CN106300440A - 基于下垂控制的微电网逆变器系统及其平滑切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于下垂控制的微电网逆变器系统及其平滑切换方法，通过采用下垂控制，无功功率与有功功率的平衡来调整输出电压幅值与频率，保证逆变器既可以自治运行也可以并网运行；当电网状态正常时，控制电路调整逆变器的输出电压幅值与频率，满足并网要求后，将并网开关闭合，逆变器会根据系统前后的频率与电压变化，根据下垂方程输出合适的电压与频率，维持系统电压和频率稳定。当检测到电网状态异常或需要切换至自治运行模式时，将并网开关断开，逆变器会依据下垂方程自动输出合适的有功功率与无功功率，维持系统的有功功率与无功功率平衡。本发明采取下垂控制可以实现逆变器自治运行与并网运行之间的平滑切换，具有良好的应用前景。

Description

基于下垂控制的微电网逆变器系统及其平滑切换方法

技术领域

本发明涉及分布式发电技术领域，具体涉及一种基于下垂控制的微电网逆变器系统及其平滑切换方法。

背景技术

在世界各国大力发展新能源发电，提高分布式发电技术的同时，逆变器是其中不可或缺的环节。在光伏并网发电、风力发电中交-直-交变速风力并网发电、生物质能并网发电等并网发电系统中，逆变器将直流电能或不规则的交流电能转换为满足标准的交流电能，进行并网或直接给负荷供电，起到的转换能量的桥梁作用，也是分布式发电系统的关键技术之一。

在一定程度上说，逆变器的性能好坏直接影响分布式发电系统的可靠性和安全性。并且，随着对大电网要求越来越高，当大电网发生故障时，要求以分布式电源，并网逆变器等组成的微电网系统继续为负荷供电，保证用户供电的正常运行。只有在保证并网逆变器的控制性能的前提下，才能使整个微电网系统可靠运行。

传统的逆变器一般工作在并网状态或者自治状态，很少可以满足两种工作模式，即使满足也存在两种模式的切换，在模式切换过程中，由于控制模式、运行状态的不同，很容易引电网系统不稳定，从而使逆变器或者负载进行自我保护，严重的将逆变器和负载烧坏，甚至电网造成不可修复的损坏，是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有的逆变器在两种模式的切换过程中容易引起电网系统不稳定的问题。本发明的基于下垂控制的微电网逆变器系统及其平滑切换方法,在逆变器满足并网要求时，由自治状态转换为并网状态，在切换的过程中，逆变器电压和频率随着暂态过程自动调节，能抑制电压、电流的波动，实现平滑切换；当逆变器由并网状态切换到自治状态时，是一个逆变器和电网解耦的过程，在此过程中，可以保证逆变器的输出电压的平滑过渡，并且不会引起电网电流的突变，提高系统的稳定性和可靠性，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于下垂控制的微电网逆变器系统，其特征在于：包括逆变器电路单元和逆变器控制电路单元，所述逆变器电路单元包括直流母线电源Vdc、三相逆变桥电路、三相滤波电感、三相滤波电容、三相变压器、负荷和并网开关；所述逆变器控制电路单元包括采样电路、滤波电路、控制电路及驱动电路；所述采样电路包括逆变器输出电压、输出电路以及电网电压的采集通道；所述控制单元包括功率计算模块、有功下垂调节模块、无功下垂调节模块、三相电压生成模块、电压基准与输出反馈比较模块、电压控制器、电流基准与输出反馈比较模块、电流调节器、锁相环模块、三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块、两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换模块、功率计算模块和PWM信号发生模块，所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块为abc/dq坐标变换模块，所述两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换模块为dq/αβ坐标变换模块；

所述直流电源Vdc接于三相逆变桥电路的直流输入测，三相逆变桥的交流输出侧接三相滤波电感的一侧，三相滤波电感的另一侧连接三相滤波电容的一侧，三相滤波电容采用Y型接法，三相滤波电容的另一侧接三相变压器的原边，三相变压器的副边接负荷，三相变压器副边连接并网开关的一端，并网开关的另一端连接电网。

所述采样电路分别采样逆变器的三相输出电压、滤波电流以及电网电压，并且以上三个采集通道的输出作为低通滤波器的输入，低通滤波器的输出分别连接控制单元，作为坐标变换的输入；

所述控制电路将经过滤波处理之后的电压和电流信号，作为abc/dq坐标变换模块的输入，其中，电网电压坐标变换的输出与滤波电流的输出共同作为功率计算模块的输入；电网电压坐标变换的输出作为锁相环的输入，锁相环的输出为电压幅值与频率，功率计算模块的输出无功功率P和锁相环输出单元的电压均连接到无功功率下垂调节模块的输入端，有功功率下垂调节单元输出电压幅值给定值，无功下垂调节模块的输出频率给定值，两个下垂调节模块的输出一起作为三相电压生成模块的输入生成三相给定电压，三相电压生成模块的输出经abc/dq坐标变换模块，分别输出d坐标系和q坐标系下的电压给定值，逆变器输出电压经abc/dq坐标变换输出的d坐标系与q坐标系下的值分别同给定d坐标系和q坐标系下的电压一起，作为电压基准与输出反馈比较模块的输入，电压基准与输出反馈比较模块的输出分别连接d坐标系和q坐标系下的电压控制器的输入，d坐标系和q坐标系下的电压控制器的输出端分别与滤波电流abc/dq坐标变换输出的d坐标系和q坐标系下的电流值一起作为电流控制器的输入，电流控制器在d坐标系和q坐标系下的输出作为dq/αβ坐标变换模块的输入，经dq/αβ变换之后，dq/αβ坐标变换模块的输出端连接PWM信号发生器的输入端，经PWM发生器，产生PWM信号，该信号作为驱动电路的输出，直接驱动三相逆变桥电路运行。

基于下垂控制的微电网逆变器系统的平滑切换方法，其特征在于：逆变器设置有四种运行状态包括逆变器自治运行状态、逆变器并网运行状态、电网状态正常时逆变器从自治转换为并网运行状态、电网发生故障或逆变器主动从并网转换为自治运行状态，且每种状态运行过程为，

(A)，当逆变器自治运行状态时，根据检测得到的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，作为有功下垂调节模块、无功下垂调节模块的输入，得到的调节后电网电压幅值u^*和频率f^*均与电网参数无关；

(B)，当逆变器并网运行状态时，根据检测得到的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，经过有功下垂调节模块、无功下垂调节模块，得到调整后的电网电压幅值u^*和频率f^*作为并网时逆变器的电压、频率给定；

(C)，当电网状态正常时逆变器从自治转换为并网运行状态时，当逆变器的输出电压和电网电压差值满足并网要求时，闭合并网开关，逆变器通过给定的电压幅值u^*和频率f^*，自动调整为并网状态的值，并且在运行过程中，不断调整更新电压幅值u^*和频率f^*，保证在并网过程中达到平滑切换，直到作在并网状态；

(D)，当电网发生故障或逆变器主动从并网转换为自治运行状态时，将并网开关断开，逆变器给定的电压幅值u^*和频率f^*，自动调整为自治状态的值，由于给定的电压幅值u^*和频率f^*的暂态变化，保证在切换过程中平滑过渡，直到逆变器达到自治状态。

前述的基于下垂控制的微电网逆变器系统的平滑切换方法，其特征在于：(A)，当逆变器自治运行状态时，得到的调节后电网电压幅值u^*和频率f^*，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=f_0\\ u^{*}=u_0\end{array}\right.$

其中，u₀和f₀分别为初始给定电压幅值与频率，则逆变器的给定与电网电压是解耦的；

(B)，当逆变器并网运行状态时，调整后的电网电压幅值u^*和频率f^*作为并网时逆变器的电压、频率给定，u^*、f^*分别为，

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=f-m\×(P_f-P^{*})\\ u^{*}=u-n\×(Q_f-Q^{*})\end{array}\right.$

其中，f为检测得到的电网初始频率、u为检测得到的电网初始电压幅值、m为频率调节系数、n为电压调节系数、P_f为电网的有功功率、Q_f为电网的无功功率、P^*为电网的给定有功功率、Q^*为电网的给定无功功率。

本发明的有益效果是：本发明的基于下垂控制的微电网逆变器系统及其平滑切换方法，通过采用下垂控制，无功功率与有功功率的平衡来调整输出电压幅值与频率，保证逆变器既可以自治运行也可以并网运行；当电网状态正常时，控制电路调整逆变器的输出电压幅值与频率，满足并网要求后，将并网开关闭合，逆变器会根据系统前后的频率与电压变化，根据下垂方程输出合适的电压与频率，维持系统电压和频率稳定。当检测到电网状态异常或需要切换至自治运行模式时，将并网开关断开，逆变器会依据下垂方程自动输出合适的有功功率与无功功率，维持系统的有功功率与无功功率平衡。本发明采取下垂控制可以实现逆变器自治运行与并网运行之间的平滑切换，在逆变器满足并网要求时，由自治状态转换为并网状态，在切换的过程中，逆变器电压和频率随着暂态过程自动调节，能抑制电压、电流的波动，实现平滑切换；当逆变器由并网状态切换到自治状态时，是一个逆变器和电网解耦的过程，在此过程中，可以保证逆变器的输出电压的平滑过渡，并且不会引起电网电流的突变，提高系统的稳定性和可靠性，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的基于下垂控制的微电网逆变器系统的系统框图。

图2是本发明的基于下垂控制的微电网逆变器系统的信号走向框图。

图3是本发明的逆变器由并网切换到自治状态波形图。

图4是本发明的逆变器由自治切换到并网状态波形图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1及图2所示，本发明的基于下垂控制的微电网逆变器系统，包括逆变器电路单元10和逆变器控制电路单元20，所述逆变器电路单元10包括直流母线电源Vdc、三相逆变桥电路101、三相滤波电感102、三相滤波电容103、三相变压器104、负荷105和并网开关106；所述逆变器控制电路单元20包括采样电路201、滤波电路202、控制电路203及驱动电路204；所述采样电路201包括逆变器输出电压、输出电路以及电网电压的采集通道；所述控制单元202包括功率计算模块、有功下垂调节模块、无功下垂调节模块、三相电压生成模块、电压基准与输出反馈比较模块、电压控制器、电流基准与输出反馈比较模块、电流调节器、锁相环模块、三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块、两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换模块、功率计算模块和PWM信号发生模块，所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块为abc/dq坐标变换模块，所述两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换模块为dq/αβ坐标变换模块；

所述直流电源Vdc接于三相逆变桥电路101的直流输入测，三相逆变桥的交流输出侧接三相滤波电感102的一侧，三相滤波电感102的另一侧连接三相滤波电容103的一侧，三相滤波电容103采用Y型接法，三相滤波电容103的另一侧接三相变压器104的原边，三相变压器104的副边接负荷105，三相变压器104副边连接并网开关106的一端，并网开关的另一端连接电网。

所述采样电路201分别采样逆变器的三相输出电压、滤波电流以及电网电压，并且以上三个采集通道的输出作为低通滤波器202的输入，低通滤波器202的输出分别连接控制单元203，作为坐标变换的输入；

所述控制电路203将经过滤波处理之后的电压和电流信号，作为abc/dq坐标变换模块的输入，其中，电网电压坐标变换的输出与滤波电流的输出共同作为功率计算模块的输入；电网电压坐标变换的输出作为锁相环的输入，锁相环的输出为电压幅值与频率，功率计算模块的输出无功功率P和锁相环输出单元的电压均连接到无功功率下垂调节模块的输入端，有功功率下垂调节单元输出电压幅值给定值，无功下垂调节模块的输出频率给定值，两个下垂调节模块的输出一起作为三相电压生成模块的输入生成三相给定电压，三相电压生成模块的输出经abc/dq坐标变换模块，分别输出d坐标系和q坐标系下的电压给定值，逆变器输出电压经abc/dq坐标变换输出的d坐标系与q坐标系下的值分别同给定d坐标系和q坐标系下的电压一起，作为电压基准与输出反馈比较模块的输入，电压基准与输出反馈比较模块的输出分别连接d坐标系和q坐标系下的电压控制器的输入，d坐标系和q坐标系下的电压控制器的输出端分别与滤波电流abc/dq坐标变换输出的d坐标系和q坐标系下的电流值一起作为电流控制器的输入，电流控制器在d坐标系和q坐标系下的输出作为dq/αβ坐标变换模块的输入，经dq/αβ变换之后，dq/αβ坐标变换模块的输出端连接PWM信号发生器的输入端，经PWM发生器，产生PWM信号，该信号作为驱动电路204的输出，直接驱动三相逆变桥电路101运行。

基于下垂控制的微电网逆变器系统的平滑切换方法，逆变器设置有四种运行状态包括逆变器自治运行状态、逆变器并网运行状态、电网状态正常时逆变器从自治转换为并网运行状态、电网发生故障或逆变器主动从并网转换为自治运行状态，且每种状态运行过程为，

(A)，当逆变器自治运行状态时，根据检测得到的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，作为有功下垂调节模块、无功下垂调节模块的输入，得到的调节后电网电压幅值u^*和频率f^*均与电网参数无关；

(B)，当逆变器并网运行状态时，根据检测得到的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，经过有功下垂调节模块、无功下垂调节模块，得到调整后的电网电压幅值u^*和频率f^*作为并网时逆变器的电压、频率给定；

(C)，当电网状态正常时逆变器从自治转换为并网运行状态时，当逆变器的输出电压和电网电压差值满足并网要求时，闭合并网开关，逆变器通过给定的电压幅值u^*和频率f^*，自动调整为并网状态的值，并且在运行过程中，不断调整更新电压幅值u^*和频率f^*，保证在并网过程中达到平滑切换，直到作在并网状态，仿真图，如图3所示。

(D)，当电网发生故障或逆变器主动从并网转换为自治运行状态时，将并网开关断开，逆变器给定的电压幅值u^*和频率f^*，自动调整为自治状态的值，由于给定的电压幅值u^*和频率f^*的暂态变化，保证在切换过程中平滑过渡，直到逆变器达到自治状态，仿真图，如图4所示。

前述的基于下垂控制的微电网逆变器系统的平滑切换方法，其特征在于：(A)，当逆变器自治运行状态时，得到的调节后电网电压幅值u^*和频率f^*，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=f_0\\ u^{*}=u_0\end{array}\right.$

其中，u₀和f₀分别为初始给定电压幅值与频率，则逆变器的给定与电网电压是解耦的；

(B)，当逆变器并网运行状态时，调整后的电网电压幅值u^*和频率f^*作为并网时逆变器的电压、频率给定，u^*、f^*分别为，

$\left\{\begin{array}{c}{f}^{*}=f-m\×(P_f-P^{*})\\ u^{*}=u-n\×(Q_f-Q^{*})\end{array}\right.$

其中，f为检测得到的电网初始频率、u为检测得到的电网初始电压幅值、m为频率调节系数、n为电压调节系数、P_f为电网的有功功率、Q_f为电网的无功功率、P^*为电网的给定有功功率、Q^*为电网的给定无功功率，m、n的取值，本领域技术人员根据公知进行取值，m为0.5-1.5之间，优选0.8；n为0.8-1.6之间，优选1.2。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于下垂控制的微电网逆变器系统，其特征在于：包括逆变器电路单元(10)和逆变器控制电路单元(20)，所述逆变器电路单元(10)包括直流母线电源Vdc、三相逆变桥电路(101)、三相滤波电感(102)、三相滤波电容(103)、三相变压器(104)、负荷(105)和并网开关(106)；所述逆变器控制电路单元(20)包括采样电路(201)、滤波电路(202)、控制电路(203)及驱动电路(204)；所述采样电路(201)包括逆变器输出电压、输出电路以及电网电压的采集通道；所述控制单元(202)包括功率计算模块、有功下垂调节模块、无功下垂调节模块、三相电压生成模块、电压基准与输出反馈比较模块、电压控制器、电流基准与输出反馈比较模块、电流调节器、锁相环模块、三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块、两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换模块、功率计算模块和PWM信号发生模块，所述三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块为abc/dq坐标变换模块，所述两相旋转坐标系到两相静止坐标系变换模块为dq/αβ坐标变换模块；

所述直流电源Vdc接于三相逆变桥电路(101)的直流输入测，三相逆变桥的交流输出侧接三相滤波电感(102)的一侧，三相滤波电感(102)的另一侧连接三相滤波电容(103)的一侧，三相滤波电容(103)采用Y型接法，三相滤波电容(103)的另一侧接三相变压器(104)的原边，三相变压器(104)的副边接负荷(105)，三相变压器(104)副边连接并网开关(106)的一端，并网开关的另一端连接电网。

所述采样电路(201)分别采样逆变器的三相输出电压、滤波电流以及 电网电压，并且以上三个采集通道的输出作为低通滤波器(202)的输入，低通滤波器(202)的输出分别连接控制单元(203)，作为坐标变换的输入；

所述控制电路(203)将经过滤波处理之后的电压和电流信号，作为abc/dq坐标变换模块的输入，其中，电网电压坐标变换的输出与滤波电流的输出共同作为功率计算模块的输入；电网电压坐标变换的输出作为锁相环的输入，锁相环的输出为电压幅值与频率，功率计算模块的输出无功功率P和锁相环输出单元的电压均连接到无功功率下垂调节模块的输入端，有功功率下垂调节单元输出电压幅值给定值，无功下垂调节模块的输出频率给定值，两个下垂调节模块的输出一起作为三相电压生成模块的输入生成三相给定电压，三相电压生成模块的输出经abc/dq坐标变换模块，分别输出d坐标系和q坐标系下的电压给定值，逆变器输出电压经abc/dq坐标变换输出的d坐标系与q坐标系下的值分别同给定d坐标系和q坐标系下的电压一起，作为电压基准与输出反馈比较模块的输入，电压基准与输出反馈比较模块的输出分别连接d坐标系和q坐标系下的电压控制器的输入，d坐标系和q坐标系下的电压控制器的输出端分别与滤波电流abc/dq坐标变换输出的d坐标系和q坐标系下的电流值一起作为电流控制器的输入，电流控制器在d坐标系和q坐标系下的输出作为dq/αβ坐标变换模块的输入，经dq/αβ变换之后，dq/αβ坐标变换模块的输出端连接PWM信号发生器的输入端，经PWM发生器，产生PWM信号，该信号作为驱动电路(204)的输出，直接驱动三相逆变桥电路(101)运行。

2.基于权利要求1所述的基于下垂控制的微电网逆变器系统的平滑切 换方法，其特征在于：逆变器设置有四种运行状态包括逆变器自治运行状态、逆变器并网运行状态、电网状态正常时逆变器从自治转换为并网运行状态、电网发生故障或逆变器主动从并网转换为自治运行状态，且每种状态运行过程为，

(A)，当逆变器自治运行状态时，根据检测得到的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，作为有功下垂调节模块、无功下垂调节模块的输入，得到的调节后电网电压幅值u^*和频率f^*均与电网参数无关；

(B)，当逆变器并网运行状态时，根据检测得到的电网电压幅值u和频率f，以及计算得到的有功功率和无功功率，经过有功下垂调节模块、无功下垂调节模块，得到调整后的电网电压幅值u^*和频率f^*作为并网时逆变器的电压、频率给定；

(C)，当电网状态正常时逆变器从自治转换为并网运行状态时，当逆变器的输出电压和电网电压差值满足并网要求时，闭合并网开关，逆变器通过给定的电压幅值u^*和频率f^*，自动调整为并网状态的值，并且在运行过程中，不断调整更新电压幅值u^*和频率f^*，保证在并网过程中达到平滑切换，直到作在并网状态；

(D)，当电网发生故障或逆变器主动从并网转换为自治运行状态时，将并网开关断开，逆变器给定的电压幅值u^*和频率f^*，自动调整为自治 状态的值，由于给定的电压幅值u^*和频率f^*的暂态变化，保证在切换过程中平滑过渡，直到逆变器达到自治状态。

3.根据权利要求2所述的基于下垂控制的微电网逆变器系统的平滑切换方法，其特征在于：(A)，当逆变器自治运行状态时，得到的调节后电网电压幅值u^*和频率f^*，分别为：

其中，u₀和f₀分别为初始给定电压幅值与频率，则逆变器的给定与电网电压是解耦的；

(B)，当逆变器并网运行状态时，调整后的电网电压幅值u^*和频率f^*作为并网时逆变器的电压、频率给定，u^*、f^*分别为，

其中，f为检测得到的电网初始频率、u为检测得到的电网初始电压幅值、m为频率调节系数、n为电压调节系数、P_f为电网的有功功率、Q_f为电网的无功功率、P^*为电网的给定有功功率、Q^*为电网的给定无功功率。