CN105490571A - 一种基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法，用于不间断电源系统，通过逆变器输出瞬时有功电流、无功电流控制逆变器输出电压参考信号的幅值与频率；各个逆变器间无信号线连接，当各个逆变器达到稳定时各个逆变器输出电压相同，达到输出有功电流、无功电流相等，逆变器系统实现均流，减少了周期功率理论的延迟。

Description

一种基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法

技术领域

本申请设计逆变器控制技术领域，尤其是涉及一种基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法。

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。功率下垂控制是最常用的无互连线并联控制方式，但由于传统意义上的功率是基于周期平均值定义的，存在响应延迟。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法，克服微网及并联逆变器系统中由于传输线阻抗互不相等时所带来的无功功率不均流的缺陷，达到并联逆变器无功功率均流的目的，同时采用瞬时功率理论，减少了周期功率理论的延迟。

本发明是通过以下技术方案来实现:

一种基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法，包括以下步骤:

在并联逆变器供电系统中，逆变器的输出有功电流、无功电流与公共连接点的电压幅度参考值、电压相角参考值构成下垂曲线，下垂曲线的斜率为-m、-n；

在多逆变器无信号互联线经过传输线并联系统中，流经负载的有功电流和无功电流变化时，每台逆变器的输出有功电流和无功电流也发生变化，每台逆变器的输出电压幅值、频率也发生变化；

根据参考电压幅值和频率合成参考电压信号，用参考电压进行脉冲宽度调制，使逆变器输出电流等于参考电压。

进一步的，所述电压幅度参考值计算方法为：

计算逆变器输出瞬时有功电流将其减去有功电流设定值得到有功电流偏差，偏差值乘以下垂曲线斜率-m得到参考电压偏移量，将参考电压偏移量加上参考电压设定值得到参考电压幅值；

所述电压频率计算方法为：

计算逆变器输出瞬时无功电流将其减去无功电流设定值得到无功电流偏差，偏差值乘以下垂曲线斜率-m得到参考频率偏移量，将参考频率偏移量加上参考频率设定值得到参考电压频率。

所述瞬时有功电流、瞬时无功电流计算方法为：

将逆变器输出电流作为三相电流的a相，为其匹配相应的b、c两相电流；

将所述三相电流进行abc/αβ变换至αβ坐标下的两相电流；

将所述αβ坐标下的两相电流进行dq变换，得到逆变器输出有功电流和无功电流；

对所述有功电流和无功电流进行低通滤波，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流。

所述逆变器无信号互连线，经过各自传输线并联。

本发明有益效果是：当n台逆变器并联时，使各逆变器参数相同，则各个逆变器电流下垂控制曲线相同，达到稳定时各个逆变器输出电压、电流相同，达到均流效果，减少了周期功率理论的延迟。

附图说明

图1为2台逆变器并联给负载供电等效电路图；

图2为下垂控制曲线图；

图3为abc/αβ变换示意图；

图4为有功电流、无功电流分解框图；

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。

单相逆变器并联系统为多台逆变器经过传输线连接至交流母线向负载供电，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1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。

1、电流下垂控制方程

参考附图1所示，当n台逆变器并联至交流母线向负载供电时，其各逆变器输出电流为：

$I_n=\frac{E_n({\mathrm{cos\δ}}_n+j{\mathrm{sin\δ}}_n)-E_0}{R_n+{\mathrm{jX}}_n}---\left(1\right)$

其中，n＝1，2。

在并联系统中，电压角度差δ₁、δ₂很小，因此我们可以认为cosδ₁＝cosδ₂＝1，sinδ₁＝δ₁，sinδ₂＝δ₂。在并联逆变器系统中，每个逆变器模块的参数都相同，即R₁＝R₂＝R，X₁＝X₂＝X。

根据式(1)，各逆变器输出有功电流、无功电流分别为：

$i_{pn}=\frac{(E_n-E)R+E_n{\mathrm{X\δ}}_n}{R^2+X^2}---\left(2\right)$

$i_{qn}=\frac{E_n{\mathrm{R\δ}}_n-X(E_n-E)}{R^2+X^2}---\left(3\right)$

其中，n＝1，2。

其中，i_pn为逆变器n输出有功电流，i_qn为逆变器n输出无功电流。当R＜＜X时，将式(2)、式(3)化简为：

$i_{pn}\≈\frac{E_n{\mathrm{\δ}}_n}{X}---\left(4\right)$

$i_{qn}\≈\frac{-(E_n-E)}{X}---\left(5\right)$

其中，n＝1，2。

由式(4)、式(5)可以看出逆变器输出有功电流与逆变器输出相角成正比，逆变器输出无功电流与逆变器输出电压幅值和母线电压幅值差成正比。

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，则基于电流的下垂控制方程如下：

ω*＝ω₀-m*(i_pn-i_p0)(6)

E*＝E₀-n*(i_qn-i_q0)(7)

其中，n＝1，2。

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，i_pn、i_qn为逆变器n输出有功电流和无功电流，i_p0、i_q0系统设置的额定有功电流和额定无功电流值。

如图2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。

2、瞬时有功电流和瞬时无功电流的计算

瞬时有功电流和瞬时无功电流是基于三相系统来定义的，对于单相并联逆变器，需要根据输出电流来构造三相电流。

逆变器n输出电流为i_on，其中n＝1,2，令

i_a＝i_o(8)

将i_a延时π/(3ω)并反相得到i_c，再用i_a和i_c构造i_b得

i_b＝-i_a-i_c(9)

i_a、i_b、i_c为对称的三相电流，将其变换到αβ两相坐标轴上得到瞬时分量i_α和i_β，变换示意图如图3所示。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(10\right)$

式(10)为变换公式，其中：

$C_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]---\left(11\right)$

根据瞬时无功理论，对i_α和i_β进行dq变换，得到单相逆变器输出的有功电流i_p和无功电流i_q，变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=C_{pq}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(12\right)$

其中：

$C_{pq}=\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\ω}t& -cos\mathrm{\ω}t\\ -cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right]---\left(13\right)$

其中，sinωt、cosωt是与逆变器输出电压同频率的正弦波和余弦波，其由逆变器输出电压锁相得到。

利用瞬时无功理论对单相逆变器输出电流进行有功和无功分解的原理框图如图4所示，分解得到的有功电流i_p和无功电流i_q经过低通滤波器滤除高频分量就得到有功电流和无功电流的瞬时值和

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。

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 (5)

1.一种基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法，其特征在于，包括以下步骤:

在并联逆变器供电系统中，逆变器的输出有功电流、无功电流与公共连接点的电压幅度参考值、电压相角参考值构成下垂曲线，下垂曲线的斜率为-m、-n；

在多逆变器无信号互联线经过传输线并联系统中，流经负载的有功电流和无功电流变化时，每台逆变器的输出有功电流和无功电流也发生变化，每台逆变器的输出电压幅值、频率也发生变化；

根据参考电压幅值和频率合成参考电压信号，用参考电压进行脉冲宽度调制，使逆变器输出电流等于参考电压。

2.权利要求1所述基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法，其特征在于：其电压幅度参考值计算方法为：

计算逆变器输出瞬时有功电流将其减去有功电流设定值得到有功电流偏差，偏差值乘以下垂曲线斜率-m得到参考电压偏移量，将参考电压偏移量加上参考电压设定值得到参考电压幅值；

其电压频率计算方法为：

计算逆变器输出瞬时无功电流将其减去无功电流设定值得到无功电流偏差，偏差值乘以下垂曲线斜率-m得到参考频率偏移量，将参考频率偏移量加上参考频率设定值得到参考电压频率。

3.权利要求2所述基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法，其特征在于：瞬时有功电流、瞬时无功电流计算方法为：

将逆变器输出电流作为三相电流的a相，为其匹配相应的b、c两相电流；将所述三相电流进行abc/αβ变换至αβ坐标下的两相电流；将所述αβ坐标下的两相电流进行dq变换，得到逆变器输出有功电流和无功电流；对所述有功电流和无功电流进行低通滤波，得到瞬时有功电流和瞬时无功电流。

4.权利要求1所述基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法，其特征在于：所述逆变器无信号互连线，经过各自传输线并联。

5.权利要求2所述基于电流下垂控制的单相并联逆变器控制方法，其特征在于：参考电压幅值和参考电压频率控制方程为

ω*＝ω₀-m*(i_pn-i_p0)

E*＝E₀-n*(i_qn-i_q0)

其中，n＝1，2；ω*、E*为参考电压频率和参考电压幅值；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；i_pn、i_qn为逆变器n输出有功电流和无功电流；i_p0、i_q0系统设置的额定有功电流和额定无功电流值。