CN105391088A - 一种带lcl滤波器的单相多逆变器并联系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带LCL滤波器的单相多逆变器并联系统及其控制方法，用于不间断电源系统，该逆变器并联系统包括连接至交流母线的至少两个逆变单元，每个逆变单元由单相LCL逆变器、功率控制模块、电压电流双闭环调节模块以及驱动模块组成；并联系统采用无互连线并联控制，参考信号由各逆变单元的功率控制模块产生；功率控制模块采用改进的下垂控制方程防止出现超调现象，更好的实现了均流。

Description

一种带LCL滤波器的单相多逆变器并联系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及逆变器技术领域，尤其是涉及一种带LCL滤波器的单相多逆变器并联系统及其控制方法。

背景技术

逆变器并联控制通常用于不间断电源系统，为供电重要等级较高的用户作为备用电源进行紧急供电，也可以用于分布式发电系统以组建微型电网，给偏远地区或岛屿单独供电。

逆变器并联控制依据连接方式可分为集中控制方式、主从控制方式、分散逻辑控制方式、循环链控制方式和无互连控制方式等。集中控制由中央控制器直接控制所有并联模块，较容易实现，控制方式简单，但系统冗余性能差；主从控制由一个主模块，从模块跟随主模块信号，初步实现了冗余控制，但系统受主模块影响稳定性差；分散逻辑控制各模块间需要大量的信号线，大大增加了系统的复杂程度。

无互连线并联控制方式以其良好的冗余性及稳定性得到广泛应用。下垂控制是最常用的无互连线并联控制方式，但存在功率均分与控制精度之间的矛盾。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种带LCL滤波器的单相多逆变器并联系统及其控制方法，以解决现有逆变器并联控制中功率均分与控制精度的问题。

本申请提供一种带LCL滤波器的单相逆变器并联系统，包括并联至交流母线的至少两个逆变单元，每个所述逆变单元包括单相LCL逆变器、功率控制模块、电压电流双闭环调节模块以及驱动模块，其中：

所述单相LCL逆变器，用于将直流电压源变换至交流电压；

所述功率控制模块，用于根据所述单相LCL逆变器输出电压、电流计算逆变器的有功功率和无功功率，进而计算出逆变器参考电压；

所述电压电流双闭环调节模块，包括电压控制模块和电流控制模块，所述电压控制模块用于将逆变器输出电压跟所所述逆变器参考电压，所述电流控制模块，用于加快系统响应速度；

所述驱动模块，将电压电流双闭环模块输出信号转变为方波脉冲信号用于驱动四个开关。

进一步的，所述单相LCL逆变器由直流电压源、逆变桥和LCL滤波器组成，其中，直流电压源与逆变桥连接，逆变桥输出与LCL滤波器连接。

优选的，所述逆变桥包括四开关器件，第一开关与第二开关串联得到第一桥臂，第三开关与第四开关串联得到第二桥臂。

优选的，所述LCL滤波器包括两电感和一个电容，第一电感一段与第一开关和第二开关的公共端相连，另一端与第二电感和电容一端相连；第二电感另一端为输出正极；电容另一端与第三开关和第四开关公共端及输出负极相连。

进一步的，所述电压电流双闭环调节模块使逆变器输出电压跟随所述电压参考值，并将输出信号传递给驱动模块，所述驱动模块产生驱动信号，所述驱动信号用于控制所述单相LCL逆变器的工作状态，使各个逆变单元输出功率相同。

本申请还提供一种逆变器并联控制方法，应用于上述单相LCL逆变器并联系统，包括：

步骤1，所述每个逆变单元功率控模块检测逆变器输出电压、电流；

步骤2，计算逆变器输出有功功率和无功功率；

步骤3，根据提供的有功功率、无功功率设定值及实际输出值计算出逆变器电压参考值。

进一步的，所述功率控制模块采用改进的下垂控制方程，改进后的下垂方程的下垂系数跟随逆变器输出有功功率、无功功率的变化而变化。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，所述单相LCL逆变器并联系统及其控制方法，采用无互连线控制方式，通过各逆变单元的功率控制模块产生各个逆变器的同步信号，各逆变器的电压电流控制模块进行跟随控制，从而得到功率均分。

附图说明

图1为并联系统拓扑结构示意图；

图2为逆变器控制框图；

图3为2台逆变器并联给负载供电等效电路图；

图4为下垂控制示意图；

图5-1～图5-2为逆变器并联系统仿真输出波形，图5-1为并联系统交流母线波形，图5-2为各逆变器输出电流波形。

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。

图1所示为并联系统拓扑结构示意图。其中，第一逆变器以并联的方式与第二逆变器相连，且第二逆变器与第一逆变器有相同的结构。两逆变器共同连接到交流母线u₀上给负载供电。

第一逆变器包括直流电压源E、四开关T₁、T₂、T₃、T₄构成的逆变桥、电感L₁、L₂以及电容C₁构成的滤波电路。直流电压源电压经逆变桥形成矩形脉冲电压，再经滤波电路滤波后输出正弦电压u_o1，其输出电流为i_o1。

1、开关驱动信号生成

逆变桥将直流信号转换为矩形脉冲信号需要开关的驱动信号，驱动信号生成方法如下：

图2所示为逆变器控制框图。

电压电流双闭环调节模块根据参考电压u_ref生成控制信号传递给驱动模块，驱动模块将控制信号转换为矩形脉冲控制信号用于驱动图1中所示的四开关开关。

其中电压电流双闭环调节模块包括电压控制模块和电流控制模块，电压控制模块使输出电压u_o1跟随参考电压u_ref，电流控制模块微调控制信号加速控制响应速度，其实施方法如下：

将参考电压u_ref与输出电压u_o1差值传递给电压控制器，电压控制器采用比例积分控制器控制，其为输出电流参考值，式(1)参考电压与输出电压差值，式(2)为电压控制器函数：

e₁＝u_ref-u_o1(1)

i_ref＝k_ve₁+p_v∫e₁dt(2)

其中，i_ref为电流参考值，k_v为电压控制器比例系数，p_v为电压控制器积分系数。

将参考电流i_ref与滤波器电感电流i_l1值传递给电流控制器，电流控制器采用比例控制器控制，式(3)参考电压与输出电压差值，式(4)为电压控制器函数：

i₁＝i_ref-i_l1(3)

P＝k_ii₁(4)

其中，k_i为电流控制器比例系数，P为电压电流双闭环控制模块输出控制信号。

2、功率控制

功率控制模块根据各个逆变单元输出电压电流计算出各个逆变单元有功功率和无功功率，再根据各个逆变单元有功功率与无功功率设定值计算出各逆变单元参考电压传递给各逆变器电压电流双闭环控制模块，其方法如下：

逆变器并联控制系统为多台逆变单元并联至交流母线并向负载供电的，具体的，当2台逆变器并联至交流母线向负载供电时，并联系统等效电路图如图3所示，设定R_n为第n台逆变器输出阻抗等效电阻，X_n为第n台逆变器输出阻抗等效电感感抗，E₀<0为交流母线(即负载端)电压，E_n∠δ_n为第n台逆变器输出电压，其中δ_n为第n台逆变器输出电压与交流母线电压相位差，I_n为第n台逆变器输出电流，I₀为负载电流，Z₀为负载阻抗，其中n＝1，2。

逆变器输出功率为：

$P_n=\frac{E_{n}E}{R_n+{\mathrm{jX}}_n}{\mathrm{sin\&delta;}}_n---\left(5\right)$

$Q_n=\frac{E_n(E_n-E{\mathrm{cos\&delta;}}_n)}{R_n+{\mathrm{jX}}_n}---\left(6\right)$

其中，n＝1，2。

特别的，为使并联系统便于控制，各个逆变单元元件应使用相同的参数，同时，在逆变器并联系统中，系统感抗远远大于系统电阻阻抗，则在系统设计时阻抗R_n可以忽略，另外，系统各逆变输出电压与交流母线电压相位差δ_n较小，则可认为sinδ_n≈δ_n，cosδ_n≈1，则式(5)、式(6)可表示为：

$P_n=\frac{E_{n}E}{{\mathrm{jX}}_n}{\mathrm{\&delta;}}_n---\left(7\right)$

$Q_n=\frac{E_n(E_n-E)}{{\mathrm{jX}}_n}---\left(8\right)$

其中，n＝1，2。

由式(7)、式(8)可以看出逆变器输出有功功率与逆变器输出相角成正比，逆变器输出无功功率与逆变器输出电压幅值和母线电压幅值差成正比。

传统下垂控制即采用控制逆变器输出电压幅值及相角的方法来控制逆变器输出有功功率和无功功率以实现并联系统均流的目的，由于直接控制相角难以实现，即采用控制输出频率来达到控制相角的目的，其控制方程如下：

ω*＝ω₀-m*(P_n-P₀)(9)

E*＝E₀-n*(Q_n-Q₀)(10)

其中，ω*、E*为参考电压频率和幅值，m、n为下垂控制系数，ω₀、E₀为逆变器空载输出电压频率和幅值，P₀、Q₀为系统设置的额定有功功率和额定无功功率值。

如图4所示为下垂控制曲线图，下垂控制曲线斜率分别为-m、-n，当逆变器输出有功功率和无功功率变化时，参考电压的频率和幅值跟随变换来调节有功功率和无功功率。

由于并联系统中各个逆变单元设置参数相同，当系统达到稳态时，各个逆变器输出电压频率幅值相同，即达到频率均分效果，但当系统处于动态响应时，由于下垂控制曲线是直线调节，会产出超调现象。

将下垂控制方程进行修改，改为变下垂控制系数，当逆变器输出有功功率和无功功率比额定值大时，下垂系数变大，当逆变器输出有功功率和无功功率比额定值小时，下垂系数相应变小，则控制方程如下：

ω*＝ω₀-[m₀-k_m*(P_n-P₀)]*(P_n-P₀)(11)

E*＝E₀-[n₀-k_n*(Q_n-Q₀)]*(Q_n-Q₀)(12)

其中，m₀、n₀为有功功率和无功功率为设定值时下垂系数，k_m、k_n为下垂系数调节系数。

由式(11)、式(12)可以看出下垂控制曲线不再是直线，有效的减小了超调现象的产生，更好的实现了功率均分，且提高了控制精度。

图5-1～图5-2为逆变器并联系统仿真输出波形，图5-1为逆变系统交流母线电压波形，可以看出波形稳定，图5-2为逆变系统各逆变器输出电流，可以看出各逆变器电流相同，逆变系统实现了电流均分。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种带LCL滤波器的单相逆变器并联系统，其特征在于：包括并联至交流母线的至少两个逆变单元，每个所述逆变单元包括单相LCL逆变器、功率控制模块、电压电流双闭环调节模块以及驱动模块，其中：

所述单相LCL逆变器，用于将直流电压源变换至交流电压；

所述功率控制模块，用于根据所述单相LCL逆变器输出电压、电流计算逆变器的有功功率和无功功率，进而计算出逆变器参考电压；

所述电压电流双闭环调节模块，包括电压控制模块和电流控制模块，所述电压控制模块用于将逆变器输出电压跟所所述逆变器参考电压，所述电流控制模块，用于加快系统响应速度；

所述驱动模块，用于将电压电流双闭环模块输出信号转变为方波脉冲信号用于驱动四个开关。

2.根据权利要求1所述的带LCL滤波器的单相逆变器并联系统，其特征在于：所述单相LCL逆变器由直流电压源、逆变桥和LCL滤波器组成，其中，直流电压源与逆变桥连接，逆变桥输出与LCL滤波器连接。

3.根据权利要求1所述的带LCL滤波器的单相逆变器并联系统，其特征在于：所述逆变桥包括四开关器件，第一开关与第二开关串联得到第一桥臂，第三开关与第四开关串联得到第二桥臂。

4.根据权利要求1所述的带LCL滤波器的单相逆变器并联系统，其特征在于：所述LCL滤波器包括两电感和一个电容，第一电感一段与第一开关和第二开关的公共端相连，另一端与第二电感和电容一端相连；第二电感另一端为输出正极；电容另一端与第三开关和第四开关公共端及输出负极相连。

5.根据权利要求1所述的带LCL滤波器的单相逆变器并联系统，其特征在于：所述电压电流双闭环调节模块使逆变器输出电压跟随所述电压参考值，并将输出信号传递给驱动模块，所述驱动模块产生驱动信号，所述驱动信号用于控制所述单相LCL逆变器的工作状态，使各个逆变单元输出功率相同。

6.一种带LCL滤波器的单相逆变器并联系统控制方法，用于权利要求1-5任一所述的带LCL滤波器的单相逆变器并联系统，其特征在于包括：

步骤1，所述每个逆变单元功率控模块检测逆变器输出电压、电流；

步骤2，计算逆变器输出有功功率和无功功率；

步骤3，根据提供的有功功率、无功功率设定值及实际输出值计算出逆变器电压参考值。

7.根据权利要求6所述带LCL滤波器的单相逆变器并联系统控制方法，其特征在于，所述功率控制模块采用改进的下垂控制方程，改进后的下垂方程的下垂系数跟随逆变器输出有功功率、无功功率的变化而变化。