为PQ控制方式，由另外一个为电源接替。具有滞回特性的主控型电源控制方法通过对各个电源逆变器设置不同的门槛值，在负荷功率变化时，各个逆变器电源之间可以按照预先设定的阈值依次切换，减少次序出错以及控制器误动和拒动，为系统提供稳定的电压和频率，维持系统可靠稳定地运行。

(3)本发明不但可以增大功率调节范围，每个电源可根据其设置的最大、最小参考频率及其可输出的有功功率的范围来投入或退出主控模式。另外由于引入了滞回输出特性的V/f-PQ控制方法，为系统提供稳定的电压和频率，维持系统可靠稳定地运行，避免控制器频繁切换，使系统具有较好的抗扰动性能。随着我国微电网的快速发展，特别是对微电网运行的柔性和可靠性，微电源控制以及数量众多的微电源间的协调配合要求高的区域，将具有重要的理论和工程价值。

附图说明

图1是现有的V/f控制方法的电源静态输出特性曲线：(a)为有功-频率静态特性曲线，(b)为无功-电压静态特性曲线。

图2是现有的PQ控制方法的电源静态输出特性曲线：(a)为有功-频率静态特性曲线，(b)为无功-电压静态特性曲线。

图3是现有的V/f-PQ控制方法的电源静态输出特性曲线：(a)为有功-频率静态特性曲线，(b)为无功-电压静态特性曲线。

图4是本发明的微电源结构示意图。

图5是本发明的V/f-PQ滞环控制模块。

图6是本发明的具有滞回特性的V/f-PQ控制方法的电源静态输出特性曲线：(a)为f滞环控制的静态输出特性曲线，(b)为V滞环控制的静态输出特性曲线。

图7是本发明的微电源的有功-频率静态特性示意图：(a)为电源DG1的有功-频率静态特性示意图，(b)为电源DG2的有功-频率静态特性示意图，(c)为电源DG3的有功-频率静态特性示意图。

图8是本发明的微电源的无功-电压静态特性示意图：(a)为电源DG1的无功-电压静态特性示意图，(b)为电源DG2的无功-电压静态特性示意图，(c)为电源DG3的无功-电压静态特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图4是本发明的微电源结构示意图，具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源，包括信号输入模块、V/f-PQ滞环控制模块、双反馈解耦PWM控制模块、输出驱动模块和VSC主电路；其中，

图5是本发明的V/f-PQ滞环控制模块，所述V/f-PQ滞环控制模块包括f滞环控制模块、V滞环控制模块；其中，

所述最小门槛频率f_min、最大门槛频率f_max设置在49.5Hz～50.5Hz之间。所述最小门槛电压V_min、最大门槛电压V_max设置在用户需要额定电压的90％～110％之间。所述V/f-PQ滞环输控制模块具有滞回响应的控制特性。

为实现微电网组网运行，至少需要一个微电网逆变器作为主控型电源，承担微电网的功率和电压平衡。采用这种具有滞回特性的逆变器电源作为主控电源，可等效增大调节范围。若采用多个这类电源，则每个电源可根据其设置的最大、最小参考频率及其相应输出的有功功率范围自动投入或退出主控模式，且不需要通讯支持。另外，由于引入了滞回输出特性，通过对各个电源逆变器设置不同的门槛值，在负荷功率变化时，各个逆变器电源之间可以按照预先设定的阈值依次切换，减少控制器误动或拒动带来的影响，增大容错能力，更好地维持系统稳定运行。

图6是本发明的具有滞回特性的V/f-PQ控制方法的电源静态输出特性曲线。其数学表达式如下：

其中：t表示当前时刻，t₀为逆变器电源控制发生变换的时刻，Δt表示极小的时间段，x为t的函数，x表示当前时刻的前后极小时间段，t-Δt<x<t+Δt，f_入(t₀-Δt)为逆变器电源控制发生变换前一时间段输入的频率，f_入(t₀+Δt)为逆变器电源控制发生变换后一时间段输入的频率，f_入(x)为逆变器电源当前时刻前后极小时间段内输入的频率，P_出(t)为输出功率。

有功功率P和无功功率Q的极限值则根据逆变器电源的容量选择。门槛值不能设置太接近，否则会误动作；门槛值也不能相差太大，否则会有冲击。

如图6中的(a)为f滞环控制的静态输出特性曲线，例如，逆变器电源初始运行点在区间1上，其为P控制方式，输出恒定的功率P_min；当频率下降直至f_min且仍有下降的趋势，其转为f控制，工作在区间2上，输出恒定的频率f_min；当输出有功功率不断增加直至P_max，仍有继续增加的趋势，其转为P控制方式，工作在区间3上，输出恒定的功率P_max；当输出频率不断增加直至f_max且仍有上升的趋势，其转为f控制，工作在区间4上，输出恒定的频率f_max。控制方式的转换模式包括：从区间1转换到区间2，从区间2转换到区间3，从区间3转换到区间4，从区间4转换到区间1，从区间2转换到区间1，从区间4转换到区间3。图6中的(b)为V滞环控制的静态输出特性曲线。例如，逆变器电源初始运行点在区间5上，其为Q控制方式，输出恒定的功率Q_min；当电压下降直至V_min且仍有下降的趋势，其转为V控制，工作在区间6上，输出恒定的电压V_min；当输出无功功率不断增加直至Q_max，仍有继续增加的趋势，其转为Q控制方式，工作在区间7上，输出恒定的功率Q_max；当输出电压不断增加直至V_max且仍有上升的趋势，其转为V控制，工作在区间8上，输出恒定的电压V_max。控制方式的转换模式包括：从区间5转换到区间6，从区间6转换到区间7，从区间7转换到区间8，从区间8转换到区间5，从区间6转换到区间5，从区间8转换到区间7。

以三个逆变器电源协调控制为实施例，本实施例讨论负荷功率变化时具有滞回输出特性的微电源的工作原理。图7是本发明的微电源的有功-频率静态特性示意图：(a)为电源DG1的有功-频率静态特性示意图，(b)为电源DG2的有功-频率静态特性示意图，(c)为电源DG3的有功-频率静态特性示意图。微电网运行于孤岛模式时，假设系统初始运行时，电源DG2作为主控电源，维持微电网系统的频率为其第二门阀值f_2min恒定不变，此时电源DG1、电源DG3分别运行于A₁、C₁点，采用PQ控制输出有功功率分别为电源DG1最大输出有功功率P_1max和电源DG3最小输出有功功率P_3min，随着负荷需求有功功率的增加，主控电源DG2的输出功率增大，只要负荷需求的有功功率在其可调节的范围内，电源DG2就能保持系统的频率不变，而电源DG1、电源DG3仍运行于A₁、C₁两点，采用PQ方式输出恒定的功率。当电源DG2的输出有功增大直至达到最大值P_2max仍无法满足负荷的需求时，电源DG2将被迫改变其控制方式，自动切换为恒功率控制并维持其输出功率为P_2max不变，此时系统的频率将会下降，当频率降低到电源DG3第二门阈值f_3min时，电源DG3将由PQ控制转换为V/f控制方式，作为新的主控电源维持系统的频率为f_3min不变，并增加其输出有功参与功率的调节，而电源DG1与电源DG2将分别运行于图中的B₁、D₁点输出恒定的有功功率，以使系统达到功率平衡。

若某一时刻，由于负荷需求的减小，此时的主控电源DG3，维持系统的频率为f_3min不变，输出功率减小直到电源DG3的最小值P_3min仍无法满足负荷的需求时，电源DG3将被迫改变其控制方式，自动切换为恒功率控制并维持其输出功率为P_3min不变，此时系统的频率将会上升，当频率上升到电源DG2第一门阈值f_2max时，电源DG2将由PQ控制转换为V/f控制方式，作为新的主控电源维持系统的频率为f_2max不变，并降低其输出有功参与功率的调节，此时电源DG1与电源DG3将分别运行于图7中的E₁、F₁点输出恒定的有功功率，以使系统达到功率平衡。

图8是本发明的微电源的无功-电压静态特性示意图：(a)为电源DG1的无功-电压静态特性示意图，(b)为电源DG2的无功-电压静态特性示意图，(c)为电源DG3的无功-电压静态特性示意图。微电网运行于孤岛模式时，假设系统初始运行时，电源DG2作为主控电源，维持微电网系统的电压为其第二门阀值V_2min恒定不变，此时电源DG1、电源DG3分别运行于A₂、C₂点，采用PQ控制输出无功功率分别为电源DG1最大输出无功功率Q_1max和电源DG3最小输出无功功率Q_3min，随着负荷需求无功功率的增加，主控电源DG2的输出功率增大，只要负荷需求的无功功率在其可调节的范围内，电源DG2就能保持系统的电压不变，而电源DG1、电源DG3仍运行于A₂、C₂两点，采用PQ方式输出恒定的功率。当电源DG2的输出无功增大直至达到最大值Q_2max仍无法满足负荷的需求时，电源DG2将被迫改变其控制方式，自动切换为恒功率控制并维持其输出功率为Q_2max不变，此时系统的电压将会下降，当频率降低到电源DG3第二门阈值Q_3min时，电源DG3将由PQ控制转换为V/f控制方式，作为新的主控电源维持系统的电压为Q_3min不变，并增加其输出无功参与功率的调节，而电源DG1与电源DG2将分别运行于图8中的B₂、D₂点输出恒定的无功功率，以使系统达到功率平衡。

若某一时刻，由于负荷需求的减小，此时的主控电源DG3，维持系统的电压为V_3min不变，输出功率减小直到电源DG3的最小值Q_3min仍无法满足负荷的需求时，电源DG3将被迫改变其控制方式，自动切换为恒功率控制并维持其输出功率为Q_3min不变，此时系统的电压将会上升，当电压上升到电源DG2第一门阈值Q_2max时，电源DG2将由PQ控制转换为V/f控制方式，作为新的主控电源维持系统的电压为Q_2max不变，并降低其输出无功参与功率的调节，此时电源DG1与电源DG3将分别运行于图8中的E₂、F₂点输出恒定的无功功率，以使系统达到功率平衡。

根据本发明的技术方案，微电网与大电网并网运行时，其内部的微电源采用PQ控制方式输出恒定的功率；微电网切换为孤岛模式时，具有滞回输出特性的微电源在系统频率或电压达到其设置的最大或最小参考频率或电压时就会由PQ方式切换为V/f控制方式，作为主控电源来提供电压及频率支撑，当其输出的功率达到最大输出功率时又自动切换为PQ控制方式，而由另外的微电源来稳定电压及频率。由此可以看出，具有这种滞回输出特性的微电源不但可以运行于微网的并网模式下，还可以运行于微网的孤岛模式下，为系统提供稳定的电压幅值及频率，并且使系统具有多个平衡节点，其功率调节范围增大，每个微电源可根据其设置的最大、最小参考频率或电压及其可输出的有功功率或无功功率的范围来投入或退出主控模式，也就是说各微电源工作方式的切换不需要通讯。另外，这种微电源还使得系统具有较好的容错性能，主要表现在负荷功率变化时，各微电源依次切换为主控电源调节自身输出的功率，即使次序出现错误仍会有微电源作为主控电源给系统提供稳定的电压和频率，系统仍能稳定运行。

以上实施案例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源，其特征在于，包括信号输入模块、V/f-PQ滞环控制模块、双反馈解耦PWM控制模块、输出驱动模块和VSC主电路；其中，

VSC主电路，当接收到驱动信号，将外部输入的直流电转换成交流电输出；

其中，所述V/f-PQ滞环控制模块包括f滞环控制模块、V滞环控制模块；其中，

第一滞环触发器单元，根据接收的有功功率P_入进行判断：当P_入<P_min或P_入> P_max，则输出第一触发信号至第一控制单元，当P_max>P_入>P_min，则输出第二触发信号至第一控制单元；

第一控制单元，当接收到第一触发信号时，根据接收的有功功率P_入进行判断：当P_入<P_min，输出有功功率为P_min，当P_入>P_max，输出有功功率为P_max；当接收到第二触发信号时，根据接接收的频率f_入进行判断：当f_入<( f_min+f_max)/2，输出频率为f_min，当f_入>( f_min+f_max)/2，输出频率为f_max；

第二控制单元，当接收到第三触发信号时，根据接收的无功功率Q_入进行判断：当Q_入<Q_min，输出无功功率为Q_min，当Q_入>Q_max，输出无功功率为Q_max；当接收到第四触发信号时，根据接收的电压V_入进行判断：当V_入<(V_min+V_max)/2时，输出第二电压信号为V_min，当V_入>( V_min+V_max)/2时，输出第二电压信号为V_max。

2.根据权利要求1所述的具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源，其特征在于，所述最小门槛频率f_min、最大门槛频率f_max设置在49.5Hz~50.5Hz之间。

3.根据权利要求1所述的具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源，其特征在于，所述最小门槛电压V_min、最大门槛电压V_max设置在用户需要额定电压的90%~110%之间。

4.根据权利要求1所述的具有滞回特性的V/f-PQ型微电网逆变器电源，其特征在于，所述V/f-PQ滞环控制模块具有滞回响应的控制特性。