CN106712106B - 一种可抑制并联运行逆变器环流的虚拟阻抗在线调节法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抑制并联运行逆变器环流的虚拟阻抗在线调节法，该方法通过在传统基于下垂控制的逆变器的虚拟阻抗实现环节中引入一种调节函数，实现了对虚拟阻抗的按需实时调节。本发明不仅可有效保证多台逆变器并联运行时的连线阻抗呈现主感性特性，而且可大幅减小因线路阻抗差异导致的逆变器无功功率不均分程度，可有效抑制逆变器间的无功环流。

Description

一种可抑制并联运行逆变器环流的虚拟阻抗在线调节法

技术领域

本发明涉及分布式发电、微电网技术领域，特别涉及一种逆变器并联运行系统中虚拟阻抗的在线调节法。

背景技术

随着用电需求量的不断增加，对微网中逆变电源的容量和可靠性的要求越来越高，逆变器并联运行是提高电源系统可靠性和扩大供电容量的一种重要途径。如何保证并联逆变器间协调运行、实现不同功率等级逆变器间功率精确分配和环流抑制是实现微网稳定运行的关键问题。

现如今，下垂控制广泛应用于无互联线逆变器并联，多个逆变器同时参与微电网电压幅值和频率调节，各逆变器的运行功率按照容量分配。然而，由于逆变器参数、线路阻抗等各异，并联运行的等效输出阻抗很难达到精确匹配，所以传统的下垂控制难以实现功率精确分配和环流抑制。为了降低逆变器功率控制对输出阻抗和设计参数差异的敏感性，有学者提出引入虚拟阻抗环节，但是传统的虚拟阻抗环节会造成逆变器端较大的压降，影响逆变器的性能，增加了不稳定因素。

目前，对于并联运行逆变器的功率精确分配和环流抑制问题，已有多篇学术论文和专利进行研究并提出解决方法，例如：

1、程军照等人在发表的“一种不等容逆变器并联运行负荷分担的控制方法”的专利中提出了在控制中增设虚拟阻抗的方法，它通过设定虚拟阻抗值与逆变器额定容量成反比来实现功率精确分配。该方法的缺点主要是：忽略了逆变器间线路阻抗的影响，加入的虚拟阻抗大于线路阻抗5倍，增大了逆变器输出电压的压降，影响了系统的性能。

2、题为“Robust Droop Controller for Accurate Proportional Load SharingAmong Inverters Operated in Parallel”,Qing-Chang Zhong,《IEEE transactions onIndustrial Electronics》,2013,60(4):1281-1290，该文章在传统下垂控制的无功下垂环节加入了积分环节，可以使无功功率不受线路阻抗的影响，但由于该方法需要检测公共点电压，对于安装位置距离公共点较远的逆变器需要额外的通信设备和通信线路，增加了成本。

3、Chia-Tse Lee等人发表的“A New Droop Control Method for theAutonomous Operation of Distributed Energy Resource Interface Converters”《IEEE transactions on power electronics》,2013:1980-1993，该文章提出了一种下垂控制来改善功率分配精度，并加入了电压复原控制来消除电压偏差。该方法的缺点是电压复原控制的加入降低了功率分配的精度，并且可以从仿真结果看出该方法对无功功率精确分配的改善效果并不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中逆变器并联运行时无功功率无法按照额定容量来分配负载功率的问题，提供一种可抑制并联运行逆变器环流的虚拟阻抗在线调节法，该方法在传统下垂控制中，加入可调节的虚拟阻抗环节，根据不同逆变器线路阻抗和实时功率来调节虚拟阻抗的大小，以实现不同容量逆变器之间的功率按比例分配和环流抑制，保证微电网稳定运行。

本发明提出一种可抑制并联运行逆变器环流的虚拟阻抗在线调节法，所述调节函数为：

所述调节函数中：X_v为加入的虚拟感抗；下标1,2,3…n,为逆变器标号；X_set为第一逆变器的虚拟感抗初始设定值，第一逆变器为并联运行的n个逆变器中被任意选定的一个且额定容量被作为基准的逆变器；k₁,k₂,...,k_n为逆变器额定容量比；k_v为阻抗调节系数；Q_set为第一逆变器的无功功率设定值；Q_n是逆变器输出的无功功率值。

本发明的有益效果：

本发明可抑制并联运行逆变器环流的虚拟阻抗在线调节法，在并联逆变器的连线线路阻抗不同时，采用该方法自动调节虚拟阻抗，能改善功率分配精度和有效抑制环流。

附图说明

图1为两台逆变器并联运行的简化电路图，图中其中L为连线电感；R为连线电阻；Z_o为负载；V_o1∠δ₁为第一逆变器的输出电压向量，V_o2∠δ₂为逆变器2的输出电压向量；V_g∠0为交流母线的电压向量；I₁∠θ₁为第一逆变器的输出电流向量，I₂∠θ₂为第二逆变器的输出电流向量。

图2为实施例中逆变器控制结构框图。

图3为在X₁/X₂＞2情况下，加入可调节虚拟阻抗之后，可调节虚拟阻抗对阻抗进行调节的工作原理图；图中：X₁和X₂为逆变器的等效连线感抗；I₁和I₂是逆变器的输出无功电流；Q₁和Q₂为逆变器的输出无功功率。

图4为在X₁/X₂＞2情况下，加入可调节虚拟阻抗之后，可调节虚拟阻抗对电压进行调节的工作原理图。

图5为在X₁/X₂＜2情况下，加入可调节虚拟阻抗之后，可调节虚拟阻抗对阻抗进行调节的工作原理图。

图6为在X₁/X₂＜2情况下，加入可调节虚拟阻抗之后，可调节虚拟阻抗对电压进行调节的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

当n台不等容逆变器并联运行，由于实际工作中δ_i通常较小，因此可以近似认为sinδ_i＝δ_i,cosδ_i＝1，第i台逆变器输出有功功率P_i和无功功率Q_i的表达式分别为：

其中L_i为连线电感；R_i为连线电阻；V_oi为逆变器输出电压；V_g为交流母线电压；δ_i为输出电压相位；i＝1,2,...,n。当加入连线电感，线路等效阻抗呈主感性时，即满足ωL_i＞＞R_i时，可以近似地认为有功功率P_i仅与功率角δ_i有关，无功功率Q_i仅与电压幅值V_oi有关；由此，可得简化后的功率表达式：

由上式可以看出，当等效线路呈感性时，有功功率P_i与频率ω_i、无功功率Q_i与电压幅值V_i分别呈线性关系：

ω_i＝ω^*-k_piP_i

V_i＝V^*-k_qiQ_i

式中，ω^*和V^*分别为参考频率和参考电压，k_p和k_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数。对于n台不同容量的逆变器，若要实现按比例分担负荷，则需要满足：

k_p1P₁＝k_p2P₂＝…＝k_pnP_n

k_q1Q₁＝k_q2Q₂＝…＝k_qnQ_n

假设这n台逆变器对应的容量比为k₁:k₂:…:k_n；设第m台逆变器和第r台逆变器之间的有功环流P_{cc_mr}表达式和无功环流Q_{cc_mr}表达式分别为：

Q_{cc_mr}＝k_rQ_m-k_mQ_r＝3[k_rV_om(V_om-V_g)/2X_m-k_mV_or(V_or-V_g)/2X_r]

其中P_{cc_mr}和Q_{cc_mr}分别为有功和无功环流，X为逆变器连线感抗。由有功环流P_{cc_mr}和无功环流Q_{cc_mr}表达式可知，如果通过控制器设计能使得逆变器等效阻抗满足X_m/X_r＝k_r/k_m，同时输出电压幅值V_om＝V_or、相位δ_m＝δ_r，便能够较好地实现功率分配和环流抑制。

在稳态运行时，抑制系统环流和精确分配功率都需要并联逆变器输出电压相等。结合无功下垂和无功功率表达式，可得输出电压表达式：

根据上式可得，在系统稳态运行时，从消除并联逆变器电压偏差考虑，需要X_m/k_qm＝X_r/k_qr成立。综上，无论是从环流抑制还是电压偏差角度考虑，都需要保证输出阻抗与额定容量成反比。

在实际运行当中，由于有功功率控制回路中积分环节的存在，相位条件即频率条件容易满足，系统稳定运行时频率会达到同步，此时有以下条件成立：

ω_m＝ω_r

-k_piP_i＝ω_i-ω*＝const

所以有功功率只需要设定下垂系数成比例就可以实现按容量比例分担负荷有功。而无功功率控制回路由于缺少积分环节，则需要设计等效阻抗与容量成反比来实现无功功率按比例分配。

为了使逆变器等效阻抗达到上述的比例关系，本实施例可抑制并联运行逆变器环流的虚拟阻抗在线调节法，在逆变器控制结构中加入可调节的虚拟阻抗，通过调节函数调节虚拟阻抗，所述调节函数为：

所述调节函数中：X_v为加入的虚拟感抗；X_set为第一逆变器的虚拟感抗初始设定值，第一逆变器为并联运行的n个逆变器中被任意选定的一个且额定容量被作为基准的逆变器；k₁,k₂,...,k_n为逆变器额定容量比；k_v为阻抗调节系数；Q_set为第一逆变器的无功功率设定值；Q_n是逆变器输出的无功功率值。

调节函数中，以第一逆变器为参考，可将Q_set取为第一逆变器所需要负担的无功负荷，即：

式中，Q_max为逆变器可以输出的最大无功功率值。当Q_i＝0时，X_vi取得最小值X_vimin；当Q_i＝Q_max时，X_vi取得最大值X_vimax。假定实际连线感抗为X_0i且等效连线感抗X_i需满足X_min＜X_i＜X_max，则可调节虚拟阻抗的限制条件为：

X_max和X_min分别是维持系统稳定和满足电压降落限制的连线电感值的上下限。根据实际并联系统的相关参数，代入计算可以得到k_v和X_set的取值。

由调节函数可知，虚拟感抗值会随着逆变器输出无功功率的变化而进行调节，目标是使并联逆变单元的等效阻抗与容量成反比。因此在并联逆变器的连线线路阻抗不同时，采用本实施例方法自动调节虚拟阻抗，能改善功率分配精度和有效抑制环流。

下面以两台容量比为1:2的并联逆变器为例，结合附图详细说明可调节虚拟阻抗的工作原理和调节过程。

图2为本实施例中逆变器控制结构框图。本实施例中采用二次广义积分SOGI构造虚拟阻抗。对输出电压和输出电流进行采样，经过dq变换计算出瞬时有功功率和无功功率，并经过一阶低通滤波器进行滤波，得到平均有功功率P和平均无功功率Q。经过有功下垂和无功下垂得到频率指令ω_droop和d轴电压指令u_droop。令q轴电压指令为0，根据d轴电压指令u_droop，经过虚拟阻抗算法得到输出电压闭环d轴指令和输出电压闭环q轴指令。将输出电压闭环d轴指令和输出电压闭环q轴指令经过电压闭环控制方程，得到d轴电感电流指令和q轴电感电流指令。将d轴电感电流指令和q轴电感电流指令经过电流闭环控制方程，便可得到dq坐标系下的调制波，然后经过SVPWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。

图3、图4为在X₁/X₂＞2情况下，加入可调节虚拟阻抗前后，两台逆变器的无功功率调节过程；图中实线①和实线②分别表示第一逆变器和第二逆变器的无功下垂关系，实线③和实线④为输出电压V_n与母线电压V_pcc和线路阻抗X_n之间的关系；从图中可知，由于等效线阻抗与逆变器额定无功功率不成反比，第一逆变器承担无功功率小于第二逆变器承担无功功率的一半，并联逆变器输出电压存在偏差，系统存在较大的无功功率环流。

当加入可调节虚拟阻抗方法之后，在并联过程中各模块均按照调节函数对虚拟阻抗进行调节。第一逆变器的虚拟阻抗调节量为X_v1，第二逆变器的虚拟阻抗调节量为X_v2，由调节函数可得，X_v1＜2X_v2。可见，在调节过程中，X₁+X_v1和X₂+X_v2逐渐向(X₁+X_v1)＝2(X₂+X_v2)趋近。在加入可调节虚拟阻抗前后，认为系统的无功负载保持不变，即Q₁+Q₂＝Q₁′+Q₂′，则两条虚线最终移动到图4所示的⑤和⑥，达到新的稳态工作点；在实际工作中，图3和图4的调节作用是同时进行的，文中为了便于分析而将其抽象为两个过程；对比图3与图4可知，在X₁/X₂＞2的情况下，调节后两个并联单元的输出电压差明显减小，无功功率分配精度有所改善，无功环流得到抑制。在相同负载下，交流母线电压V_pcc的跌落情况相对于传统的虚拟阻抗控制方法也有所改善。在X₁/X₂＜2情况下的调节过程如图5和图6所示，其分析与图3和图4一致，就不赘述。由于X₁/X₂＝2的情况下，满足无功功率精确分配的条件，无需加入虚拟阻抗进行调节，所以在此不作讨论。综上可得，无论第一逆变器和第二逆变器之间的线路阻抗之间呈何种关系，可调节虚拟阻抗的方法都能够适用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种可抑制并联运行逆变器环流的虚拟阻抗在线调节法，当n台不等容逆变器并联运行，第i台逆变器输出有功功率P_i和无功功率Q_i的表达式分别为：

其中L_i为连线电感；R_i为连线电阻；V_oi为逆变器输出电压；V_g为交流母线电压；δ_i为输出电压相位；i＝1,2,...,n；当加入连线电感，线路等效阻抗呈主感性时，即满足ωL_i＞＞R_i时，则近似地认为有功功率P_i仅与功率角δ_i有关，无功功率Q_i仅与电压幅值V_oi有关；由此得简化后的功率表达式：

由上式知道，当等效线路呈感性时，有功功率P_i与频率ω_i、无功功率Q_i与电压幅值V_i分别呈线性关系：

ω_i＝ω^*-k_piP_i

V_i＝V^*-k_qiQ_i

式中，ω^*和V^*分别为参考频率和参考电压，k_p和k_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数；对于n台不同容量的逆变器，若要实现按比例分担负荷，则需要满足：

k_p1P₁＝k_p2P₂＝…＝k_pnP_n

k_q1Q₁＝k_q2Q₂＝…＝k_qnQ_n

假设这n台逆变器对应的容量比为k₁:k₂:…:k_n；设第m台逆变器和第r台逆变器之间的有功环流P_cc__mr表达式和无功环流Q_cc__mr表达式分别为：

Q_{cc_mr}＝k_rQ_m-k_mQ_r＝3[k_rV_om(V_om-V_g)/2X_m-k_mV_or(V_or-V_g)/2X_r]

其中P_{cc_mr}和Q_{cc_mr}分别为有功和无功环流，X为逆变器连线感抗；

其特征在于：

为了使逆变器等效阻抗满足X_m/X_r＝k_r/k_m，同时输出电压幅值V_om＝V_or、相位δ_m＝δ_r，在逆变器控制结构中加入可调节的虚拟阻抗，通过调节函数调节虚拟阻抗，所述调节函数为：

所述调节函数中：X_v为加入的虚拟感抗；X_set为第一逆变器的虚拟感抗初始设定值，第一逆变器为并联运行的n个逆变器中被任意选定的一个且额定容量被作为基准的逆变器；k₁,k₂,...,k_n为逆变器额定容量比；k_v为阻抗调节系数；Q_set为第一逆变器的无功功率设定值；Q_n是逆变器输出的无功功率值；

所述逆变器控制结构为：对逆变器的输出电压和输出电流进行采样，经过dq变换计算出瞬时有功功率和无功功率，并经过一阶低通滤波器进行滤波，得到平均有功功率P和平均无功功率Q；经过有功下垂和无功下垂得到频率指令ω_droop和d轴电压指令u_droop；令q轴电压指令为0，根据d轴电压指令u_droop，经过虚拟阻抗算法得到输出电压闭环d轴指令和输出电压闭环q轴指令，将输出电压闭环d轴指令和输出电压闭环q轴指令经过电压闭环控制方程，得到d轴电感电流指令和q轴电感电流指令；将d轴电感电流指令和q轴电感电流指令经过电流闭环控制方程，得到dq坐标系下的调制波，然后经过SVPWM调制后作为IGBT电路的驱动信号。