CN104617597B - 减小逆变器并联运行时电压频率静差的控制方法 - Google Patents

Abstract

减小逆变器并联运行时电压频率静差的控制方法，本发明采用将相角下垂和虚拟阻抗相结合从而同时消除电压和频率静差的方法；为每台逆变器引入虚拟阻抗使负荷为平均功率因数时的电压降落纵分量为零，从而减小逆变器电压静差；等等。本发明的有益效果是，可以在不依赖逆变器之间通信的情况下，实现有功和无功负荷的按容量比例分担，大幅减小逆变器的电压和频率静差。

Description

减小逆变器并联运行时电压频率静差的控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器并联运行的一种控制方法，具体涉及一种利用相角下垂消除频率静差，依据负荷平均功率因数选择虚拟阻抗角，以消除电压降落的纵分量从而大幅减小电压静差的控制方法。

背景技术

在UPS并联冗余系统中存在多台并联运行的逆变器，逆变器并联运行控制算法在上述领域具有重要应用前景，逆变器并联运行的理想目标是：各逆变器按照其容量的比例承担有功和无功负荷，电压和频率静差为零。

下垂控制是一种重要的逆变器并联运行控制算法，它无需通信，但下垂控制存在电压和频率静差，且不能实现有功和无功负荷的按比例分担；下垂控制和虚拟阻抗相结合可以取得更好效果，解决有功和无功负荷的按比例分担问题，但仍然无法解决电压和频率静差问题。

针对上述问题，本发明将下垂控制、虚拟阻抗和功率坐标变换相结合，得到一种逆变器并联运行控制算法，它可以实现有功和无功负荷的按比例分担并且减小电压和频率静差。

发明内容

本发明针对的技术问题是：实现逆变器并联运行时的有功和无功按逆变器容量比例分担并同时减小逆变器电压和频率静差。

减小逆变器并联运行时电压频率静差的控制方法，本发明特征是，包括：

(1)采用将相角下垂和虚拟阻抗相结合从而同时消除电压和频率静差的方法；

(2)为每台逆变器引入虚拟阻抗其中R_d指虚拟电阻，X_d指虚拟电纳，选择虚拟阻抗，使其满足虚拟阻抗角的正切值和负荷功率因数角的正切值互为相反数，从而使虚拟阻抗导致的电压降落的纵分量为零，从而减小逆变器电压静差；

(3)利用虚拟阻抗对逆变器有功P和无功Q进行线性组合，得到广义有功对广义有功P_d实行相角下垂控制,按照逆变器容量的反比选取下垂系数，并按照逆变器容量的反比选择虚拟阻抗的模，从而实现有功负荷和无功负荷的按比例分担。

本发明的有益效果是，可以在不依赖逆变器之间通信的情况下，实现有功和无功负荷的按容量比例分担，大幅减小逆变器的电压和频率静差。

附图说明

图1为逆变器功率传输示意图；

图2为电压降落示意图；

图3为仿真模型图；

图4为本发明有功及无功分配结果图；

图5为本发明逆变器频率输出结果图；

图6本发明功率因数波动时逆变器输出电压变化图。

具体实施方式

减小逆变器并联运行时电压频率静差的控制方法，本发明特征是，包括：

(1)采用将相角下垂和虚拟阻抗相结合从而同时消除电压和频率静差的方法；

(2)为每台逆变器引入虚拟阻抗其中R_d指虚拟电阻，X_d指虚拟电纳，选择虚拟阻抗，使其满足虚拟阻抗角的正切值和负荷功率因数角的正切值互为相反数，从而使虚拟阻抗导致的电压降落的纵分量为零，从而减小逆变器电压静差；

(3)利用虚拟阻抗对逆变器有功P和无功Q进行线性组合，得到广义有功对广义有功P_d实行相角下垂控制,按照逆变器容量的反比选取下垂系数，并按照逆变器容量的反比选择虚拟阻抗的模，从而实现有功负荷和无功负荷的按比例分担。

本发明逆变器并联运行时的功率传输特性如图1所示，M是逆变器并联点，N是公共母线。E₁∠δ为逆变器输出电压，E₂∠0为母线电压，R+jX为线路阻抗，P是逆变器注入的有功，Q是逆变器注入的无功，记所有逆变器的总有功及无功负荷分别为P_L及Q_L。

引入虚拟阻抗为R_d指虚拟电阻，X_d指虚拟电纳，利用X_d，R_d对P，Q进行变换，可得得到广义有功P_d以及广义无功Q_d，如式(1)，(2)所示

$P_d=\frac{{\mathrm{PX}}_d-{\mathrm{QR}}_d}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}\≈\frac{E_1{E}_{2}sin\mathrm{\δ}}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}---\left(1\right)$

$Q_d=\frac{{\mathrm{PR}}_d+{\mathrm{QX}}_d}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}=\frac{E_1(E_1-E_{2}cos\mathrm{\δ})}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}---\left(2\right)$

(1)电压静差的减小

电压静差为逆变器达到稳态后的电压幅值和额定电压幅值之差，加入虚拟阻抗后会增加电压降，且虚拟阻抗越大，电压降落越大，最终会恶化逆变器输出电压质量。根据电路理论，虚拟阻抗导致的电压降如式(3)所示。

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}U=\frac{{\mathrm{PR}}_d+{\mathrm{QX}}_d}{U_2}\\ \mathrm{\δ}U=\frac{{\mathrm{PX}}_d-{\mathrm{QR}}_d}{U_2}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

上式中ΔU是电压降落纵分量，δU是电压降落横分量，如图2所示，U₂表示加入虚拟阻抗后逆变器输出电压，E表示不考虑虚拟阻抗时逆变器的输出电压。

电压降落以纵分量ΔU为主，由于R_d和X_d是人为设定，可以考虑通过合理选择R_d和X_d使ΔU趋于零，进而使稳态电压偏差趋于零，即R_d和X_d满足式(4)：

$\frac{P}{Q}=\frac{-X_d}{R_d}=tan\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}---\left(4\right)$

(2)频率静差的消除

频率静差指逆变器达到稳态后频率值和额定频率之差，将式(4)代入式(1)得：

$P_d=P\sqrt{1+{\left(\frac{R_d}{X_d}\right)}^2}---\left(5\right)$

根据相角下垂的基本思想，对于每台逆变器采用式(6)所示的方法获得电压相角。

δ＝δ^*-mP_d (6)

采用相角下垂即可直接消除稳态频率偏差。

(3)有功无功负荷按比例分担的实现

根据电路理论可得引入虚拟阻抗后，对于逆变器1和逆变器2，二者的负荷分配如式(7)所示

$\frac{P_{d1}}{P_{d2}}\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_{G2}+m_2}{{\mathrm{\λ}}_{G1}+m_1}---\left(7\right)$

其中，Z_d1和Z_d2分别为逆变器1及逆变器2的虚拟阻抗向量的模,m₁和m₂分别为逆变器1和逆变器2对应的相角下垂系数。

由式(7)可知，只要按照额定容量的反比选择虚拟阻抗以及相角下垂系数m的大小，即可实现广义有功的按比例分担。

由式(2)可知，如果按照额定容量的反比选择虚拟阻抗大小，则广义无功Q_d也可以实现按比例分担。

由于我们的最终目的是控制逆变器P，Q的分担比例，因此需要根据P,Q与P_d，Q_d的关系，来判断P_d，Q_d的按比例分担是否能确保P,Q的按比例分担。

对式(1)、(2)进行逆变换可得(8)，(9)。

P＝P_dsinθ+Q_dcosθ (8)

Q＝Q_dsinθ-P_dcosθ (9)

式(8)和式(9)中，

根据式(8)，(9)，任意两个编号为i，j逆变器的P,Q之比如式(10)和(11)所示。

$\frac{P_i}{P_j}=\frac{P_{di}sin\mathrm{\θ}+Q_{di}cos\mathrm{\θ}}{P_{dj}sin\mathrm{\θ}+Q_{dj}cos\mathrm{\θ}}---\left(10\right)$

$\frac{Q_i}{Q_j}=\frac{Q_{di}sin\mathrm{\θ}-P_{di}cos\mathrm{\θ}}{Q_{dj}sin\mathrm{\θ}-P_{dj}cos\mathrm{\θ}}---\left(11\right)$

已知虚拟功率满足式(12)

$\frac{P_{di}}{P_{dj}}=\frac{Q_{di}}{Q_{dj}}=\frac{S_i}{S_j}---\left(12\right)$

则：

$\frac{P_{di}sin\mathrm{\θ}}{P_{dj}sin\mathrm{\θ}}=\frac{Q_{di}cos\mathrm{\θ}}{Q_{dj}cos\mathrm{\θ}}=\frac{S_i}{S_j}---\left(13\right)$

由(8)，(9)和(13)并根据等比定理可得式(15)

$\frac{P_i}{P_j}=\frac{Q_i}{Q_j}=\frac{S_i}{S_j}---\left(15\right)$

由此可见，控制P_d，Q_d按比例分担自然可以实现P,Q的按比例分担。

综上所述，本发明控制算法的基本流程如下：

①确定负荷的平均功率因数角为每台逆变器引入虚拟阻抗并使 的模和逆变器的额定容量成反比；

②采用相角下垂控制，即用式(6)计算逆变器的相角，相角下垂系数m按照逆变器额定容量的反比选取。

③对于每台逆变器，选择相同的电压峰值E(如：对于相电压220V的三相三线逆变器，)，按照式(16)计算逆变器ABC三相的参考电压v_ref(a)，v_ref(b)，v_ref(c)

$\left.\begin{array}{c}{v}_{ref\left(a\right)}=E\sin (\mathrm{\ω}t+\mathrm{\δ})-R_d{i}_{\left(a\right)}-\·\frac{\∫i_{\left(a\right)}dt}{C_d}\\ v_{ref\left(b\right)}=E\sin (\mathrm{\ω}t+\mathrm{\δ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})-R_d{i}_{\left(b\right)}-\·\frac{\∫i_{\left(b\right)}dt}{C_d}\\ v_{ref\left(c\right)}=E\sin (\mathrm{\ω}t+\mathrm{\δ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})-R_d{i}_{\left(c\right)}-\frac{\∫i_{\left(c\right)}dt}{C_d}\end{array}\right\}---\left(16\right)$

式(16)中，ω为工频角频率，为虚拟电纳对应的电容，i_(a),i_(b)，i_(c)为逆变器三相输出电流。如果逆变器是单相的，则只需按上述方法计算单相指令电压。

④控制逆变器跟踪其指令电压v_ref(a)，v_ref(b)，v_ref(c)。

本发明的应用效果可通过仿真说明，仿真模型如图3所示Z_L1＝Z_L2＝0.1+0.1j，带线性负荷Z_LD1＝Z_LD2＝25+j12.5(电抗为工频值)，逆变器1和逆变器2的容量之比为1:2。

在仿真中，两个逆变器的电压电流环控制参数相同，即：直流侧电压800V，滤波电感0.6mH，滤波电容1500μF,滤波电容的等效电阻为0.01Ω，电压外环采用比例积分控制，的比例积分系数分别为10和100；电流内环采用比例控制，比例系数为5。逆变器1的虚拟阻抗选为2-4j，逆变器2的虚拟阻抗选为1-2j。

图4中上下两幅图分别是本发明控制方法有功和无功负荷的分担结果，P,Q基本是按照1:2的比例分担的，因此本发明控制方法可以同时实现P，Q的按比例分担。

图5是本发明逆变器输出频率，由图可知逆变器频率静差为0，只是在负荷变化过程中有轻微变化。

实际中，负荷功率因数会波动，需要研究功率因数波动情况下逆变器输出电压变化。现按负荷平均功率因数为0.8944设置控制参数，图6是功率因数波动时逆变器输出电压的仿真结果，图6中由上至下分别代表功率因数0.9278,0.8944和0.8467时逆变器输出电压的变化，由图可知功率因数波动时逆变器输出电压变化很小，静差很小，本发明方法仍然可以取得较好效果。

综上所述，本发明是有效的。

Claims (1)

1.减小逆变器并联运行时电压频率静差的控制方法，其特征是，包括：

(1)采用将相角下垂和虚拟阻抗相结合从而同时消除电压和频率静差的方法；

(2)为每台逆变器引入虚拟阻抗其中R_d指虚拟电阻，X_d指虚拟电纳，选择虚拟阻抗，使其满足虚拟阻抗角的正切值和负荷功率因数角的正切值互为相反数，从而使虚拟阻抗导致的电压降落的纵分量为零，从而减小逆变器电压静差；

(3)利用虚拟阻抗对逆变器有功P和无功Q进行线性组合，得到广义有功对广义有功P_d实行相角下垂控制,按照逆变器容量的反比选取下垂系数，并按照逆变器容量的反比选择虚拟阻抗的模，从而实现有功负荷和无功负荷的按比例分担。