CN105356487A - 一种电压控制型并网逆变器功率解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压控制型并网逆变器的功率解耦方法，属于并网逆变器控制研究领域。该方法提出了一种基于前馈控制的解耦策略，根据并网逆变器的功率方程，实时计算出有功功率和无功功率的耦合量的大小，然后在有功功率和无功功率的控制回路中分别引入相角前馈和幅值前馈，该前馈量和耦合量符号相反，大小相等，以抵消功率的耦合。本发明方法解耦效果明显，应用简便，易于对现有逆变器直接升级，提高了并网逆变器的性能和稳定性，为工程应用提供了很好的参考价值。

Description

一种电压控制型并网逆变器功率解耦方法

技术领域

本发明属于并网逆变器控制研究领域，具体涉及一种电压控制型并网逆变器输出功率的解耦控制方法。

背景技术

随着环境和能源危机的日益加深，新能源发电得到了越来越多的关注和应用，而并网逆变器是新能源发电系统向电网输送电能的必不可少的接口设备，并网逆变器的性能将会对发电系统以及电网的稳定性产生重要的影响。并网逆变器输出功率的波动会造成能源利用效率的降低，严重者可能引起电网震荡甚至瘫痪。

按照控制方式的不同，并网逆变器可以分为电流控制型和电压控制型两种。传统的并网逆变器大多采用电流控制模式，因为该控制模式具有结构简单、易实现最大功率点跟踪(MPPT)算法等优点，但是电流控制型并网逆变器不能运行在孤岛模式下。近年来随着分布式发电以及微电网等新技术的推广和应用，要求并网逆变器能够具备孤岛运行能力，以便在大电网出项故障时能够脱离电网独立运行，保证本地重要负载的供电不受影响。在这种背景下，具备孤岛运行能力的电压控制型并网逆变器获得了极大的应用。除此之外，电压控制型并网逆变器还具有孤岛与并网切换平滑、可以向弱电网提供电压支撑以及不依赖锁相环等优点，所以其应用前景非常广泛。

无论电流控制型还是电压控制型并网逆变器，都存在输出功率的耦合问题，即不能对有功功率和无功功率完全独立控制，二者之间存在相互影响。针对电流控制型，已经有很多学者提出了解耦方法，如电感电流前馈法、矢量PI控制器等。但是因为控制机理的差异，这些方法无法直接应用到电压控制型并网逆变器中。另外也有学者提出了解决因线路传输阻抗引起的功率耦合问题，如虚拟阻抗、虚拟功率等方法，这些方法可以认为是对小信号模型的解耦但是不能解决电路固有拓扑决定的大信号耦合问题。因此当有功功率或者无功功率其中一个的指令值发生改变时，另一个也会因为耦合而使输出功率发生波动。这个问题没有引起足够的重视，也就缺少有效的解耦方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种电压控制型并网逆变器的功率解耦方法，从而可以对逆变器输出的有功和无功功率进行独立的解耦控制。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种电压控制型并网逆变器功率解耦方法，包括以下步骤：

1)采集逆变器交流测输出的电压v、电流i和电感电流i_L，其中输出电压和输出电流用来计算输出有功功率和无功功率，电感电流和输出电压作为控制器的反馈信号；

2)计算输出有功功率P和无功功率Q：

其中V是线电压v的有效值，I是线电流i的有效值，是二者相位差；

3)根据下垂关系计算参考电压幅值和频率：

ω^*＝ω₀-k_p(P-P_ref)；

E^*＝E₀-k_q(Q-Q_ref)；

其中P_ref和Q_ref分别是并网逆变器需要向电网注入有功功率和无功功率的指令值，该指令值来自更高一级控制器的能量调度指令，或者来自一次能源最大功率点跟踪MPPT算法；ω₀和E₀分别是系统的额定频率和额定电压；k_p和k_q是对应的下垂系数，定义为正；P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率；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，将频率ω^*进行积分就可以得到逆变器输出电压的相位θ^*；

4)根据解耦公式计算前馈量的大小，其形式如下式：

其中，U表示电网相电压峰值；E表示下垂控制输出的参考电压幅值；δ表示逆变器输出电压和电网电压之间的相位差，以电网电压为参考；Δδ和ΔE分别表示相邻两个控制周期内δ和E的变化量；

5)将前馈量分别叠加到参考电压幅值和相位中，将步骤4)中计算得到的幅值前馈量E_ff和δ_ff分别叠加到步骤3)中计算出的幅值和相位上，得到最终的逆变器参考电压，参考电压的幅值为：

E_ref＝E^*+E_ff

其中，E^*为步骤3)中下垂公式计算出的电压幅值，E_ff为解耦公式计算出来的幅值前馈量，E_ref是参考电压幅值；

参考电压的相位为：

θ_ref＝θ^*+δ_ff

其中，θ^*为步骤3)中下垂公式计算出的频率经过积分后得到的相位角，δ_ff是解耦公式计算出的相角前馈量，θ_ref是参考电压相位。

最后合成的参考电压可以表示为：

v＝E_refsin(θ_ref)

6)将叠加前馈量后的电压参考指令给定到逆变器内部的电压环和电流环，控制逆变器的输出功率，步骤5)最后获得的参考电压v经过电压环和内部电感电流内环的调节后生成PWM信号控制开关管的通断，进而控制逆变器的输出功率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的电压控制型并网逆变器功率解耦方法旨在解决逆变器输出功率的耦合问题。该方法根据逆变器输出的有功功率和无功功率的关系实时准确地计算出耦合量的大小，然后分别通过一个幅值前馈量和相角前馈量对输出功率进行解耦，以实现逆变器输出有功功率和无功功率的独立控制。本发明方法就是在传统的控制结构中叠加一个解耦前馈项，应用简单，可以方便的对已有逆变器进行升级，解耦效果好，逆变器输出功率稳定、精确，为工程应用提供了很好的参考价值。

附图说明

图1为本发明所研究的并网逆变器结构框图；

图2为本发明并网逆变器简化结构图，其中(a)为等效电路图，(b)为相量图；

图3为叠加幅值前馈解耦项后的无功功率控制框图；

图4为叠加相角前馈解耦项后的有功功率控制框图；

图5为本发明所提出的解耦型并网逆变器整体控制框图；

图6为仿真波形图，其中，图(a)为有功功率指令发生变化时无功功率的波动情况；图(b)为无功功率指令发生变化时有功功率的波动情况；

图7为实验结果波形，其中图(a)为有功功率指令从2kW增加到3kW时的情况，图(b)为无功功率指令从0kvar增加到1kvar的情况。

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对电压控制型并网逆变器输出功率进行解耦的控制方法，其原理如图4、图5和图6所示。在仿真和实验中，都将采用该方法的逆变器同采用传统的控制方法的逆变器进行了对比，结果如图7所示。图7(a)表示的是当有功功率的指令发生改变时的情况，可以看到采用本发明的控制方法可以很好的抑制无功功率的波动；图7(b)表示的是无功功率指令发生改变时的情况，同样可以发现本发明所提出的控制方法可以很好的抑制有功功率的波动。仿真和实验都说明本发明可以很好的实现有功功率和无功功率的解耦，控制效果好。

其具体实现步骤如下：

1)采集逆变器交流测输出的电压v、电流i和电感电流i_L，其中输出电压和输出电流用来计算输出有功功率和无功功率，电感电流和输出电压作为控制器的反馈信号；

2)计算输出有功功率P和无功功率Q：

其中V是线电压v的有效值，I是线电流i的有效值，是二者相位差；

3)根据下垂关系计算参考电压幅值和频率：

ω^*＝ω₀-k_p(P-P_ref)；

E^*＝E₀-k_q(Q-Q_ref)；

其中P_ref和Q_ref分别是并网逆变器需要向电网注入有功功率和无功功率的指令值，该指令值来自更高一级控制器的能量调度指令，或者来自一次能源最大功率点跟踪MPPT算法；ω₀和E₀分别是系统的额定频率和额定电压；k_p和k_q是对应的下垂系数，定义为正；P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率；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，将频率ω^*进行积分就可以得到逆变器输出电压的相位θ^*；

4)根据解耦公式计算前馈量的大小，其形式如下式：

其中，U表示电网相电压峰值；E表示下垂控制输出的参考电压幅值；δ表示逆变器输出电压和电网电压之间的相位差，以电网电压为参考；Δδ和ΔE分别表示相邻两个控制周期内δ和E的变化量；

5)将前馈量分别叠加到参考电压幅值和相位中，将步骤4)中计算得到的幅值前馈量E_ff和δ_ff分别叠加到步骤3)中计算出的幅值和相位上，得到最终的逆变器参考电压，参考电压的幅值为：

E_ref＝E^*+E_ff

其中，E^*为步骤3)中下垂公式计算出的电压幅值，E_ff为解耦公式计算出来的幅值前馈量，E_ref是参考电压幅值；

参考电压的相位为：

θ_ref＝θ^*+δ_ff

其中，θ^*为步骤3)中下垂公式计算出的频率经过积分后得到的相位角，δ_ff是解耦公式计算出的相角前馈量，θ_ref是参考电压相位。

最后合成的参考电压可以表示为：

v＝E_refsin(θ_ref)

6)将叠加前馈量后的电压参考指令给定到逆变器内部的电压环和电流环，控制逆变器的输出功率，步骤5)最后获得的参考电压v经过电压环和内部电感电流内环的调节后生成PWM信号控制开关管的通断，进而控制逆变器的输出功率。

在一个高电压或中电压系统中，传输线的阻抗呈感性，则逆变器(输出电压为E∠δ)向电网(电压可以表示为U∠0)注入的有功功率P和无功功率Q可以表示为：

其中，δ是逆变器电压和电网电压的相位差，Z是传输线的阻抗值。由该式可以发现有功功率P既和输出电压幅值E有关，也和相位差δ有关；同理，无功功率Q也是既和电压幅值E有关也和相位差δ有关。所以，当采用下垂控制，即用输出电压的相位控制输出有功功率，用输出电压的幅值控制输出无功功率时，P和Q之间依然存在着耦合关系，尤其是稳态工作点发生改变时这种耦合带来的影响更加明显，这是功率耦合的根本原因。

为了抑制功率之间的耦合，本发明推导出了步骤3)中的两个解耦前馈项，详细解释如下：

(1)假设在t₀时刻需要向电网注入更多的有功功率，所以P_ref增加，而无功功率指令Q_ref保持不变。此时逆变器输出的无功功率可以表示为：

(2)经过一个控制周期Δt，逆变器输出电压的相位和幅值分别变为δ₁＝δ₀+Δδ和E₁＝E₀+ΔE，此时输出的无功功率可以表示为：

(3)因为在整个过程中Q_ref保持不变，所以希望输出的Q也保持不变，所以令：

Q(t₁)＝Q(t₀)

即令(1)和(2)中的两式相等，通过忽略其中的高阶小项，并假设sin(Δδ₁)≈Δδ₁，cos(Δδ₁)≈Δδ₁，最终可以求得：

该式的物理意义是当逆变器的相位发生大小为Δδ₁的变化时，只要输出电压同时改变ΔE₁就可以维持输出的无功功率不发生变化。

(4)在(3)中的分析是基于一个控制周期Δt，从整过控制过程来看，就是对多个控制周期的累加，所以最终获得的前馈解耦项计算公式为：

(5)同理，可以求得对有功功率进行解耦的相位前馈项计算公式：

具体的，本发明在仿真软件PSCAD中搭建了如图1所示的并网逆变器模型。仿真结果如图6所示，其中曲线1表示加入解耦控制后有功功率的波形，曲线2为不加解耦控制时有功功率波形，曲线3为加入解耦控制后无功功率波形，曲线4为不加解耦控制无功功率波形。仿真开始时，逆变器向电网注入10kW有功功率，不输出无功功率。在1.5s时有功功率指令值由10kW减小为5kW，在2.5s时又恢复10kW。从图6(a)中可以发现本方法可以很好的抑制无功功率在该过程中的波动。在3.5s时无功功率指令值由0kvar增加到6kvar，在4.5s时又恢复为0kvar。从图6(b)可以看出采用本方法可以很好的抑制有功功率在这个过程当中的波动。仿真证明了本发明所提出的功率解耦的有效性。

实验平台由一台型号为MWINV-9R144的逆变器构成，实验过程与上述仿真类似，结果如图7所示，其中曲线1表示加入解耦控制后有功功率的波形，曲线2为不加解耦控制时有功功率波形，曲线3为加入解耦控制后无功功率波形，曲线4为不加解耦控制无功功率波形。实验一验证了当有功功率指令值从2kW增加到3kW时无功功率的变化情况，可以看到解耦之后的无功功率波动明显小于解耦之前；实验二验证了当无功功率指令值从0kvar变化到1kvar时有功功率的变化情况，结果表明解耦之后的有功功率波动明显小于解耦前。实验结果证明了该功率解耦策略的有效性。值得一提的是图7(b)中解耦之后的有功功率输出稍大于2kW，这是由于实验时电网频率的偏移造成的。

本发明中给出一种电压控制型并网逆变器的功率解耦方法。为了验证控制方法的可行性，作者在仿真软件PSCAD中搭建了仿真模型，并利用一台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实现有功功率和无功功率的解耦控制。该方法正确、可靠，为工程应用提供了很好的参考价值。

Claims (1)

1.一种电压控制型并网逆变器功率解耦方法，包括以下步骤：

1)采集逆变器交流测输出的电压v、电流i和电感电流i_L，其中输出电压和输出电流用来计算输出有功功率和无功功率，电感电流和输出电压作为控制器的反馈信号；

2)计算输出有功功率P和无功功率Q：

其中V是线电压v的有效值，I是线电流i的有效值，是二者相位差；

3)根据下垂关系计算参考电压幅值和频率：

ω^*＝ω₀-k_p(P-P_ref)；

E^*＝E₀-k_q(Q-Q_ref)；

其中P_ref和Q_ref分别是并网逆变器需要向电网注入有功功率和无功功率的指令值，该指令值来自更高一级控制器的能量调度指令，或者来自一次能源最大功率点跟踪MPPT算法；ω₀和E₀分别是系统的额定频率和额定电压；k_p和k_q是对应的下垂系数，定义为正；P和Q分别是逆变器检测到的输出有功功率和无功功率；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，将频率ω^*进行积分就可以得到逆变器输出电压的相位θ^*；

4)根据解耦公式计算前馈量的大小，其形式如下式：

$E_{ff}=\mathrm{\Σ}\frac{UEsin\mathrm{\δ}}{Ucos\mathrm{\δ}-2E}\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}$

${\mathrm{\δ}}_{ff}=-\mathrm{\Σ}\frac{tan\mathrm{\δ}}{E}\mathrm{\Δ}E$

其中，U表示电网相电压峰值；E表示下垂控制输出的参考电压幅值；δ表示逆变器输出电压和电网电压之间的相位差，以电网电压为参考；Δδ和ΔE分别表示相邻两个控制周期内δ和E的变化量；

5)将前馈量分别叠加到参考电压幅值和相位中，将步骤4)中计算得到的幅值前馈量E_ff和δ_ff分别叠加到步骤3)中计算出的幅值和相位上，得到最终的逆变器参考电压，参考电压的幅值为：

E_ref＝E^*+E_ff

其中，E^*为步骤3)中下垂公式计算出的电压幅值，E_ff为解耦公式计算出来的幅值前馈量，E_ref是参考电压幅值；

参考电压的相位为：

θ_ref＝θ^*+δ_ff

其中，θ^*为步骤3)中下垂公式计算出的频率经过积分后得到的相位角，δ_ff是解耦公式计算出的相角前馈量，θ_ref是参考电压相位；

最后合成的参考电压可以表示为：

v＝E_refsin(θ_ref)

6)将叠加前馈量后的电压参考指令给定到逆变器内部的电压环和电流环，控制逆变器的输出功率，步骤5)最后获得的参考电压v经过电压环和内部电感电流内环的调节后生成PWM信号控制开关管的通断，进而控制逆变器的输出功率。