CN105720607B - 具有弹性有功功率分配的双下垂控制的逆变器并联控制方法 - Google Patents

具有弹性有功功率分配的双下垂控制的逆变器并联控制方法 Download PDF

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Abstract

具有弹性有功功率分配的双下垂控制的逆变器并联控制方法，涉及一种逆变器控制方法。为了解决可再生能源并联逆变系统受有功功率波动影响的问题。包括：利用具有弹性有功功率分配的双下垂控制方程的ωi和Vi对并联逆变器进行控制，所述双下垂控制方程：ωi为逆变器输出电压角频率参考值，ω0i为逆变器额定输出电压角频率，kpi和kqi分别为逆变器输出有功功率和无功功率的下垂系数，Pi为逆变器输出的有功功率，P0i为逆变器额定输出有功功率，kf为下垂曲线平移量△ωI的平移系数，VDCi为直流母线电压，VDCref为直流母线参考电压，Vi为逆变器输出电压幅值参考值，V0i为逆变器额定输出电压幅值，Qi为逆变器输出的无功功率，Q0i为逆变器额定输出无功功率。

Description

具有弹性有功功率分配的双下垂控制的逆变器并联控制方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器控制方法，特别涉及一种具有弹性有功功率分配的双下垂控制的逆变器并联控制方法。
背景技术
传统下垂控制忽略了线路阻抗中的阻性成分，认为传输线路以感性为主。逆变器并联时其输出有功功率通过逆变器频率来调节，其输出无功功率通过逆变器输出电压幅值来调节。因此，可以得到逆变器并联的下垂方程：
ωi＝ω0i-kpi(Pi-P0i) (1)
Vi＝V0i-kqi(Qi-Q0i) (2)
式中，i为逆变器编号，ωi为逆变器输出电压角频率参考值，ω0i为逆变器额定输出电压角频率，kpi为逆变器输出有功功率的下垂系数，Pi为逆变器输出的有功功率，P0i为逆变器额定输出有功功率，Vi为逆变器输出电压幅值参考值，V0i为逆变器额定输出电压幅值，kqi为逆变器输出无功功率的下垂系数，Qi为逆变器输出的无功功率，Q0i为逆变器额定输出无功功率。
传统下垂控制系统是在输入源有足够能量提供负载需求的前提下，实现有功功率和无功功率的均分。然而，对于可再生能源来说，其输出功率经常受外部因素的影响，具有非常强的间歇性。如果没有储能单元(如蓄电池)作为支撑，应用传统下垂控制策略的可再生能源并联系统将不能正常的工作。如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示，以两台并联光伏逆变器为例，假设光伏逆变器1受光照的影响输出功率P1不充足。根据传统下垂方程可知：逆变器1的输出电压频率f1将会升高，以减小输出有功功率；而逆变器2为了能够弥补逆变器1的有功缺额，需要增加输出有功功率P2，从而导致其输出电压频率f2下降。因此，两台频率不相等的逆变器强行并联，会导致整个并联系统的崩溃！
为了解决以上问题，本发明提出一种弹性分配有功功率的逆变器并联下垂控制方法。该方法解决了可再生能源并联逆变系统受有功功率波动的影响，增强了逆变器有功功率控制的能力，保证了系统的稳定运行。
发明内容
本发明的目的是为了解决可再生能源并联逆变系统受有功功率波动的影响的问题，本发明提供一种具有弹性有功功率分配的双下垂控制的逆变器并联控制方法。
本发明的具有弹性有功功率分配的双下垂控制的逆变器并联控制方法，所述控制方法为：
利用具有弹性有功功率分配的双下垂控制方程的ωi和Vi对并联逆变器进行控制，所述具有弹性有功功率分配的双下垂控制方程为：
其中，i为逆变器编号，ωi为逆变器输出电压角频率参考值，ω0i为逆变器额定输出电压角频率，kpi为逆变器输出有功功率的下垂系数，Pi为逆变器输出的有功功率，P0i为逆变器额定输出有功功率，kf为下垂曲线平移量ΔωI的平移系数，VDCi为直流母线电压，VDCref为直流母线参考电压，Vi为逆变器输出电压幅值参考值，V0i为逆变器额定输出电压幅值，kqi为逆变器输出无功功率的下垂系数，Qi为逆变器输出的无功功率，Q0i为逆变器额定输出无功功率。
所述控制方法具体包括如下步骤：
步骤一：光伏逆变器的前级Boost电路的直流母线参考电压VDCref与直流母线电压VDCi做差后，依次经比例控制器P调节和PWM调制，产生所述前级Boost电路中升压电路开关管T0的驱动信号；
步骤二：光伏逆变器的后级全桥逆变器通过输出电压vaci和输出电流iaci进行功率计算，获得输出有功功率Pi和无功功率Qi；
步骤三：根据有功功率Pi和无功功率Qi，根据具有弹性有功功率分配的双下垂控制方程生成电压角频率参考值ωi和电压幅值参考值Vi，并根据电压角频率参考值ωi和电压幅值参考值Vi，产生正弦参考信号vref；
步骤四：正弦参考信号vref、输出电压vaci和后级全桥逆变器中的电感电流iLi进行电压电流双环控制，最终产生SPWM调制信号，驱动后级全桥逆变器中的开关管，完成控制。
本发明的有益效果在于，本发明适用多个逆变器并联控制，为了验证本发明方法的效果，采用两级式光伏逆变器拓扑结构，设计了两台额定功率1kW的实验样机。光伏输入电压为200V～300V，逆变器输出额定电压为220V AC、50Hz，开关频率为10kHz。P1、P2分别为逆变器1、2输出有功功率，f1、f2分别为逆变器1、2输出电压的频率，VDC1、VDC2分别为逆变器1、2的直流母线电压，vac1、vac2分别为逆变器1、2的输出电压，iac1、iac2分别为逆变器1和2的输出电流。由图4(a)至图4(c)可知，当可再生能源1的输出功率从800W减小到400W时，其不能为负载提供所需的下垂功率550W。因此，直流母线电压VDC1下降。根据本发明所提出的下垂控制方程，可再生能源1的下垂曲线将向下平移ΔωI，见图2的虚线。因此，逆变器1有功功率的降低将会使输出电压频率f1减小。同时，减小的频率将会使逆变器2增加输出有功功率，从而弥补逆变器1的有功缺额。最终，逆变系统达到新的频率和母线电压的稳态，允许并联逆变系统继续为负载提供能量。
本发明对逆变器功率控制的能力，保证了系统的稳定运行。
附图说明
图1(a)为采用传统下垂控制时，输出有功功率P1、P2与直流母线电压VDC1、VDC2的波形示意图；
图1(b)为采用传统下垂控制时，输出有功功率P1、P2与输出电压频率f1-50、f2-50的波形示意图；
图1(c)为采用传统下垂控制时，输出电压vac1、vac2与输出电流iac1、iac2的波形示意图；
图2为P-ω下垂曲线与光伏特性曲线示意图；
图3为具体实施方式中的对光伏逆变器进行控制的原理示意图，其中PV为光伏电池；
图4(a)为采用本发明的双下垂控制方程对并联逆变器进行控制时，输出有功功率P1、P2与输出电压频率f1-50、f2-50的波形示意图；
图4(b)为采用本发明的双下垂控制方程对并联逆变器进行控制时，直流母线电压VDC1-400、VDC2-400的波形示意图；
图4(c)为采用本发明的双下垂控制方程对并联逆变器进行控制时，输出电压vac1、vac2与输出电流iac1、iac2的波形示意图。
具体实施方式
本实施方式以光伏逆变器为例，图2为P-ω下垂曲线与可再生能源输出特性曲线。两台逆变器采用相同的下垂曲线并联为负载供电，输出的有功功率均为Pa。若某一时刻逆变器1的最大输出功率减小，且Pmax<Pa，见点b1，换句话说，可再生能源1通过Boost升压电路传递到直流母线上的有功功率小于负载从逆变器1上获得的有功功率。因此直流母线电容会持续放电，直流母线电压下降，直到逆变器1输出的有功功率下降至P＝Pb＝Pmax,，此时逆变器2的功率输出有功功率为Pb’。而这一过程是通过平移逆变器1的下垂曲线来实现的。在此过程中，两台逆变器所提供的有功功率和不变，即负载功率不变，见图2；
在稳定状态下，功率的不匹配会引起直流母线上电容的充放电，从而导致直流母线上电压的升高或降低。此时可以将直流母线电压的偏差量作为控制器的输入产生下垂曲线的平移量ΔωI。而传统的PI控制器由于能维持直流母线电压的稳定，因此其在此情况下不适用，这里母线电容控制器采用P控制将其代替。
直流母线电压VDCi允许在较小的范围VDCmin≤VDCi≤VDCref内波动，直流母线电压的最小值应大于逆变器输出交流电压的最大值。ΔωI可以根据公式(3)得到。kf是计算ΔωI的平移系数。
从公式(3)我们可以总结出以下几条：
(1)平移量ΔωI的变化范围是-kpiP0i≤ΔωI≤0。下限-kpiP0i是公式(1)的最小值与最大值做差得到，即：ω0i-(ω0i+kpiP0i)。
(2)当直流母线电压VDCi小于VDCref，表示可再生能源无法维持直流母线电压的稳定。逆变器输出功率必须通过引入一个负的下垂曲线平移量ΔωI来降低。
(3)当直流母线电压VDCi大于VDCref，表示可再生能源功率过剩，不需要通过ΔωI来改变逆变器输出功率，即：ΔωI＝0；
(4)由于VDCi要求在一定范围内变化，Boost电路的控制器不能是PI控制器而应该是P控制器，其比例控制系数为(VDCref-VDCmin)/P0i。
根据以上分析，可得到改进的有功下垂方程：
公式(4)中第一项用于有功功率的分配，第二项为因可再生能源输出功率的不足导致的下垂曲线的平移量。而Q-V下垂方程不会发生变化，这是因为有功功率的变化不会影响无功功率的传递。
综上所述，具有弹性有功功率分配的新型双下垂控制方程为：
本实施方式采用上述双下垂控制方程对光伏逆变器进行控制，实现自适应光伏功率波动，如图3所示，具体控制方法包括如下步骤：
步骤一：光伏逆变器的前级Boost电路的直流母线参考电压VDCref与直流母线电压VDCi做差后，依次经比例控制器P调节和PWM调制，产生所述前级Boost电路中升压电路开关管T0的驱动信号；
步骤二：光伏逆变器的后级全桥逆变器通过输出电压vaci和输出电流iaci进行功率计算，获得输出有功功率Pi和无功功率Qi；
步骤三：根据有功功率Pi和无功功率Qi，根据具有弹性有功功率分配的双下垂控制方程生成电压角频率参考值ωi和电压幅值参考值Vi，并根据电压角频率参考值ωi和电压幅值参考值Vi，产生正弦参考信号vref；
步骤四：正弦参考信号vref、输出电压vaci和后级全桥逆变器中的电感电流iLi进行电压电流双环控制，最终产生SPWM调制信号，驱动后级全桥逆变器中的开关管，完成控制。

Claims (1)

1.一种具有弹性有功功率分配的双下垂控制的逆变器并联控制方法，其特征在于，所述控制方法为：
利用具有弹性有功功率分配的双下垂控制方程的ωi和Vi对并联逆变器进行控制，所述具有弹性有功功率分配的双下垂控制方程为：
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其中，i为逆变器编号，ωi为逆变器输出电压角频率参考值，ω0i为逆变器额定输出电压角频率，kpi为逆变器输出有功功率的下垂系数，Pi为逆变器输出的有功功率，P0i为逆变器额定输出有功功率，kf为下垂曲线平移量△ωI的平移系数，VDCi为直流母线电压，VDCref为直流母线参考电压，Vi为逆变器输出电压幅值参考值，V0i为逆变器额定输出电压幅值，kqi为逆变器输出无功功率的下垂系数，Qi为逆变器输出的无功功率，Q0i为逆变器额定输出无功功率；
所述控制方法具体包括如下步骤：
步骤一：光伏逆变器的前级Boost电路的直流母线参考电压VDCref与直流母线电压VDCi做差后，依次经比例控制器P调节和PWM调制，产生所述前级Boost电路中升压电路开关管T0的驱动信号；
步骤二：光伏逆变器的后级全桥逆变器通过输出电压vaci和输出电流iaci进行功率计算，获得输出有功功率Pi和无功功率Qi；
步骤三：根据有功功率Pi和无功功率Qi，根据具有弹性有功功率分配的双下垂控制方程生成逆变器输出电压角频率参考值ωi和逆变器输出电压幅值参考值Vi，并根据逆变器输出电压角频率参考值ωi和逆变器输出电压幅值参考值Vi，产生正弦参考信号vref；
步骤四：正弦参考信号vref、输出电压vaci和后级全桥逆变器中的电感电流iLi进行电压电流双环控制，最终产生SPWM调制信号，驱动后级全桥逆变器中的开关管，完成控制。
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