CN106712107A - 一种应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法，该方法检测每台并网变流器独立运行时的输入功率、输出功率，由此确定基于变流器损耗特性的效率模型的各次项系数。根据每台并网变流器的效率模型，建立n台并网变流器并联运行时的系统效率表达式。通过计算每台并网变流器的输出功率，进行输出功率优化分配，以期能在不同能量转化效率的并网变流器并联运行时，提高并联系统的系统效率，从而实现并网逆变器、PWM整流器等并网变流器并联运行时的优化控制。

Description

一种应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法

技术领域

本发明涉及并网变流器并联运行领域，更具体地说是涉及一种应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法。

背景技术

随着工业的迅猛发展，用电设备的逐渐增加，对变流器的容量、效率、可靠性的要求越来越高，单个变流器单元独立工作已无法满足需求，变流器并联运行成为扩大系统容量的一种重要途径。功率下垂控制是变流器并联的主要控制方法，实现不同容量的变流器并联，并根据负载变化按自身额定容量对输出功率进行分配，但由于输出外特性差，不适合直接并网。此外，功率下垂控制并未考虑到每台变流器单元自身的能量转化效率，而是单一地以变流器的容量比作为功率分配的唯一依据，从而导致并联系统无法运行在最大系统效率点，增加了系统的损耗，造成了电能的极大浪费。

另一方面，由于千瓦级及以上的变流器的效率提高是非常困难的。为了提高并联系统的效率，往往采用更高效的拓扑，例如将两电平结构换为三电平结构，绕制电感时采用更粗的导线，这些方法将直接导致系统成本和控制复杂度的增加，其效果也仅仅是将效率提升0.5-1％。

因此，需要提供一种低成本的，控制方法简单的应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法，以期能在不同能量转化效率的并网变流器并联运行时，提高并联系统的系统效率，从而实现并网逆变器、PWM整流器等并网变流器并联运行时的优化控制。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、采集n台并网变流器独立运行时的输入电压，输入电流、输出电压和输出电流，并计算出相应并网变流器的输入功率、输出功率；

步骤2、基于并网变流器的功率损耗特性，建立单台并网变流器的效率模型并确定各次项系数；

步骤3、基于单台并网变流器的功率模型，建立n台并网变流器并联运行时的并联系统的系统效率表达式；

步骤4、当并联系统的总输出功率不高于n台并网变流器额定功率总和时，计算出满足最大系统效率条件下各个并网变流器的输出功率，并判断每台变流器的计算输出功率是否在额定功率以下；

步骤5、当出现x台并网变流器的计算输出功率高于自身额定功率时，重新计算各个并网变流器的输出功率；

步骤6、各台并网变流器采用在线寻优和离线计算相结合的方式输出相应的功率。

本发明所述的应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法的特点也在于：

步骤2中单台并网变流器的基于功率损耗的效率模型为：

式(1)中，j为并网变流器的标号，表示j号并网变流器，1≤j≤n；η_j分别表示j号并网变流器的输出功率、输入功率、效率； 分别表示j号并网变流器的可变损耗、不变损耗；分别表示j号并网变流器的可变损耗的二次项系数、一次项系数。

步骤3中并联系统的系统效率η表达式为：

式(2)中，为所述并联系统的总输出功率，记为p_out。

步骤4中满足最大系统效率条件下各个并网变流器的输出功率为：

式(3)中，表示1号到n号并网变流器可变损耗的二次项系数的两倍的倒数之和，表示1号到n号并网变流器可变损耗的一次项系数加一与两倍的二次项系数的比值之和。

所述步骤5中对应的x台并网变流器标号记为m1,m2,…,mx，并以额定功率输出；其余各个并网变流器的输出功率的计算式如下：

式(4)中，表示为m1,m2,…,mx号并网变流器的额定功率之和。

与传统的变流器并联系统的功率分配方法相比，本发明的有益效果体现在：

1.本发明采用优化功率分配方法，得到各个并网变流器的功率分配关系，通过在线寻优和离线计算的方式使并联系统运行在最大系统效率点，从而有效提高了并网变流器并联运行时的系统效率。

2.本发明考虑到变流器实际运行时能量转化效率的差异性，在此基础上建立了基于功率损耗的效率模型，对研究提高并联系统的系统效率具有很高的参考价值。

3.本发明在提高系统效率的同时，确保每台并网变流器均运行与额定功率及以下，避免了出现一部分并网变流器过载运行，另一部分并网变流器欠载运行的情形。

4.本发明无需增加任何外设，系统成本低，控制方法简单，易于实现。

附图说明

图1为现有技术中两台共享直流母线和交流母线的并网变流器并联系统的主电路图；

图2a为本发明两台并网变流器的效率曲线图；

图2b为本发明两台并网变流器的功率分配关系图；

图3a为本发明当P_out＝4.2kW时，两台并网变流器的输出功率优化过程实验结果图；

图3b为本发明当P_out＝8.86kW时，两台并网变流器的输出功率优化过程实验结果图；

图4为本发明并联系统的系统效率曲线及其局部展开图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例以两台并网变流器为例进行说明，所提供的应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法按如下步骤进行：

步骤1、采集n台并网变流器独立运行时的输入电压，输入电流、输出电压和输出电流，并计算出相应并网变流器的输入功率、输出功率；

步骤2、基于并网变流器的功率损耗特性，建立单台并网变流器的效率模型并确定各次项系数；

其中，j号并网变流器的基于功率损耗的效率模型为：

式(1)中，j为并网变流器的标号，表示j号并网变流器，1≤j≤n；η_j分别表示j号并网变流器的输出功率、输入功率、效率； 分别表示j号并网变流器的可变损耗、不变损耗；分别表示j号并网变流器的可变损耗的二次项系数、一次项系数；

如图2a所示，具体实施中，利用步骤1检测到的两台变流器各自的输入、输出功率，结合步骤2中的基于功率损耗的效率模型确定出各次项系数。结果表明本发明采用两台额定功率一致、能量转化效率不一致的变流器单元，其中1号机的能量转化效率明显高于2号机，即满足

步骤3、基于并网变流器的功率模型，建立n台并网变流器并联运行时的并联系统的系统效率表达式如下：

式(2)中，为所述并联系统的总输出功率，为方便叙述，记为p_out；

步骤4、当并联系统的总输出功率不高于n台并网变流器额定功率总和时，计算出满足最大系统效率条件下各个并网变流器的输出功率，并判断每台变流器的计算输出功率是否在额定功率以下；

其中，满足最大系统效率条件下各个并网变流器的输出功率为：

式(3)中，分别表示1号到n号并网变流器可变损耗的二次项系数的两倍的倒数之和，以及1号到n号并网变流器可变损耗的一次项系数加一与两倍的二次项系数的比值之和；p_out由实际需求给定；

步骤5、当步骤4中当出现x台并网变流器的计算输出功率高于自身额定功率时，则重新计算各个并网变流器的输出功率；

其中，对应的x台并网变流器标号为m1,m2,…,mx，并以额定功率输出；其余各个并网变流器的输出功率的计算公式如下：

式(4)中，表示为m1,m2,…,mx号并网变流器的额定功率之和。

步骤6、各台并网变流器采用在线寻优和离线计算相结合的方式输出相应的功率。

如图2b所示，实施例中随着系统功率的增大，采用本发明所提出的优化功率分配方法可以分为以下两个阶段：

第一阶段：系统功率时，根据式(3)可以计算出两台变流器各自的输出功率，且两者均在额定功率以下。忽略常数项的影响，可以看出两台变流器的输出功率与二次项系数成反比，即

第二阶段：系统功率时，根据式(3)可以计算出两台变流器各自的输出功率，其中因此，需根据式(4)重新计算出即能量转化效率高的变流器始终以额定功率运行，另一台变流器的输出功率随系统功率增大而增大；

实施例中，分别选取两个不同的系统功率点进行实验，得到以下实验结果：

如图3a所示，系统功率为4.2kW，以传统的等功率分配方法下的均分功率点作为起始点，每台变流器的输出功率均为2.1kW，并联系统的系统效率为0.967；采用优化功率分配方法，经过200ms的过渡过程追踪并稳定运行于最大系统效率点。此时，1号变流器的输出功率为3.3kW，2号变流器的输出功率为0.9kW，并联系统的系统效率为0.970，可以看出，采用本发明系统效率提高了0.3％。

如图3b所示，系统功率为8.86kW，以传统的等功率分配方法下的均分功率点作为起始点，每台变流器的输出功率均为4.43kW，并联系统的系统效率为0.973；采用优化功率分配方法，经过200ms的过渡过程追踪并稳定运行于最大系统效率点。此时，1号变流器的输出功率为7kW，2号变流器的输出功率为1.86kW，并联系统的系统效率为0.978，可以看出，采用本发明系统效率提高了0.5％。

如图4所示，任意系统效率点下，采用本发明的优化功率分配方法可以获得更高的系统效率，且在中等功率时效率提高更为明显。

Claims (5)

1.一种应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法，其特征按如下步骤进行：

步骤1、采集n台并网变流器独立运行时的输入电压，输入电流、输出电压和输出电流，并计算出相应并网变流器的输入功率、输出功率；

步骤2、基于并网变流器的功率损耗特性，建立单台并网变流器的效率模型并确定各次项系数；

步骤3、基于单台并网变流器的功率模型，建立n台并网变流器并联运行时的并联系统的系统效率表达式；

步骤4、当并联系统的总输出功率不高于n台并网变流器额定功率总和时，计算出满足最大系统效率条件下各个并网变流器的输出功率，并判断每台变流器的计算输出功率是否在额定功率以下；

步骤5、当出现x台并网变流器的计算输出功率高于自身额定功率时，重新计算各个并网变流器的输出功率；

步骤6、各台并网变流器采用在线寻优和离线计算相结合的方式输出相应的功率。

2.根据权利要求1所述的应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法，其特征在于：步骤2中单台并网变流器的基于功率损耗的效率模型为：

$\{\begin{array}{c}{p}_{in}^{\left(j\right)}=p_{out}^{\left(j\right)}+k_2^{\left(j\right)}{\left(p_{out}^{\left(j\right)}\right)}^2+k_1^{\left(j\right)}{p}_{out}^{\left(j\right)}+p_0^{\left(j\right)}\\ {\mathrm{\η}}_j=p_{out}^{\left(j\right)}/p_{in}^{\left(j\right)}\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中，j为并网变流器的标号，表示j号并网变流器，1≤j≤n；η_j分别表示j号并网变流器的输出功率、输入功率、效率； 分别表示j号并网变流器的可变损耗、不变损耗；分别表示j号并网变流器的可变损耗的二次项系数、一次项系数。

3.根据权利要求1所述的应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法，其特征在于：步骤3中并联系统的系统效率η表达式为：

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_{out}^{\left(j\right)}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_{out}^{\left(j\right)}+k_2^{\left(j\right)}{\left(p_{out}^{\left(j\right)}\right)}^2+k_1^{\left(j\right)}{p}_{out}^{\left(j\right)}+p_0^{\left(j\right)}}---\left(2\right)$

式(2)中，为所述并联系统的总输出功率，记为p_out。

4.根据权利要求1所述的应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法，其特征在于：步骤4中满足最大系统效率条件下各个并网变流器的输出功率为：

$p_{out}^{\left(j\right)}=\frac{\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2k_2^{\left(i\right)}}}{p}_{out}+\frac{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{k_1^{\left(i\right)}+1}{2k_2^{\left(i\right)}}\right)-(k_1^{\left(j\right)}+1)\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2k_2^{\left(i\right)}}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2k_2^{\left(i\right)}}}}{2k_2^{\left(j\right)}}---\left(3\right)$

式(3)中，表示1号到n号并网变流器可变损耗的二次项系数的两倍的倒数之和，表示1号到n号并网变流器可变损耗的一次项系数加一与两倍的二次项系数的比值之和。

5.根据权利要求1所述的应用于并网变流器并联运行的优化功率分配方法，其特征在于：

所述步骤5中对应的x台并网变流器标号记为m1,m2,…,mx，并以额定功率输出；其余各个并网变流器的输出功率的计算式如下：

$p_{out}^{\left(j\right)}{|}_{(j\≠m1,...mx)}=\frac{\frac{1}{\underset{i=1,i\≠m1,...,mx}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2k_2^{\left(i\right)}}}(p_{out}-\underset{t=m1,...mx}{\Σ}{p}_N^t)+\frac{\underset{i=1,i\≠m1,...,mx}{\overset{n}{\Σ}}\frac{k_1^{\left(i\right)}+1}{2k_2^{\left(i\right)}}-(k_1^{\left(j\right)}+1)\underset{i=1,i\≠m1,...,mx}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2k_2^{\left(i\right)}}}{\underset{i=1,i\≠m1,...,mx}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2k_2^{\left(i\right)}}}}{2k_2^{\left(j\right)}}---\left(4\right)$

式(4)中，表示为m1,m2,…,mx号并网变流器的额定功率之和。