CN107181281B - 一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，适用于逆变器带本地负载及传输线路阻抗较大且存在差异的情况，所述的控制方法通过实时功率测量并间接计算各逆变器等效线路阻抗，利用下垂控制无需通信互连线和等效线路改进多环控制方法，减弱逆变器间外接电感、本地负载和线路阻抗差异对环流的影响，所述的控制方法包括等效线路阻抗计算、等效线路压降补偿、改进下垂控制、动态虚拟复阻抗控制。与现有技术相比，本发明可有效抑制并联逆变器之间的环流，并提高功率分配的精度。

Description

一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种并联逆变器间环流抑制方法，尤其是涉及一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法。

背景技术

逆变器并联是实现分布式电源并网和系统扩容的主要技术手段，并联逆变器的线路阻抗和输出电压存在差异，是引起逆变器间环流的重要原因。微网孤岛运行时，并联逆变器间的环流问题不可忽视。环流会使电力电子设备过热，降低其安全性能，同时使负载不按比例分配，降低系统传输效率。

以下垂控制为主的电压调节策略，是环流抑制的基本方法。但受线路阻抗的影响，下垂控制在线路参数不匹配及线路电压降不可忽略时，不仅会增大环流，而且造成功率分配误差。实际中考虑到并联逆变器的设计参数、连线阻抗以及闭环控制器参数存在差异，逆变器输出侧配置外接电感和虚拟阻抗控制可减弱线路参数对下垂控制的影响，但过大的外接电感会增加投资成本和功率损耗，固定成比例的虚拟阻抗在负载波动时控制效果有限。

上述方案未考虑虚拟阻抗和传输线路上的电压降，当负载偏离额定值较大时，会导致公共连接点处电压下降，电压偏差增大，加剧环流。有学者通过微网分层控制，利用集中式二级控制器恢复电压幅值，这要求控制器间进行较为复杂的通信，无法发挥下垂控制无需通信互连线的优势。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无需通信互连线的基于等效线路的孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，可有效抑制并联逆变器之间的环流，并提高功率分配的精度。

利用下垂控制无需通信互连线的特点，测量本地电压、电流计算等效线路阻抗，实时归算逆变器的外接电感、本地负载和线路阻抗差异；

利用基于等效线路压降补偿的改进下垂控制配合动态虚拟复阻抗控制，可抑制环流，并提高功率分配精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，适用于逆变器带本地负载及传输线路阻抗较大且存在差异的情况，所述的控制方法通过实时功率测量并间接计算各逆变器等效线路阻抗，利用下垂控制无需通信互连线和等效线路改进多环控制方法，减弱逆变器间外接电感、本地负载和线路阻抗差异对环流的影响，所述的控制方法包括等效线路阻抗计算、等效线路压降补偿、改进下垂控制、动态虚拟复阻抗控制。

该控制方法具体为：

(1)测量逆变器滤波电感电流、输出电压、输出电流、外接电感电压和电流、线路电流，进行功率计算；

(2)等效线路阻抗计算；

(3)等效线路电压降计算；

(4)改进下垂控制；

(5)动态虚拟复阻抗控制；

(6)电压、电流双环控制；

(7)生成PWM。

所述的等效线路阻抗通过实时功率计算间接求得，以归算各逆变器外接电感、本地负载和线路阻抗的差异，计算公式如下：

式中，R_eqLi、X_eqLi分别为第i个逆变器的等效线路电阻和电抗，R_Li、X_Li分别为传输线路电阻和电抗，可在逆变器位置确定后得到，P_Gi、Q_Gi分别为外接电感处的有功功率、无功功率，可通过测量外接电感的u_Gi和i_Gi计算得出，P_Li、Q_Li分别为逆变器向公共负载提供的有功功率和无功功率，可通过测量u_Gi和i_Li计算得出，X_Gi为逆变器外接电抗。上述需测量的数据均可在本地测量。

所述的改进下垂控制基于等效线路阻抗计算，具体为：无功功率下垂控制中，Q-ΔU控制结合稳态电压变化归零控制，并补偿等效线路电压降，以改善因逆变器输出线路阻抗的不同造成的功率不合理分配；有功功率下垂控制中，增加输出电压的相角偏差反馈，并增加输出功率的微分环节，以减小逆变器输出电压的相角差；增加输出功率的微分环节，以提高逆变器在负载变化时的动态性能；对等效线路电压降进行补偿，以减小公共连接点处电压偏差，进而抑制环流，改进后下垂控制方程为：

式中，δ_i为第i台逆变器输出电压相角，Δδ_i为第i台逆变器与所有逆变器输出电压相角和的平均值δ_iave之差，即Δδ_i＝δ_i-δ_iave，δ_irated为第i台逆变器额定输出电压相角，m_i、n_i分别为有功功率、无功功率下垂系数，m^*、n^*分别为有功功率、无功微分控制系数，P_i、Q_i分别为第i台逆变器输出的有功功率、无功功率，ΔU_i为电压随时间的变化率，ΔU_ref为其参考值，二者稳态时均为0；Q_iref对应不同ΔU_i时无功功率值，U_irated为额定参考电压,U_icom为等效线路电压将补偿值；

其中，R_eqLi、X_eqLi分别为第i个逆变器的等效线路电阻和电抗；

稳态电压变化归零控制方程为：

其中，Q_iref的变化与ΔU_ref和ΔU_i之差相关，K_hi为第i台逆变器的稳态电压变化归零系数，满足K_h1:K_h2:…:K_hn＝a₁:a₂:…:a_n，当Q-ΔU下垂控制进入稳态时，ΔU_ref–ΔU_i＝0。假定ΔU_i归零控制的时间比下垂控制时间长，即进行电压变化归零时下垂控制已达到稳定状态，所有逆变器电压变化归零同步，逆变器输出功率维持稳态值。

所述的虚拟复阻抗控制动态适应等效线路阻抗变化，计算公式如下：

其中,R_Vi、X_Vi分别为虚拟电阻和虚拟电感，X_Vrefi为第i台逆变器虚拟电感参考值，R_eqLi和X_eqLi分别为第i个逆变器的等效线路电阻和电感。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)利用本地功率测量计算各逆变器等效线路阻抗，无需复杂通信互连线；

(2)改进后的下垂控制可避免逆变器输出电压受线路阻抗和外接电感影响，改善了输出线路阻抗不同造成的分布式电源间功率不合理分配的情况；

(3)动态虚拟复阻抗控制基于等效线路，考虑了并联逆变器的设计参数、连线阻抗以及闭环控制器参数存在差异，具有良好的动态跟踪能力和环流抑制能力。

附图说明

图1为本申请的逆变器控制策略框图；

图2为本申请的环流抑制方法的改进下垂控制框图；

图3为本申请的环流抑制方法的动态虚拟复阻抗控制框图；

图4为本申请的环流抑制方法的电压电流双环控制框图；

图5(a)为本申请在R_V＝0.1Ω、10Ω情况下逆变器等效输出阻抗的波特图；

图5(b)为本申请在L_V＝0.5mH、50mH情况下逆变器等效输出阻抗的波特图；

图6为本申请的环流抑制性能验证的微网模型示意图；

图7为额定运行工况时本申请与常规下垂控制、改进下垂控制的环流抑制效果对比验证仿真图；

图8为额定运行工况时本申请的功率控制验证仿真图；

图9为负载突变时本申请的环流抑制效果；

图10为负载随机波动时本申请的环流抑制效果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，该方法基于等效线路阻抗计算，提出改进下垂控制和动态虚拟复阻抗控制。

利用下垂控制无需通信互连线的特点，测量本地电压、电流计算等效线路阻抗，即可实时归算逆变器的外接电感、本地负载和线路阻抗差异；

利用改进下垂控制配合动态虚拟复阻抗控制，抑制并联逆变器间环流，并提高功率分配精度。

所述的孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法是一种基于等效线路的多环控制方法，适用于逆变器带本地负载及传输线路阻抗较大且存在差异的情况。该方法基于等效线路阻抗计算，提出改进下垂控制和动态虚拟复阻抗控制。本方法包括等效线路阻抗计算、等效线路压降补偿、改进下垂控制、动态虚拟复阻抗控制。所述的控制方法具体步骤如下：

(1)测量逆变器滤波电感电流、输出电压、输出电流、外接电感电压和电流、线路电流，进行功率计算；

(2)等效线路阻抗计算；

(3)改进下垂控制；

(4)动态虚拟复阻抗控制；

(5)电压、电流双环控制；

(6)生成PWM。

改进后的下垂控制基于等效线路阻抗计算。如图2所示，无功功率下垂控制中，Q-ΔU结合稳态电压变化归零控制，并补偿等效线路电压降，以改善因逆变器输出线路阻抗的不同造成的功率不合理分配；有功功率下垂控制中，增加输出电压的相角偏差反馈，以减小逆变器输出电压的相角差；增加输出功率的微分环节，以提高逆变器在负载变化时的动态性能；对等效线路电压降进行补偿，以减小公共连接点处电压偏差，进而抑制环流。改进后下垂控制方程为：

式中，Δδ_i为第i台逆变器与所有逆变器输出电压相角和的平均值之差，即Δδ_i＝δ_i-δ_iave。δ_irated为第i台逆变器额定输出电压相角，m_i、n_i分别为有功功率、无功功率下垂系数，m^*、n^*分别为有功功率、无功微分控制系数，P_i、Q_i分别为第i台逆变器输出的有功功率、无功功率ΔU_i为电压随时间的变化率，ΔU_ref为其参考值，二者稳态时均为0。Q_iref对应不同ΔU_i时无功功率值，U_rated为额定参考电压，U_icom为等效线路电压将补偿值。

系统进入稳态后，为保证电压稳定，即ΔU_i＝0，需进行稳态电压变化归零控制。稳态电压变化归零控制方程为：

其中，Q_iref的变化与ΔU_ref和ΔU_i之差相关，K_hi为第i台逆变器的稳态电压变化归零系数，满足K_h1:K_h2:…:K_hn＝a₁:a₂:…:a_n。当Q-ΔU下垂控制进入稳态时，ΔU_ref–ΔU_i＝0。假定ΔU_i归零控制的时间比下垂控制时间长，即进行电压变化归零时下垂控制已达到稳定状态，所有逆变器电压变化归零同步，逆变器输出功率维持稳态值。

如图3所示，虚拟复阻抗Z_v动态适应等效线路阻抗变化。由图4电压电流双环控制框图，可得系统闭环传递函数。

式(4)中，k_uP、k_uI分别为电压外环比例、积分系数，k_iP、k_iI分别为电流内环比例、积分系数，G(s)为电压传递函数。

D(s)＝L_fC_fs⁴+(r_fC_f+C_fk_iP)s³+(1+k_uPk_iP+C_fk_iI)s²+(k_uPk_iI+k_iPk_uI)s+k_uIk_iI (7)

定义虚拟复阻抗如式(8)所示。

Z_V(s)＝-R_Vi+sL_Vi (8)

其中，虚拟电阻R_Vi及虚拟电感L_Vi的值由式(9)决定，L_Vrefi为第i台逆变器虚拟电感参考值。

其中,R_Vi、L_Vi分别为虚拟电阻和虚拟电感，L_Vrefi为第i台逆变器虚拟电感参考值。

加入虚拟阻抗后，结合式(4)可得逆变器的等效输出阻抗。

Z_oeq(s)＝G(s)·Z_V(s)+Z(s)＝[L_fs³+(r_f+Z_V(s)k_uPk_iP)s²+Z_V(s)(k_uPk_iI+k_iPk_uI)s+Z_V(s)k_uIk_iI]/D(s) (10)

图5(a)和图5(b)为本申请的不同R_V、L_V情况下逆变器等效输出阻抗的波特图，R_V＝0.1Ω时，Z_eq(s)的幅值增益大小与L_V成正比，且呈在工频处为感性；L_V＝5mH、Rv＝0.1Ω、1Ω时，Z_eq(s)呈感性，幅频、相频特性相差不大。因此可通过改变Z_V实现Z_eq(s)性质和大小的灵活调节。

本申请的环流抑制性能验证的微网模型如图6所示。在Matlab/Simulink环境下搭建孤岛微网仿真模型，额定电压为10kV，额定频率为50Hz，整个微网的容量为1MVA，各分布式电源均具备20％备用容量，负载为阻感性。各分布式电源通过固态变压器(solid statetransformer,SST)接入微网，微网孤岛运行时，分布式电源并网系统可视为多台三相有源逆变器并联运行。设置SST₁中的逆变器1为参考，各逆变器额定功率比为1:1.5:2.5，各逆变器传输线路距离比为1:2:1.5。各逆变器采用图1所示的控制策略。

图7为额定运行工况时常规下垂控制、改进下垂控制、本申请的环流抑制效果对比。t＝0.5s时，系统进入稳定运行阶段；t＝1.5s时，改进下垂控制代替常规下垂控制；t＝2.0s时，动态虚拟复阻抗控制配合改进下垂控制。

由图7可知，基于等效线路电压降补偿的改进下垂控制策略，在线路参数不匹配时有较好的适应性，并有一定的环流抑制效果。以SST₃中的并网逆变器3为例，环流幅值从0.7A左右降至0.4A左右，下降了约43％。等效线路电压降补偿的加入，提高了逆变器输出功率的分配精度，如图8所示。由于逆变器1和3均各自带有本地负载，线路电压降较大，因此补偿效果更明显，此时逆变器输出功率比例更接近额定比例。t＝2.0s后，由于加入动态虚拟复阻抗，流入各逆变器的环流比例小于1.5％，环流进一步减小。此外，逆变器输出的功率比例基本等于额定比例1:1.5:2.5。

图9为负载突变时本申请的环流抑制效果。t＝0.5s时，系统进入稳定运行；t＝1.0s时，负载视在功率降低50％；t＝1.5s时，负载视在功率相较初始工况高20％。轻载时，由于输出电流减小，使环流比例有所增大，环流幅值小于0.5A，环流比例小于4％；重载时，各逆变器环流比例小于1.5％。

图10为负载随机波动时本申请的环流抑制效果。系统配置两个功率在395～405kW间波动的公共负载。如图10所示，本申请提出的控制方法在负载随机波动时有较好的控制效果，虚拟复阻抗跟随负载波动实时变化，流入各逆变器的环流比例小于3％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，适用于逆变器带本地负载及传输线路阻抗较大且存在差异的情况，其特征在于，所述的抑制方法通过实时功率测量并间接计算各逆变器等效线路阻抗，利用下垂控制无需通信互连线和等效线路改进多环控制方法，减弱逆变器间外接电感、本地负载和线路阻抗差异对环流的影响，所述的控制方法包括等效线路阻抗计算、等效线路压降补偿、改进下垂控制、动态虚拟复阻抗控制；

该控制方法具体为：

(1)测量逆变器滤波电感电流、输出电压、输出电流、外接电感电压和电流、线路电流，进行功率计算；

(2)等效线路阻抗计算；

(3)等效线路电压降计算；

(4)改进下垂控制；

(5)动态虚拟复阻抗控制；

(6)电压、电流双环控制；

(7)生成PWM；

所述的等效线路阻抗通过实时功率计算间接求得，以归算各逆变器外接电感、本地负载和线路阻抗的差异，计算公式如下：

式中，R_eqLi、X_eqLi分别为第i个逆变器的等效线路电阻和电抗，R_Li、X_Li分别为传输线路电阻和电抗，P_Gi、Q_Gi分别为外接电感处的有功功率、无功功率，P_Li、Q_Li分别为逆变器向公共负载提供的有功功率和无功功率，X_Gi为逆变器外接电抗；

利用基于等效线路压降补偿的改进下垂控制配合动态虚拟复阻抗控制，可抑制环流，并提高功率分配精度；

所述的改进下垂控制基于等效线路阻抗计算，具体为：无功功率下垂控制中，Q-ΔU控制结合稳态电压变化归零控制，并补偿等效线路电压降；有功功率下垂控制中，增加输出电压的相角偏差反馈，并增加输出功率的微分环节，改进后下垂控制方程为：

式中，δ_i为第i台逆变器输出电压相角，Δδ_i为第i台逆变器与所有逆变器输出电压相角和的平均值δ_iave之差，即Δδ_i＝δ_i-δ_iave，δ_irated为第i台逆变器额定输出电压相角，m_i、n_i分别为有功功率、无功功率下垂系数，m^*、n^*分别为有功功率、无功微分控制系数，P_i、Q_i分别为第i台逆变器输出的有功功率、无功功率，ΔU_i为电压随时间的变化率，ΔU_ref为其参考值，二者稳态时均为0；Q_iref对应不同ΔU_i时无功功率值，U_irated为额定参考电压,U_icom为等效线路电压降补偿值；

其中，R_eqLi、X_eqLi分别为第i个逆变器的等效线路电阻和电抗；

稳态电压变化归零控制方程为：

其中，Q_iref的变化与ΔU_ref和ΔU_i之差相关，K_hi为第i台逆变器的稳态电压变化归零系数，满足K_h1:K_h2:…:K_hn＝a₁:a₂:…:a_n，当Q-ΔU下垂控制进入稳态时，ΔU_ref–ΔU_i＝0；

所述的虚拟复阻抗控制动态适应等效线路阻抗变化，计算公式如下：

其中,R_Vi、X_Vi分别为虚拟电阻和虚拟电感，X_Vrefi为第i台逆变器虚拟电感参考值，R_eqLi和X_eqLi分别为第i个逆变器的等效线路电阻和电感。

2.根据权利要求1所述的一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，其特征在于，利用下垂控制无需通信互连线的特点，测量本地电压、电流计算等效线路阻抗，实时归算逆变器的外接电感、本地负载和线路阻抗差异。

3.根据权利要求1所述的一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，其特征在于，所述的P_Gi、Q_Gi通过测量外接电感的u_Gi和i_Gi计算得出。

4.根据权利要求1所述的一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，其特征在于，所述的P_Li、Q_Li通过测量外接电感的u_Gi和i_Li计算得出。

5.根据权利要求1所述的一种孤岛微网并联逆变器间环流抑制方法，其特征在于，增加输出功率的微分环节，以提高逆变器在负载变化时的动态性能；对等效线路电压降进行补偿，以减小公共连接点处电压偏差，进而抑制环流。

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