CN104980055A - 采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法 - Google Patents

Abstract

采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法，本发明的特征是，根据负荷平均功率因素选取虚拟阻抗；选择虚拟阻抗角，使之和负荷平均功率因数角相等；根据虚拟阻抗角对逆变器有功和无功负荷进行坐标变换，得到广义有功P_d和广义无功Q_d；对广义有功实行下垂控制P_d-f,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。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，确保动态过程中的频率偏差极小，基本消除稳态频率偏差。

Description

采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器并联运行的一种控制方法，具体涉及一种利用功率坐标变换实现逆变器有功无功负荷按比例分担以及稳态频率无差调节的控制方法。

背景技术

在UPS并联冗余系统或者微电网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，电压和频率偏差为零。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，但下垂控制存在稳态频率偏差，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，但仍然无法解决稳态频率偏差问题。

鉴于上述原因，有必要研究一种逆变器并联运行控制算法，可以实现有功和无功负荷的按比例分担，并且解决稳态频率偏差问题。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基本消除稳态频率偏差。

发明内容

本发明针对的技术问题是：同时解决逆变器并联运行时的有功和无功按逆变器容量比例分担以及稳态频率偏差问题。

本发明是通过如下技术方案来实现的。采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法，本发明的特征是，根据负荷平均功率因素选取虚拟阻抗；选择虚拟阻抗角，使之和负荷平均功率因数角相等；根据虚拟阻抗角对逆变器有功和无功负荷进行坐标变换，得到广义有功P_d和广义无功Q_d；对广义有功实行下垂控制P_d-f,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。

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，确保动态过程中的频率偏差极小，基本消除稳态频率偏差。

附图说明

图1为逆变器功率传输示意图；

图2为逆变器并联运行仿真模型；

图3负荷功率因素为0.9487时的仿真结果；

图4为负荷功率因素波动时本发明的仿真结果。

具体实施方式

采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法，本发明的特征是，根据负荷平均功率因素选取虚拟阻抗；选择虚拟阻抗角，使之和负荷平均功率因数角相等；根据虚拟阻抗角对逆变器有功和无功负荷进行坐标变换，得到广义有功P_d和广义无功Q_d；对广义有功实行下垂控制P_d-f,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。

本发明具体为：

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。

引入虚拟电阻和虚拟电抗非别为R_d和X_d，使利用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

$P_d=\frac{{\mathrm{PX}}_d-{\mathrm{QR}}_d}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}\≈\frac{E_1{E}_2\sin \mathrm{\δ}}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}---\left(1\right)$

$Q_d=\frac{{\mathrm{PR}}_d+{\mathrm{QX}}_d}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}=\frac{E_1(E_1-E_2\cos \mathrm{\δ})}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}---\left(2\right)$

进一步分析可知：广义有功P_d由频率决定，即可以对P_d实行下垂控制，如式(3)所示

$f=f^{*}-m(P_d-P_d^{*})---\left(3\right)$

分别为额定广义有功及广义无功，可由逆变器的额定有功及额定无功经坐标变换得到。

本发明的基本思路是采用P_d-f下垂控制广义有功，通过虚拟阻抗调节广义无功，并最终达到两个目标：(1)实现P,Q的按比例分担；(2)减小稳态频率偏差。

假设对于编号i,j且额定容量分别为S_i,S_j的逆变器，假设其广义有功下垂系数分别为m_i,m_j；虚拟阻抗分别为Z_di和Z_dj。

对式(1)、(2)进行逆变换可得(4)，(5)。

P＝P_dsinθ+Q_dcosθ   (4)

Q＝Q_dsinθ-P_dcosθ   (5)

根据(4)，(5)，任意两个编号为i，j的逆变器的P,Q之比如式(6)和(7)所示。

$\frac{P_i}{P_j}=\frac{P_{\mathrm{di}}\sin \mathrm{\θ}+Q_{\mathrm{di}}\cos \mathrm{\θ}}{P_{\mathrm{dj}}\sin \mathrm{\θ}+Q_{\mathrm{dj}}\cos \mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

$\frac{Q_i}{Q_j}=\frac{Q_{\mathrm{di}}\sin \mathrm{\θ}-P_{\mathrm{di}}\cos \mathrm{\θ}}{Q_{\mathrm{dj}}\sin \mathrm{\θ}-P_{\mathrm{dj}}\cos \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

仔细观察(6)，(7)式可知，若虚拟功率满足式(8)

$\frac{P_{\mathrm{di}}}{P_{\mathrm{dj}}}=\frac{Q_{\mathrm{di}}}{Q_{\mathrm{dj}}}=\frac{S_i}{S_j}---\left(8\right)$

根据等比定理可得式(9)

$\frac{P_i}{P_j}=\frac{Q_i}{Q_j}=\frac{S_i}{S_j}---\left(9\right)$

通过式(8)和式(9)可知，要实现逆变器P和Q的按容量比例控制，只需控制逆变器的虚拟功率P_d和Q_d，使之按逆变器的容量比例分配即可。为实现这一目标，只需按照逆变器额定容量的反比选择广义有功下垂系数m和虚拟阻抗Z_d＝R_d+jX_d。

在动态过程中，若逆变器功率P和Q未按比例分配，则P_d是一个相对较大的量，可起到迅速调节的作用；稳态时，逆变器功率P和Q基本达到按比例分配，即P_d趋近于零，频率偏差也趋近于零。

综上所述，本发明控制算法的基本流程如下：

①对所有逆变器取统一的电压幅值E_d，引入虚拟阻抗Z_d，虚拟阻抗角等于负荷的平均功率因素，即 $\frac{X_d}{\sqrt{R_d^2+X_d^2}}=\frac{Q_L}{\sqrt{P_L^2}+Q_L^2}.$

②按照公式(1)进行功率坐标变换，得到广义有功P_d。

③对广义有功P_d使用下垂控制，其中下垂系数按照逆变器额定容量的反比选取，按此方法得到逆变器频率f，2πf对时间积分得到电压相角δ。δ和E_d共同构成虚拟电压v_d＝E_dsinδ。

④按逆变器容量的反比选择虚拟阻抗，以调节广义无功Q_d大小，在此基础上形成逆变器的最终指令电压 $v_{\mathrm{ref}}=v_d-R_d{i}_o-L_d\·\mathrm{LPF}\left(s\right)\·\frac{{\mathrm{di}}_o}{\mathrm{dt}}$

其中LPF(s)是低通滤波器，ω为工频角频率。

⑤控制逆变器输出电压使之跟踪指令电压v_ref。

本发明的技术效果可通参照下面的仿真示例来说明：

在Matlab Simulink中搭建仿真模型，逆变器采用三相三桥臂LC滤波的逆变器，仿真模型如图2所示，包含两个线电压为380V的三相逆变器，其容量比为1:2，Z_L1＝Z_L2＝0.1+j0.1(工频值)。

采用电压外环电流内环的电压跟踪方法，电流内环采用电容电流反馈。两个逆变器的电压电流环控制参数相同，即：直流侧电压800V，LC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。

对功率因素为0.9487的情形进行了仿真，按照本发明的方法设定下垂系数和虚拟阻抗，负荷及参数设置见表1。

表1 控制参数设定及负荷分配结果

图3是负荷功率因素为0.9487时的仿真结果，P₁、P₂分别代表逆变器1和逆变器2的有功，Q₁、Q₂分别代表逆变器1和逆变器2的无功，f1和f2分别表示逆变器1和逆变器2的频率，表1中列有P，Q的分担结果。由图和表可知有功和无功基本是按照容量比例分配的；负荷突变后，逆变器的过渡过程也比较迅速，几乎没有振荡。微网的频率几乎维持在50Hz，负荷的增加对稳态频率偏差几乎没有影响。

图4是负荷功率因素波动时的仿真结果(功率因素波动到0.9278)，表1也列出了P，Q分担结果，有功无功负荷基本也是按比例分担，频率偏差也极小，基本得到消除。总之，即使负荷功率因素有一定波动，本发明也能实现有功无功负荷的按比例分担，基本消除稳态频率偏差。

Claims (1)

1.采用功率坐标变换实现逆变器稳态频率无差调节的控制方法，其特征是，根据负荷平均功率因素选取虚拟阻抗；选择虚拟阻抗角，使之和负荷平均功率因数角相等；根据虚拟阻抗角对逆变器有功和无功负荷进行坐标变换，得到广义有功P_d和广义无功Q_d；对广义有功实行下垂控制P_d-f,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。