CN105470994A - 一种具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法，首先检测逆变器输出电流i₀(i_0a,i_0b,i_0c)和输出电压u₀(u_0a,u_0b,u_0c)，分别对输出电流i₀和输出电压u₀提取基波分量，得到αβ坐标系下的i_0αβf(i_0αf,i_0βf)和u_0εβf(u_0αf,u_0βf)；将i_0αβf和u_0εβf计算得到有功功率和无功功率；利用传统的PQ下垂控制算法得到电压u^*，将其变换到αβ坐标系下，得到将虚拟阻抗Z_V与αβ坐标系下的逆变器输出电流i_0αβ相乘后与电压相减，再减去u_0αβf，再进行PI控制，将得到的信号与逆变器输出电流i_0αβf相减，进行P控制后将结果αβ/abc坐标系转换后送入PWM，实现对逆变器中功率器件的通断控制。本发明可以应用于带非线性负载的微网逆变器并联系统中，能显著抑制各个逆变器输出电压的谐波，并能抑制逆变器间的环流。

Description

一种具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电及电力电子技术领域，特别是一种具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法。

背景技术

随着微电网技术的发展，微电网系统中存在大量线性负荷与非线性负荷。非线性负荷包括逆变器、整流器等各类电力电子器件，这些器件都会使得电网中存在大量的谐波，如果这种谐波分量不加以整治，其将导致电网中的电压和电流波形畸变，降低电能利用率，严重影响电能质量，影响电气设备的工作效率，缩短其使用寿命。谐波的存在会引起电机的过电压等现象,变压器、电缆、电容器等设备出现局部温度过髙，使用寿命缩短，严重时甚至损坏。与传统配电网相比，微网的特殊网络性质和运行特点，以及包含其中的众多储能设备、检测控制设备都使微网电能质量问题有了许多新的特点。

对微网电能质量做到完善地控制的基础的研究主要围绕补偿、抑制的思路进行，并且通过在含微网配电网络中安装补偿装置实现了对多种电能质量问题的控制。例如通过安装耦合变压器防止分布式电源经逆变器向交流电网输出直流。通过安装软启动限流装置防止感应电动机在启动时造成邻近负荷结点的电压暂降危害。有源滤波器在微网环境下的谐波补偿中应用也非常广泛，但为了更好的适应微网环境，有源滤波器采取与分布式电源相结合的方法，在满足后者的正常并网要求的同时兼顾电压补偿和功率因数补偿。

有源电力滤波器是解决电力谐波问题的有效方式，但是因为投资较高，有源电力滤波器的推广也受到了限制。考虑到有源电力滤波器与并网逆变器都是电压源型逆变电源，主电路结构一致，可以将二者合二为一进行统一控制，这样既可以节省投资，又能进行光伏发电、改善电网质量，实现一机多用。因此研究具有光伏并网发电和有源电力滤波功能的逆变器具有积极的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法，包括以下步骤：

1)检测微网逆变器的输出电流i₀和输出电压u₀；将微网逆变器的a相输出电压u_0a通过锁相环PLL电路，获取角频率ω，得到正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，确定矩阵C和C₃₂：

$C=\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\ω}t& -cos\mathrm{\ω}t\\ -cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right];C_{32}=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right];$

2)将微网逆变器输出电流i₀分别经过矩阵C₃₂、矩阵C和低通滤波器后，得到瞬时有功电流i_0p的直流分量和瞬时无功电流i_0q的直流分量再经过矩阵C变换，得到αβ坐标系下逆变器输出电流的基波分量i_0αβf，i_0αβf包括α、β分量i_0αf和i_0βf；将三相逆变器输出电压u₀分别经过矩阵C₃₂、矩阵C和低通滤波器后，得到瞬时有功电流u_0p的直流分量和瞬时无功电流u_0q的直流分量再经过矩阵C变换，得到αβ坐标系下逆变器输出电流的基波分量u_0αβf，u_0αβf包括α、β分量u_0αf和u_0βf；

3)计算微网逆变器的有功功率P_f和无功功率Q_f,；

4)将无功功率Q_f和有功功率P_f作为PQ下垂控制器的输入，使下垂控制器输出电压u^*；

5)将u^*从三相abc坐标系转换到两相坐标系，得到其中转换矩阵 $C_{32}={C_{32}}^{-1};$

6)将虚拟阻抗Z_V乘以电流i_0αβ，得到电压u_V，将电压u_V与相减，差值再减去u_0αβf，得到的信号送入PI控制器，输出i^*；其中i_0αβ为i₀经过矩阵C₃₂变换后的αβ坐标系下的电流；

7)将i^*与i_0αβf相减，然后送入P控制器，将得到的信号从两相的αβ坐标系下转换到三相abc坐标系，结果送入PWM，从而实现对微网逆变器中功率器件的通断控制。

有功功率P_f和无功功率Q_f,的计算公式为： $\left[\begin{array}{c}{P}_f\\ Q_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{0\mathrm{\α}f}& u_{0\mathrm{\β}f}\\ u_{0\mathrm{\β}f}& -u_{0\mathrm{\α}f}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{i}_{0\mathrm{\α}f}\\ i_{0\mathrm{\β}f}\end{array}\right].$

PQ下垂控制器表达式为：

f＝f₀-mP_f；

U＝U₀-nQ_f；

其中f₀是初始频率，U₀是初始电压峰值，m为有功功率下垂系数，n为无功功率下垂系数。

f₀设为50Hz。U₀设为311V，有功功率下垂系数m设为0.0002，无功功率下垂系数n设为0.00012。

u^*＝(Usin2πf₀t,Usin(2πf₀t-2π/3),Usin(2πf₀t+2π/3))，U＝U₀-nQ_f。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的方法不但能使PQ下垂控制解耦，而且能在非线性负载(线路阻抗不平衡)的情况下抑制谐波、抑制环流，保持电压稳定；本发明可以应用于带非线性负载的微网逆变器并联系统中，显著抑制各个逆变器输出电压的谐波。

附图说明

图1是带两个微源的微网逆变器的等效电路图；

图2是具备环流抑制和谐波抑制能力的逆变器控制方法总体控制框图；

图3(a)三相公共点电压，图3(b)逆变器1的输出电流，图3(c)逆变器2。

具体实施方式

图1为微网逆变器的等效电路图。系统主要参数如下：DG1和DG2是直流电压，模拟微源的输出，直流电压值为500V。控制每个逆变器输出电压的峰值为311V，频率为50Hz。负载为整流器，电阻值为10Ω，电感值为1mH。线路阻抗为R_L＝2Ω，X_L＝2mH。ΔR_L＝0.5Ω，ΔX_L＝1mH。

图2是具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法总体控制框图。具体实施步骤如下：

步骤1：检测逆变器的输出电流i₀和输出电压u₀。将三相输出a相电压u_0a通过锁相环PLL电路，获取角频率ω，得到正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，确定矩阵C：

$C=\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\ω}t& -cos\mathrm{\ω}t\\ -cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right],$ 矩阵 $C_{32}=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right].$

步骤2：将三相逆变器输出电流i₀分别经过矩阵C₃₂、矩阵C和低通滤波器后，得到瞬时有功电流i_0p的直流分量和瞬时无功电流i_0q的直流分量再经过矩阵C变换，得到αβ坐标系下逆变器输出电流的基波分量的i_0αβf(i_0αf,i_0βf)；将三相逆变器输出电压u₀分别经过矩阵C32、矩阵C和低通滤波器后，得到瞬时有功电流u0p的直流分量和瞬时无功电流u_0q的直流分量再经过矩阵C变换，得到αβ坐标系下逆变器输出电流的基波分量的u_0αβf(u_0αf,u_0βf)

步骤3：获得有功功率P和无功功率Q,如下式：

$\left[\begin{array}{c}P\\ Q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{0\mathrm{\α}f}& u_{0\mathrm{\β}f}\\ u_{0\mathrm{\β}f}& -u_{0\mathrm{\α}f}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{i}_{0\mathrm{\α}f}\\ i_{0\mathrm{\β}f}\end{array}\right]---\left(4\right)$

步骤4：将无功功率Q和有功功率P作为PQ下垂控制器是输入，使其输出电压u^*。PQ下垂控制器设计为

f＝f₀-mP(5)

U＝U₀-nQ(6)

其中f₀是初始频率，设为50Hz。U₀是初始电压峰值，设为311V。有功功率下垂系数m设为0.0002，无功功率下垂系数n设为0.00012，得到输出电压u^*＝(Usin2πf₀t,Usin(2πf₀t-2π/3),Usin(2πf₀t+2π/3))。

步骤5：将u^*从三相abc坐标系转换到两相坐标系，得到其中

步骤6：将虚拟阻抗Z_V乘以逆变器输出电流i_0αβ得到电压u_V，然后与相减，再减去u_0αβf，得到的信号送入PI控制器，输出i^*。

步骤7：将i^*与i_0αβf相减，然后送入P控制器，将得到的信号从两相的αβ坐标系下转换到三相abc坐标系，结果送入PWM，从而实现对逆变器中功率器件的通断控制。

图3(a)～图3(c)是本发明线路阻抗不平衡情况下的实验结果。图3(a)是三相公共点电压波形，从波形图可以看出公共点电压波形平滑，实现了谐波抑制。图3(b)为逆变器1的输出电流，图3(c)为逆变器2的输出电流。可以看出两个逆变器的输出电流完全一致，实现了环流抑制。

Claims (5)

1.一种具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测微网逆变器的输出电流i₀和输出电压u₀；将微网逆变器的a相输出电压u_0a通过锁相环PLL电路，获取角频率ω，得到正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，确定矩阵C和C₃₂：

$C=\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\ω}t& -cos\mathrm{\ω}t\\ -cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right];C_{32}=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right];$

2)将微网逆变器输出电流i₀分别经过矩阵C₃₂、矩阵C和低通滤波器后，得到瞬时有功电流i_0p的直流分量和瞬时无功电流i_0q的直流分量再经过矩阵C变换，得到αβ坐标系下逆变器输出电流的基波分量i_0αβf，i_0αβf包括α、β分量i_0αf和i_0βf；将三相逆变器输出电压u₀分别经过矩阵C₃₂、矩阵C和低通滤波器后，得到瞬时有功电流u_0p的直流分量和瞬时无功电流u_0q的直流分量再经过矩阵C变换，得到αβ坐标系下逆变器输出电流的基波分量u_0αβf，u_0αβf包括α、β分量u_0αf和u_0βf；

3)计算微网逆变器的有功功率P_f和无功功率Q_f,；

4)将无功功率Q_f和有功功率P_f作为PQ下垂控制器的输入，使下垂控制器输出电压u^*；

5)将u^*从三相abc坐标系转换到两相坐标系，得到其中转换矩阵C₃₂＝C₃₂ ^-1；

6)将虚拟阻抗Z_V乘以电流i_0αβ，得到电压u_V，将电压u_V与相减，差值再减去u_0αβf，得到的信号送入PI控制器，输出i^*；其中i_0αβ为i₀经过矩阵C₃₂变换后的αβ坐标系下的电流；

7)将i^*与i_0αβf相减，然后送入P控制器，将得到的信号从两相的αβ坐标系下转换到三相abc坐标系，结果送入PWM，从而实现对微网逆变器中功率器件的通断控制。

2.根据权利要求1所述的具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法，其特征在于，有功功率P_f和无功功率Q_f,的计算公式为： $\left[\begin{array}{c}{P}_f\\ Q_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{0\mathrm{\α}f}& u_{0\mathrm{\β}f}\\ u_{0\mathrm{\β}f}& -u_{0\mathrm{\α}f}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{i}_{0\mathrm{\α}f}\\ i_{0\mathrm{\β}f}\end{array}\right].$

3.根据权利要求1所述的具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法，其特征在于，PQ下垂控制器表达式为：

f＝f₀-mP_f；

U＝U₀-nQ_f；

其中f₀是初始频率，U₀是初始电压峰值，m为有功功率下垂系数，n为无功功率下垂系数。

4.根据权利要求3所述的具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法，其特征在于，f₀设为50Hz。U₀设为311V，有功功率下垂系数m设为0.0002，无功功率下垂系数n设为0.00012。

5.根据权利要求4所述的具备环流抑制和谐波抑制能力的微网逆变器控制方法，其特征在于，u^*＝(Usin2πf₀t,Usin(2πf₀t-2π/3),Usin(2πf₀t+2π/3))；U＝U₀-nQ_f。