CN104901334A - 一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法 - Google Patents

一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法,属于微网中并联逆变器的协调控制领域,该方法中逆变器通过实时监测系统频率和电压幅值,当频率或电压的偏差较大时,逆变器根据监测到的频率和电压信息,在线估算出负载的功率需求和自身需要承担的负载功率,然后计算出新的下垂特性。据此,逆变器自动调整本身的下垂特性偏置,从而可以改变自身的输出功率,帮助恢复系统频率和电压幅值,有效消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏差。本发明方法不依赖逆变器间的通讯,在实现对频率和电压幅值的精确控制的同时,还可以实现负载功率在逆变器之间得到与其容量成正比的均分,为工程应用提供了很好的参考价值。

Description

一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法
技术领域
本发明属于微网中并联逆变器的协调控制领域,具体涉及一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法。
背景技术
随着环境和能源危机的日益加深,微网的概念得到了越来越多的关注和应用。微网是结合了分布式电源和互联负载的能源系统。大多数情况下,微网通过电力电子接口,例如逆变器,与母线相连接。因此,并联逆变器间的协调控制是微网可以稳定高效运行的关键因素之一。
由于分布式电源地理位置上的分散性,在并联电源之间利用通讯线来传递信号往往并不是一个好的办法,因为这会增加成本并且线路上的噪音也会干扰通讯质量。在这种情况下,下垂控制的应用可以在不使用通讯线前提下实现并联电源间功率的均分。
然而,下垂控制也会带来一些缺陷,例如功率控制间的耦合导致的不稳定性、无功功率的均分特性差以及频率和电压幅值的偏差。其中,频率和电压幅值的偏差是由下垂控制在功率均分和电压调整率间固有的折中问题引起的。为了解决这个问题,二次控制被广泛的应用。不少研究都致力于利用二次控制来消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏差。
有文献提出利用中央控制器为并联逆变器同步地发送频率和电压的补偿指令的方法。这种方法虽然可以有效消除频率和电压幅值的偏差,但是中央控制器一旦故障,整个系统将无法运行,其可靠性不高。还有文献提出利用分布式控制器代替中央控制器从而提高系统可靠性的方法。然而,并联逆变器控制器参数的不同会导致逆变器的稳定工作点不同,进而影响功率均分特性;并且,通讯线的应用限制了逆变器地理位置上的分布性,增加了成本,降低了抗干扰性。因此,一种无互联线的二次控制策略将更具有竞争力。有文献提出可控下垂定位方法,该方法可以根据负载功率自动调整主逆变器的下垂偏置,使主逆变器承担负载功率的变化,从而实现频率和电压幅值的恢复。然而,该方法对主逆变器的功率容量要求很高,在工程实际应用中受限。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法,该方法能够实现负载功率在逆变器之间得到与其容量成正比的均分,从而实现对频率和电压幅值的精确控制。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法,包括以下步骤:
1)在一个高电压或中电压交流微网中,系统包括N台并联的逆变器,选定一台作为主逆变器,其余的N-1台作为从逆变器;
从逆变器控制器内的锁相环能够对系统当前频率和电压幅值进行实时监测,判断系统当前频率ωc和当前电压幅值Ec是否在下式所示的额定工作范围内:
ωc∈[ωLH],Ec∈[EL,EH];
2)当从逆变器监测到系统的当前频率ωc低于下限阈值ωL或高于上限阈值ωH时,频率的二次控制被触发;当从逆变器监测到当前的电压幅值Ec低于下限阈值EL或高于上限阈值EH时,电压幅值的二次控制被触发;
3)当频率或电压幅值的二次控制触发后,从逆变器进入延时等待Td1的不动作阶段,然后估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值;
4)从逆变器进入延时等待Td2的不动作阶段,然后从逆变器停止对系统当前频率和电压幅值的实时监测;
5)从逆变器的控制器修改本身的下垂特性偏置值,使从逆变器输出的功率开始改变,将步骤3)估算获得的从逆变器的下垂特性新偏置值存入每台从逆变器的控制器中为下一轮二次调节调用;
6)从逆变器进入延时等待Td3的不动作阶段,直至系统达到稳态,从逆变器重新开启对当前系统频率和电压幅值的实时监测,并重新判断当前频率和电压幅值是否分别稳定在步骤1)所述的额定工作范围内。
在一个高电压或中电压交流微网中,传输线的阻抗呈感性,在逆变器输出电压E∠φ和公共连接点电压UL∠0之间传输的有功功率P和无功功率Q定义如下式:
P ≈ EU L φ Z ;
Q ≈ E ( E - U L ) Z ;
其中,E和UL分别是逆变器输出电压和公共连接点电压,φ是两电压E和UL的相位差,Z是传输线的阻抗值。
步骤1)中利用下垂控制将主逆变器控制为电压源,具体控制式如下:
ω*=ω0-kp(P-P0);
E*=E0-kq(Q-Q0);
其中,ω*和E*分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令,P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率;P0和Q0分别是在频率ω0和电压E0下逆变器输出的有功功率和无功功率;kp和kq定义为正,是下垂控制线的斜率;
利用下垂控制将从逆变器控制为电流源,控制式如下:
P n * = - k p n ′ ( ω - ω 0 ′ ) ;
Q n * = - k q n ′ ( E - E 0 ′ ) ;
其中,是第n台从逆变器的输出功率指令值,ω和E分别是逆变器控制器监测到的当前系统频率和电压幅值,ω′0和E′0分别是当从逆变器输出功率为零时所对应的系统频率和电压幅值,k′pn和k′qn定义为正,是第n台从逆变器的下垂线斜率,n=1,2,…,N-1。
步骤3)中估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值,具体包括如下步骤:
(1)按下列公式计算第n台从逆变器当前输出的有功功率和无功功率;
Pc=P0+(ω0c)/kp
Qc=Q0+(E0-Ec)/kq
Pcn=-k′pnc-ω′0)
Qcn=-k′qn(Ec-E′0)
其中,ωc和Ec分别为监测到的当前频率和当前电压幅值,Pc和Qc分别为主逆变器当前输出的有功功率和无功功率,Pcn和Qcn分别为第n台从逆变器当前输出的有功功率和无功功率;
(2)从逆变器的控制器按下式计算出负载所需的总有功功率Pt和总无功功率Qt
Pt=Pc+Pc1+Pc2+…+Pc(N-1)
Qt=Qc+Qc1+Qc2+…+Qc(N-1)
(3)从逆变器按下式计算出经过二次调节后主逆变器输出的有功功率Pr和无功功率Qr,即在额定频率ωr下的输出有功功率和额定电压幅值Er下的输出无功功率:
Pr=P0+(ω0r)/kp
Qr=Q0+(E0-Er)/kq
(4)第n台从逆变器在二次调节中承担的负载有功功率Pdn和无功功率Qdn由每台从逆变器计算获得,如下式所示:
P d n = k p n ′ k p 1 ′ + k p 2 ′ + ... + k p ( N - 1 ) ′ · ( P t - P r ) ;
Q d n = k q n ′ k q 1 ′ + k q 2 ′ + ... + k q ( N - 1 ) ′ · ( Q t - Q r ) ;
(5)第n台从逆变器的下垂特性的新偏置值由每台从逆变器计算获得,如下式所示:
P n * = - k p n ′ [ ω - ( ω r + P d n k p n ′ ) ] ;
Q n * = - k q n ′ [ E - ( E r + Q d n k q n ′ ) ] ;
其中,ωr+Pdn/k′pn和Er+Qdn/k′qn为新的从逆变器下垂特性偏置值。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明公开的微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法旨在解决下垂控制逆变器在功率均分和电压调整率之间的折中问题。该方法中逆变器通过实时监测系统频率和电压幅值,当频率或电压的偏差较大时,逆变器根据监测到的频率和电压信息,在线估算出负载的功率需求和自身需要承担的负载功率,然后计算出新的下垂特性。据此,逆变器自动调整本身的下垂特性偏置,从而可以改变自身的输出功率,帮助恢复系统频率和电压幅值,有效消除下垂控制带来的频率和电压幅值的偏差。本发明方法不依赖逆变器间的通讯,在实现对频率和电压幅值的精确控制的同时,还可以实现负载功率在逆变器之间得到与其容量成正比的均分,为工程应用提供了很好的参考价值。
附图说明
图1为本发明所提供的二次控制方法的流程图;
图2为本发明所提供的新型二次控制中的下垂特性曲线变化图;
其中,(a)为负载变化前主从逆变器的下垂特性曲线和稳态工作点;(b)为负载变化后但二次控制尚未开启时的主从逆变器下垂特性曲线和稳态工作点;(c)为二次控制开启后主从逆变器的下垂特性曲线和稳态工作点;
图3为单台逆变器的等效化简电路图;
图4为微网中并联逆变器系统的拓扑结构;
图5为有功负载增加导致二次控制开启的有功功率和频率的仿真波形图;其中,(a)为主从逆变器输出有功功率的波形图;(b)为系统频率的波形图;
图6为无功负载增加导致二次控制开启的无功功率和电压幅值的仿真波形图;其中,(a)为主从逆变器输出无功功率的波形图;(b)为电压幅值的波形图。
图7为有功负载增加导致二次控制开启的有功功率和频率的实验波形图;其中,(a)为主从逆变器输出有功功率的波形图;(b)为系统频率的波形图;
图8为无功负载增加导致二次控制开启的无功功率和电压幅值的实验波形图;其中,(a)为主从逆变器输出无功功率的波形图;(b)为电压幅值的波形图。
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。
本发明提供了一种旨在消除微网中下垂控制逆变器的频率和电压幅值偏差的新型二次控制方法,参照图1和图2,图2以有功负载增加为例展示系统调节过程,负载变化前主从逆变器的稳态工作点如图2(a)所示;当有功负载增加时,系统频率降低,二次控制启动前主从逆变器的工作状态如图2(b)所示;当二次控制开启后,从逆变器输出有功功率增加,系统频率恢复至额定值,主从逆变器的稳态工作点如图2(c)所示。
其具体实现步骤如下:
1)在一个高电压或者中电压交流微网中,传输线的阻抗呈感性,那么在逆变器输出电压E∠φ和公共连接点(PCC)电压UL∠0之间传输的有功功率和无功功率就可以用下列公式来定义:
P ≈ EU L φ Z
Q ≈ E ( E - U L ) Z
其中,E和UL分别是逆变器输出电压和公共连接点(PCC)电压。φ是
两电压E和UL的相位差。Z是传输线的阻抗值。参见图3。
2)在一个N台逆变器并联的系统中,参见图4,选定一台作为主逆变器,利用下垂控制将其控制为电压源。其频率和电压指令值由下列公式计算产生:
ω*=ω0-kp(P-P0);
E*=E0-kq(Q-Q0);
其中,ω*和E*分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令。P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率。P0和Q0分别是在频率ω0和电压E0下逆变器输出的有功功率和无功功率。kp和kq(定义为正)是下垂控制线的斜率。
3)将系统中其余N-1台逆变器作为从逆变器,利用下垂控制将其控制为电流源,其输出功率参考值由下列公式计算产生:
P n * = - k p n ′ ( ω - ω 0 ′ ) ;
Q n * = - k q n ′ ( E - E 0 ′ ) ;
其中,是第n台从逆变器的输出功率指令值,ω′0和E′0分别是当从逆变器输出功率为零时所对应的系统频率和电压幅值,k′pn和k′qn(定义为正)是第n台从逆变器的下垂线斜率,n=1,2,…,N-1。
4)丛逆变器的下垂线斜率根据以下等式来设计:
k′p1:k′p2:…:k′p(N-1)=Pr1:Pr2:…:Pr(N-1)
k′q1:k′q2:…:k′q(N-1)=Qr1:Qr2:…:Qr(N-1)
其中,Prn和Qrn分别是第n台逆变器的有功功率和无功功率的容量。
5)从逆变器控制器内的锁相环可以实现实时监测系统频率和电压幅值的功能,从逆变器实时判断系统频率和电压幅值是否在下式所示的额定工作范围内:
ω∈[ωLH],E∈[EL,EH]
6)判断二次控制开启与否的条件:
当从逆变器监测到系统的当前频率ωc低于下限阈值ωL或高于上限阈值ωH时,频率的二次控制将被触发;
当从逆变器监测到当前的电压幅值Ec低于下限阈值EL或高于上限阈值EH时,电压幅值的二次控制将被触发。
7)当步骤6中开启二次控制的条件满足时,为了确保系统达到稳态,从逆变器将进入为时Td1的不动作阶段,随后进入下一步。
8)主从逆变器当前的下垂特性都存储在每台从逆变器的控制器中,因此,根据监测到的当前频率ωc和电压幅值Ec,每台从逆变器都可以根据步骤2)中的算式计算出主逆变器当前输出的有功功率Pc和无功功率Qc,根据步骤3)中算式计算出第n台从逆变器当前输出的有功功率Pcn和无功功率Qcn
9)根据步骤8)中的计算结果,从逆变器的控制器可以进一步计算出负载所需的总有功功率Pt和总无功功率Qt,如下式所示:
Pt=Pc+Pc1+Pc2+…+Pc(N-1)
Qt=Qc+Qc1+Qc2+…+Qc(N-1)
10)由于二次调节旨在将系统频率和电压幅值恢复至额定值ωr和Er,因此从逆变器可以根据步骤2)中算式计算出经过二次调节后主逆变器应该输出的有功功率Pr和无功功率Qr,即在频率ωr下的输出有功功率和电压幅值Er下的输出无功功率。
11)根据步骤4)中的设计规则和步骤9)、10)中的计算结果,第n台从逆变器在二次调节中需要承担的负载有功功率Pdn和无功功率Qdn可以由每台从逆变器计算获得,如下式所示:
P d n = k p n ′ k p 1 ′ + k p 2 ′ + ... + k p ( N - 1 ) ′ · ( P t - P r )
Q d n = k q n ′ k q 1 ′ + k q 2 ′ + ... + k q ( N - 1 ) ′ · ( Q t - Q r )
12)根据步骤3)中的算式和步骤11)中的计算结果,第n台从逆变器的下垂特性的新偏置值可以由每台从逆变器计算获得,如下式所示:
P n * = - k p n ′ [ ω - ( ω r + P d n k p n ′ ) ]
Q n * = - k q n ′ [ E - ( E r + Q d n k q n ′ ) ]
13)为了弥补各从逆变器的传感器速度上的差异,从逆变器将进入为时Td2的不动作阶段,随后进入下一步。
14)暂时关闭从逆变器对系统频率和电压幅值的监测功能。从逆变器的控制器修改本身的下垂特性偏置,使从逆变器输出的功率开始改变。
15)步骤12)中ωr+Pdn/k′pn和Er+Qdn/k′qn分别作为新的ω′0和E′0被存入每台从逆变器的控制器中,为下一轮的二次调节所用。
16)为了确保系统达到稳态,从逆变器将进入为时Td3的不动作阶段,随后进入下一步。
17)从逆变器重新开启监测系统频率和电压幅值的功能并重新判断频率和电压是否分别稳定在额定值ωr和Er
具体的,本发明的仿真模型由一台主逆变器和两台丛逆变器并联构成的系统组成。参见图5、6给出了采用本发明所描述的二次控制方法的仿真波形,分别为消除有功负载增加导致的频率跌落和消除无功负载增加导致的电压幅值跌落。图5中,(a)为主从逆变器输出有功功率的波形图;(b)为系统频率的波形图;图6中,(a)为主从逆变器输出无功功率的波形图;(b)为电压幅值的波形图。第3秒时负载增加,第5秒时二次控制开启。从仿真波形中可以看出,有功负载和无功负载的增加分别会导致系统频率和电压幅值的跌落,当二次控制开启后,频率和电压能恢复至额定值,从逆变器将代替主逆变器承担绝大部分的功率。仿真证明了该二次控制方法可以有效的消除频率和电压幅值的偏差,且实现负载功率的增量在丛逆变器间的均分。
实验平台由三台相同型号的逆变器(MWINV-9R144)并联构成,其中一台作为主逆变器,另外两台作为丛逆变器。参见图7、8给出了采用本发明所描述的二次控制方法的实验波形,分别为消除有功负载增加导致的频率跌落和消除无功负载增加导致的电压幅值跌落。图7中,(a)为主从逆变器输出有功功率的波形图;(b)为系统频率的波形图;图8中,(a)为主从逆变器输出无功功率的波形图;(b)为电压幅值的波形图。图7所示实验中,第25秒时负载增加,第35秒时二次控制开启;图8所示实验中,第20秒时负载增加,第30秒时二次控制开启。从实验波形中可以看出,有功负载和无功负载的增加分别会导致系统频率和电压幅值的跌落,当二次控制开启后,频率和电压能恢复至额定值,从逆变器将代替主逆变器承担绝大部分的功率。实验证明了该二次控制方法可以有效的消除频率和电压幅值的偏差,且实现负载功率的增量在丛逆变器间的均分。
本发明中给出一种基于在线负载估算的微网二次控制方法。为了验证控制方法的可行性,作者在仿真软件PSCAD中搭建了一台主逆变器和两台丛逆变器并联的仿真模型,并利用三台MWINV-9R144逆变器构建了实验平台进行硬件验证。仿真和实验结果都证明了该控制方法可以有效的消除下垂控制导致的频率和电压幅值的偏差,并实现负载功率的增量在丛逆变器间的均分。该方法正确、可靠,为工程应用提供了很好的参考价值。

Claims (4)

1.一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)在一个高电压或中电压交流微网中,系统包括N台并联的逆变器,选定一台作为主逆变器,其余的N-1台作为从逆变器;
从逆变器控制器内的锁相环能够对系统当前频率和电压幅值进行实时监测,判断系统当前频率ωc和当前电压幅值Ec是否在下式所示的额定工作范围内:
ωc∈[ωLH],Ec∈[EL,EH];
2)当从逆变器监测到系统的当前频率ωc低于下限阈值ωL或高于上限阈值ωH时,频率的二次控制被触发;当从逆变器监测到当前的电压幅值Ec低于下限阈值EL或高于上限阈值EH时,电压幅值的二次控制被触发;
3)当频率或电压幅值的二次控制触发后,从逆变器进入延时等待Td1的不动作阶段,然后估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值;
4)从逆变器进入延时等待Td2的不动作阶段,然后从逆变器停止对系统当前频率和电压幅值的实时监测;
5)从逆变器的控制器修改本身的下垂特性偏置值,使从逆变器输出的功率开始改变,将步骤3)估算获得的从逆变器的下垂特性新偏置值存入每台从逆变器的控制器中为下一轮二次调节调用;
6)从逆变器进入延时等待Td3的不动作阶段,直至系统达到稳态,从逆变器重新开启对当前系统频率和电压幅值的实时监测,并重新判断当前频率和电压幅值是否分别稳定在步骤1)所述的额定工作范围内。
2.根据权利要求1所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法,其特征在于,传输线的阻抗呈感性,在逆变器输出电压E∠φ和公共连接点电压UL∠0之间传输的有功功率P和无功功率Q定义如下式:
P ≈ EU L φ Z ;
Q ≈ E ( E - U L ) Z ;
其中,E和UL分别是逆变器输出电压和公共连接点电压,φ是两电压E和UL的相位差,Z是传输线的阻抗值。
3.根据权利要求2所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法,其特征在于,步骤1)中利用下垂控制将主逆变器控制为电压源,具体控制式如下:
ω*=ω0-kp(P-P0);
E*=E0-kq(Q-Q0);
其中,ω*和E*分别是下垂控制环节生成的频率和电压的控制指令,P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率;P0和Q0分别是在频率ω0和电压E0下逆变器输出的有功功率和无功功率;kp和kq定义为正,是下垂控制线的斜率;
利用下垂控制将从逆变器控制为电流源,控制式如下:
P n * = - k p n ′ ( ω - ω 0 ′ ) ;
Q n * = - k q n ′ ( E - E 0 ′ ) ;
其中,是第n台从逆变器的输出功率指令值,ω和E分别是逆变器控制器监测到的当前系统频率和电压幅值,ω′0和E′0分别是当从逆变器输出功率为零时所对应的系统频率和电压幅值,k′pn和k′qn定义为正,是第n台从逆变器的下垂线斜率,n=1,2,…,N-1。
4.根据权利要求3所述的一种微网中并联逆变器的无互联线二次控制方法,其特征在于,步骤3)中估算系统的负载功率和从逆变器的下垂特性新偏置值,具体包括如下步骤:
(1)按下列公式计算第n台从逆变器当前输出的有功功率和无功功率;
Pc=P0+(ω0c)/kp
Qc=Q0+(E0-Ec)/kq
Pcn=-k′pnc-ω′0)
Qcn=-k′qn(Ec-E′0)
其中,ωc和Ec分别为监测到的当前频率和当前电压幅值,Pc和Qc分别为主逆变器当前输出的有功功率和无功功率,Pcn和Qcn分别为第n台从逆变器当前输出的有功功率和无功功率;
(2)从逆变器的控制器按下式计算出负载所需的总有功功率Pt和总无功功率Qt
Pt=Pc+Pc1+Pc2+…+Pc(N-1)
Qt=Qc+Qc1+Qc2+…+Qc(N-1)
(3)从逆变器按下式计算出经过二次调节后主逆变器输出的有功功率Pr和无功功率Qr,即在额定频率ωr下的输出有功功率和额定电压幅值Er下的输出无功功率:
Pr=P0+(ω0r)/kp
Qr=Q0+(E0-Er)/kq
(4)第n台从逆变器在二次调节中承担的负载有功功率Pdn和无功功率Qdn由每台从逆变器计算获得,如下式所示:
P d n = k p n ′ k p 1 ′ + k p 2 ′ + ... + k p ( N - 1 ) ′ · ( P t - P r ) ;
Q d n = k q n ′ k q 1 ′ + k q 2 ′ + ... + k q ( N - 1 ) ′ · ( Q t - Q r ) ;
(5)第n台从逆变器的下垂特性的新偏置值由每台从逆变器计算获得,如下式所示:
P n * = - k p n ′ [ ω - ( ω r + P d n k p n ′ ) ] ;
Q n * = - k q n ′ [ E - ( E r + Q d n k q n ′ ) ] ;
其中,ωr+Pdn/k′pn和Er+Qdn/k′qn为新的从逆变器下垂特性偏置值。
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