CN106300435B - 孤立微网单相多逆变器并联系统及其分布式控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种孤立微网单相逆变器并联系统及其分布式控制方法，所述的系统包括n台并联单相全桥逆变器、单相负载和交流母线，其中n为大于等于2的正整数，每一台并联逆变器包括主电路和控制电路，本发明可以有效实现无或极少通信线下的多并联逆变器间协同控制并具有良好的电流均分特性，系统动态响应迅速，可作为孤立微电网中的组网元件，为系统提供电压、频率支撑。当从网元件发生功率波动或负荷突变时，可实现快速、准确的功率分配，保证了孤立微网的供电可靠性。

Description

孤立微网单相多逆变器并联系统及其分布式控制方法
技术领域
本发明涉及多并联逆变器，特别是一种孤立微网单相单相多逆变器并联系统及其分布式控制方法。
背景技术
微电网作为智能电网的关键技术之一，可有效解决分布式电源因位置分散、形式多样、特点各异而对主网和用户造成的冲击，实现对分布式电源的有效整合和高效利用，近年来受到了广泛关注。在微网运行于孤岛模式下，需要多台逆变器并联运行，共同作为组网元件为独立微电网提供电压和频率支撑。
但在多台逆变器并联系统中，由于每台逆变器的等效输出阻抗和到负荷连接点的线路阻抗都存在差异，影响了其功率分配的精度。尤其是在负荷突变和从网元件如光伏、风机发电波动的情况下，不仅要维持负荷连接点的电压、频率稳定，还要保证有功、无功功率的精确分配。因此，制定有效的协调控制策略，是确保多逆变器并联的微电网系统稳定运行，实现功率均分、减少能量损失的关键。
目前，多逆变器并联运行控制策略主要分为主从控制和对等控制两种方法。主从控制要求组网单元必须拥有足够的容量裕度，这极大限制了微电网的规模和系统扩容，并且在控制上需要互联线，降低了系统的可靠性。有互连线的对等控制策略对通讯的实时性要求较高，在面临信号干扰和衰减严重等问题时，控制性能难以保障。
目前最为流行的是无互连线的对等控制，主要指功率下垂控制，通过借鉴同步发电机的自同步和电压下垂特性，实现微源间无互联线的功率分配。近年来，各种基于传统下垂控制的改进方法被相继提出。但是，现有的电压控制环中大多采用比例积分(PI)控制器，限制了系统的动态响应速度，而加入虚拟阻抗和附加反馈环会造成系统控制结构的复杂和参数整定困难，影响控制效果。
因此，需要提出一种新型的分布式控制策略，对微电网中并联逆变器系统进行无通信或极少通信协同控制(无并联逆变器投切，不需要通信，而当有并联逆变器投切时只需更新系统内并联逆变器的总台数)。在系统独立运行时，该策略可以有效地抑制各逆变器输出电流间的误差，并在光伏发电功率波动或负载发生变化时，快速维持电压、频率稳定，同时实现功率的精确分配，以确保光-储微电网系统的可靠运行。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供孤立微网单相多逆变器并联系统及其分布式控制方法。该方法能够在无或极少通信线的条件下基于本地信息进行控制，并且易于实现，在确保孤立微网交流母线电压稳定的情况下，能够精确分配负荷功率，抑制电流分配误差。并且动态响应迅速，在发电侧发生波动或负荷发生改变时，快速维持电压、频率稳定，保证了微电网系统的可靠运行。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种孤立微网单相多逆变器并联系统，其特点在于，该系统包括n台并联的单相逆变器、单相负载和交流母线，其中n为大于2的正整数，每一台并联的单相逆变器包括主电路和控制电路，所述的主电路包括分布式直流电源、单相逆变电路、滤波电路等效电阻、滤波电感、滤波电容，所述的分布式直流电源为直流电压源；所述的单相逆变电路的输入端与所述的分布式直流电源相连；所述的分布式直流电源输出的直流电经单相逆变电路后得到单相交流电，经所述的滤波电路的等效电阻、滤波电感和滤波电容后连接至所述的交流母线的火线和零线；
所述的控制电路包括观测器、分布式控制器、第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第四比例放大器、第五比例放大器和正弦脉宽调制模块，所述的第一比例放大器、第二比例放大器、第三比例放大器、第四比例放大器和第五比例放大器的比例放大系数分别为：q、1/C、LkCk、Rk、1/Vdck。
所述的孤立微网单相多逆变器并联系统的分布控制方法，该控制方法是每一台并联的单相逆变器进行自我控制，第k台单相并联储能逆变器逆变器都按如下步骤进行控制，其中k为1、2、3、…、或n：
1)第k台单相逆变器的控制电路经第一输入端采集交流母线电压vo，与给定的参考电压值vref做差，得到跟踪误差信号ev＝vo-vref；
2)按下列公式计算滤波跟踪误差信号并输入所述的分布式控制器的第一输入端：
其中，qev是所述的跟踪误差信号ev经放大比例系数为k的第一比例放大器放大后的值，dvref为参考电压的微分值，所述的交流母线电压vo经观测器得到的精确的微分估计值ko为观测器的增益；
3)所述的控制电路经第二输入端采集第k台逆变器的电感电流ik，经放大比例系数为1/C的第二比例放大器的放大后为ik/C，输入所述的分布式控制器的第二输入端；所述的C由算式计算，所述Ck为第k台单相逆变器的滤波电容的估计值；
4)所述的分布式控制器按下列公式计算并输出第三控制变量uk：
其中，n为并联逆变器的总数，α、ks、ρ均为用户自定义大于零的参数，为所述的参考电压一阶导数，dvref为参考电压的一阶微分；为参考电压二阶导数，表示为：
第三控制变量uk经放大比例系数为LkCk的第三比例放大器放大后得第四控制变量LkCk uk，LkCk为第k台单相逆变器的滤波电感Lk和滤波电容Ck的估计值的积；
所述的电感电流ik经放大比例系数为Rk的第四比例放大器的放大值为Rk ik，Rk为第k台单相逆变器的滤波等效电阻的估计值；
按下列公式计算调制波信号vck：
vck＝LkCkuk+Rkik+v0；
5)所述的调制波信号vck经依次的放大比例系数为1/Vdck的第五比例放大器和正弦脉宽调制模块得到的4路控制脉冲波S1、S2、S3、S4，输入第k台单相逆变器的单相逆变电路进行控制。
所述的观测器内部算式如下：
其中，和分别为和vo的估计值，ko为观测器的增益，根据获得实时更新，定义观测器的输出误差为：
通过设置足够大的观测器的增益ko，可使观测器输出误差调节到系统允许的范围内；
本发明的有益效果在于：
针对独立运行模式下的含有多逆变器并联的微电网系统，本发明的控制方法可在无通信或极少通信的情况下，保证多并联逆变器系统作为组网单元，提供稳定的系统电压和频率，且对逆变器主电路参数差异引起的电流分配误差具有很好的抑制作用。在从网元件如光伏、风机发电波动或负荷发生突变时，能够在保证微电网系统在孤岛模式下稳定运行的同时，快速、有效地实现功率的精确均分，为进一步提升供电的可靠性提供保障。
附图说明
图1是本发明孤立微网单相多逆变器并联系统的主电路和控制电路原理示意图。
图2是本发明所述微电网一次系统示意图。
图3是本发明负载突变下的仿真结果图，包括：
图3(a)是本发明并联逆变器系统、光伏系统和负载有功功率波形；
图3(b)是本发明3台逆变器发出有功功率波形；
图3(c)是本发明并联逆变器系统输出电压电流波形；
图3(d)是本发明并联逆变器输出电流分配误差图。
图4是本发明光伏发电波动下的仿真结果图，包括：
图4(a)是本发明并联逆变器系统、光伏系统和负载有功功率波形；
图4(b)是本发明3台逆变器各自输出电流波形；
图4(c)是本发明并联逆变器输出电流分配误差图。
具体实施方式
结合实施例和附图进一步说明本发明的技术方案，但不应以此限制本发明的保护范围。如本实施案例以储能逆变器作为本发明控制策略的具体实施对象，但不应以此限制本发明的应用范围。
如图1是本发明多并联逆变器分布式控制系统原理图，包括单台逆变器主电路1、控制电路2、其余n-1台并联逆变器及其控制电路3以及单相负载9和交流母线10五部分。
单台逆变器的主电路1包括分布式直流电源4、单相H桥型逆变桥电路5、滤波电路等效电阻6、滤波电感7、滤波电容8。
控制电路2包括观测器11、分布式控制器12、不同系数的比例放大器13～16、比例放大器17、正弦脉宽调制模块18。
所述单台逆变器1与其余n-1台逆变器以及单相负载9之间互为并联关系，共同连接至交流母线10的正、负线；所述分布式直流电源4作为直流电压源；所述单相H型逆变桥电路5的输入端与分布式直流电源4相连；分布式直流电源4输出的直流电经单相逆变电路5后得到单相交流电，经所述的滤波电路的等效电阻6、滤波电感7后连接至交流母线10，所述的滤波电容8并联的网络后与交流母线10相连。
所述控制电路2接受采集交流母线10的电压vo以及滤波电感7上的电流值i1，本发明孤立微电网多并联逆变器的控制方法，包括下列步骤：
所述的交流母线电压vo与设定的参考电压值vref做差，其中参考电压值vref＝Vsin(ωt)，V表示参考电压的幅值，ω表示参考电压的角频率，初始相位设为0，得到电压跟踪误差ev，经放大系数为k的比例放大器13，得到第一控制变量kev，交流母线电压vo通过观测器11得到精确的微分估计值
其中，和分别为和vo的估计值，ko为观测器的增益，根据获得实时更新。定义观测器的输出误差为：
通过设置足够大的观测器的增益ko，可使观测器输出误差调节到系统允许范围内。
参考电压的一阶微分表示为dvref＝Vωcos(ωt)，与上述交流母线电压微分估计值以及控制变量kev相加，得到跟踪误差变量
所述电感电流i1经第二放大比例放大器14的放大(比例系数为1/C)后，得到第二控制变量i1/C，与共同作为分布式控制器12的输入，经分布式控制器12输出第三控制变量u1：
其中，n为并联逆变器总数，α、ks、ρ均为用户自定义大于零的参数，为设定的参考电压一阶导数，dvref参考电压的一阶微分；为设定的参考电压二阶导数，表示为：
第三控制变量u1经第三比例放大器15(放大系数为L1C1)，得到第四控制变量L1C1u1；所述的电感电流i1经放大系数为R1的第四比例放大器16，得到第五控制变量R1i1；所述交流母线电压vo与第四控制变量L1C1u1，第五控制变量R1i1相加，得到调制波信号vc1，该调制波信号vc1经第五比例放大器17后，输入正弦波矢量调制模块18，得到四路脉冲信波S1、S2、S3、S4，输入并控制所述的单相H桥型逆变电路5。
其余并联逆变器3均采用相同的控制算法，基于本地信息即可实现分布式协同控制。
现利用Matlab/Simulink搭建了3台储能逆变器和1台光伏逆变器并联系统仿真模型，并模拟负荷突变和光伏发电波动两种实际工况，对所提控制算法进行检验。如图2所示。
图2中19～21为三台并联储能逆变系统，22为两级式光伏逆变系统，23为交流电网，24为并网开关，25为单相负载。
工况1：系统初始时刻与电网相连并空载运行，在0.1s时刻系统脱离电网转为独立运行模式，但仍为空载运行状态，在0.2s时刻并入3kW负载，0.4s时增加1.5kW负载。光伏系统输出功率不变，稳定在1kW左右，3台单相逆变器同时运行。仿真结果如图3所示。PPV代表光伏输出功率；Pload代表负载功率；PS1、PS2、PS3分别代表3台单相逆变器的输出功率。
从图3(a)可以看出，0.1s至0.2s，光伏系统输出功率大于负载功率，储能系统充电，0.2s之后，负载功率大于光伏系统输出功率，储能系统放电，0.4s时负载突变，储能系统的输出功率也相应增大。整个过程中，3台储能系统可以快速、准确地配合光伏发电系统对负荷供电，随着负荷功率的增加，逆变器有功输出平稳。从图3(b)可以看出，储能系统的输出功率做到了精确分配。图3(c)为三台单相逆变器各自的输出电流和负荷连接点处电压波形，通过局部放大图可以看出，在0.2s时电流方向发生改变，储能系统由放电状态改为充电状态；在0.4s时，由于功率缺额的增大，电流幅值也变大，整个过程电流变化平稳、无抖动，系统动态效果良好；且输出电压稳定，保证了整个光-储微电网系统的可靠运行。图3(d)展现了三台单相逆变器两两电流差值，可以看到电流分配误差始终处于0.4A以内，抑制效果显著。
工况2：系统在0.1s之前并网运行，在0.1s时刻脱离电网独立运行，负载始终为3kW。模拟光照强度发生改变引起光伏系统的输出功率产生波动，0.1s至0.2s光伏输出功率为1kW；0.2s至0.3s上升至1.5kW；0.3s至0.4s输出功率继续上升到2kW，0.4s至0.5s输出功率下降到1.2kW。
系统的有功功率波形如图4(a)所示。可以看出，在负载不变时，储能系统输出功率随光伏输出功率的改变而变化，始终保持了稳定供电水平。图4(b)说明并联逆变器输出电流分配效果良好，动态响应迅速。图4(c)所示的电流分配误差波形(0.4A以内)进一步说明了该控制策略在均流方面的有效性。
由此可见，光-储微电网在独立运行模式下，采用所提控制策略设计的多逆变器并联系统具有良好的功率分配精度和瞬时均流能力，系统的动态响应迅速，且并联储能系统作为组网单元，时刻满足电压、频率稳定的要求。

Claims (1)

1.一种孤立微网单相多逆变器并联系统的分布控制方法，该系统包括n台并联的单相逆变器、单相负载(9)和交流母线(10)，其中n为大于等于2的正整数，每一台并联单相逆变器包括主电路(1)和控制电路(2)，所述的主电路(1)包括分布式直流电源(4)、单相全桥逆变电路(5)、滤波电路等效电阻(6)、滤波电感(7)、滤波电容(8)，所述的分布式直流电源(4)为直流电压源；所述的单相全桥逆变电路(5)的输入端与所述的分布式直流电源(4)相连；所述的分布式直流电源(4)输出的直流电经单相全桥逆变电路(5)后得到单相交流电，经所述的滤波电路的等效电阻(6)、滤波电感(7)和滤波电容(8)后连接并传输至所述的交流母线(10)的火线和零线端；所述的控制电路(2)包括观测器(11)、分布式控制器(12)、第一比例放大器(13)、第二比例放大器(14)、第三比例放大器(15)、第四比例放大器(16)、第五比例放大器(17)和正弦脉宽调制模块(18)，所述的第一比例放大器(13)、第二比例放大器(14)、第三比例放大器(15)、第四比例放大器(16)和第五比例放大器(17)的比例放大系数分别为：q、1/C、LkCk、Rk和1/Vdck，其特征在于，该控制方法是每一台并联的单相逆变器进行自我控制，第k台单相逆变器都按如下步骤进行控制，其中k为1、2、3、…、或n；
1)第k台单相逆变器的控制电路(2)经第一输入端采集交流母线(10)电压vo，与给定的参考电压值vref做差，得到跟踪误差信号ev＝vo-vref；
2)按下列公式计算滤波跟踪误差信号并输入所述的分布式控制器(12)的第一输入端：
其中，qev是所述的跟踪误差信号ev经比例放大系数为q的第一比例放大器(13)放大后的值，dvref为参考电压的微分值，所述的交流母线电压vo经观测器(11)得到的精确的微分估计值ko为观测器的增益；
3)所述的控制电路(2)经第二输入端采集第k台逆变器的电感电流ik，经比例放大系数为1/C的第二比例放大器(14)的放大后为ik/C，输入所述的分布式控制器(12)的第二输入端；所述的C由算式计算，所述Ck为第k台单相逆变器的滤波电容的估计值；
4)所述的分布式控制器(12)按下列公式计算并输出第三控制变量uk：
其中，n为并联逆变器的总数，α、ks、ρ均为用户自定义大于零的参数，为所述的参考电压一阶导数；为参考电压二阶导数，表示为：
第三控制变量uk经比例放大系数为LkCk的第三比例放大器(15)放大后得第四控制变量LkCkuk，LkCk为第k台单相逆变器的滤波电感Lk和滤波电容Ck的估计值的积；
所述的电感电流ik经比例放大系数为Rk的第四比例放大器(16)的放大值为Rkik，Rk为第k台单相逆变器的滤波等效电阻的估计值；
按下列公式计算调制波信号vck：
vck＝LkCkuk+Rkik+v0；
5)所述的调制波信号vck经依次的比例放大系数为1/Vdck的第五比例放大器(17)和正弦脉宽调制模块(18)得到的4路控制脉冲波S1、S2、S3、S4，输入第k台单相并联逆变器的单相全桥逆变电路(5)进行控制。
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