CN107910903A - 一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法 - Google Patents
一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107910903A CN107910903A CN201710797463.9A CN201710797463A CN107910903A CN 107910903 A CN107910903 A CN 107910903A CN 201710797463 A CN201710797463 A CN 201710797463A CN 107910903 A CN107910903 A CN 107910903A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- msub
- mrow
- power
- inverter
- grid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/40—Synchronising a generator for connection to a network or to another generator
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/26—Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
- H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
- H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
- H02M7/539—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
- H02M7/5395—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/50—Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks
Abstract
本发明提供了一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法。串联逆变器由N个相互级联的单相全桥逆变器首尾相互连接组成，用以提升整体输出电压等级和功率容量，实现低压分布式电源的友好型并网，向大电网注入所需的有功和无功功率。针对串联逆变器的功率均衡和频率同步技术，提出了一种分散式上垂功率控制方法，仅仅利用单个逆变器模块的本地信号，在无需任何通信情况下对逆变器进行独立控制，相对于传统的绝大多数集中型控制，本发明提供的分散式控制策略具有更高的可靠性和即插即用性，为未来光伏和储能级联系统的控制策略提供了有利的补充，具有较强实用性。
Description
技术领域
本发明属于分布式电源并网、电力电子控制技术和微电网技术领域，具体涉及一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法。
背景技术
新能源发电既具有环境污染小和转换效率高等特点，是未来电力系统的有利补充，为了提高新能源在供电系统的渗透率，需要将新能源的发电功率注入到大电网中，传输至负荷区域。而一般的光伏发电或者储能单元输出电压等级较低，需要采用串联的结构，进行合理的电压提升，进而提高整体的功率输出等级。为了实现对独立光伏单元、储能单元等低压直流电源的灵活控制，一般采用微逆变器的形式直接连接单个直流源，并通过多微逆变器输出级联进行组串式并网。在多逆变器模块串联系统中，为了避免单个模块过压过载导致器件烧毁，降低供电可靠性，需要开发多逆变器模块间的功率平衡技术，同时，为了实现分布式电源对大电网的电压和频率支撑，独立逆变器模块需要控制为电压源模式，保持与大电网频率同步。
在传统的并联逆变器功率均分控制中，主要存在集中式控制、主从式控制、分层式控制、分布式控制、分散式控制等几大类，其中尤以分散式控制不需要任何通信一直受到研究者和工程师们的青睐，相对于集中式控制、主从式控制、分层式控制和分布式控制等基于通信范畴的控制策略，分散式控制策略具有自同步能力、即插即用能力和电压频率支撑能力。
相对于并联逆变器的研究，串联逆变器是一个相对新颖的对象，绝大多数的论文研究和公开专利也局限于利用集中式控制实现功率均衡和多电平技术，利用高带宽通信系统实现光伏串联并网、蓄电池荷电状态均衡等。尽管集中式控制具有良好的电压调节和功率均衡性能，但是需要额外的通信设备，会由于通信故障、延时和丢包降低控制系统的可靠性。另外，集中式控制不具备即插即用特性，不能灵活地进行系统拓展和模块化补充。
在现有的技术中，还没有一种适用于并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡和频率自同步方法，在完全不需要通信情况下实现多个串联逆变器间的协同控制，提高整体分布式电源发电的电压等级，保证模块间的功率平衡和电网频率同步，增强模块化系统的可靠性和即插即用能力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法，无需通信条件下实现多个串联逆变器间的功率均衡，实现对大电网的频率和电压支撑，达到友好型并网。尽管本专利灵感启发于并联逆变器的分散控制，但是具体控制方法及稳定运行区域与并联型逆变器均不相同，填补了串联逆变器分散控制的空白。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法：串联逆变器由N个相互级联的逆变器首尾相互连接组成，用以提升整体输出电压等级和功率容量，实现低压分布式电源的友好型并网，向大电网注入所需的有功和无功功率；针对单独的一个逆变器模块，提供一种分散式功率均衡控制方法，不需要逆变器模块间任何通信信息，仅仅依靠自身本地信号，实现对单个逆变器模块的独立控制，稳态下保证逆变器模块间的功率均衡和并网频率同步。
串联逆变器系统采用级联单相全桥逆变器，通过叠加所有逆变器模块的输出电压，实现升压的目的，并通过线路阻抗与低/中/高压大电网并网，因此，并网点的总电压Vp∠δp为所有逆变器模块电压之和的形式：
其中，Vi和δi代表第i个逆变器模块的输出电容电压幅值和相位角，N代表逆变器级联总个数；
根据级联逆变器并网的拓扑结构，级联逆变器通过线路阻抗向大电网注入功率，为了实现单独逆变器的独立控制，第i个逆变器模块的输出有功功率Pi和无功功率Qi表示为：
其中，Vg和δg代表大电网的电压幅值和相角，|Zline|和θline代表并网点和大电网间线路阻抗的模值和矢量角，对于中高压电力系统，并网线路阻抗一般呈主感性，即θline≈π/2；
将并网点电压带入输出功率表达式中，可以推导出第i个逆变器模块的有功功率Pi和无功功率Qi传输特性为：
功率传输表达式中，功率的输出特性不仅与大电网电压等级有关，还与级联的逆变器电压幅值及其之间的相位差有关，建立单独逆变器模块的输出特性模型，为本地分散式控制方法实现奠下基础。
单独的逆变器模块采用本地分散式控制系统，通过采集自身功率输出信息，构造功率-角频率上垂控制，并与额定电压幅值相乘，得到逆变器底层跟踪参考信号，具体的分散式控制系统中，包括了功率计算模块、功率上垂控制模块、电压电流跟踪模块和PWM调制模块，其功能和实现表述如下：
功率计算模块：采集单独逆变器的实时输出电压Voac和电流信号Ioac，并计算出自身输出的平均有功功率Po和无功功率Qo：
其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
功率上垂控制模块：根据功率计算模块的功率信息，构造新型的上垂控制，为电压电流跟踪模块提供电压跟踪参考，为了实现无通信条件下的功率平衡和并网频率同步，分散式的上垂控制策略设计如下：
其中，ωi和Vi为第i个逆变器模块底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Visin(ωit),ω*为并网侧额定角频率，P*为逆变器模块需要输出的额定有功功率，m为有功-角频率上垂控制的正反馈系数，k为一个正值的电压调节系数，可以根据并网侧无功功率的需求灵活调节；
由于所有串联逆变器模块的电压幅值V*均相同，且所有模块均流过相同的并网电流，因此，各个模块的输出视在功率均相等：
S1＝S2＝…＝SN
另外，根据构造的有功-角频率上垂控制特性，稳态下所有逆变器模块具有一致的并网频率，因此，每个模块的输出有功功率均相等，且均等于需要传输的额定有功功率：
P1＝P2＝…＝PN＝P*
根据每个模块具有相等的视在功率和有功功率，模块间的无功功率也会实现平衡：
Q1＝Q2＝…＝QN＝Q*
电压电流跟踪模块：根据功率上垂控制模块生成的参考电压Visin(ωit)对逆变器的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，提高逆变器自身动态响应，合理设计多时间尺度下的控制带宽，为PWM调制模块提供逆变器内电压参考；
PWM调制模块：根据电压电流跟踪模块提供的自身逆变器内电压参考信号进行调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
为了保证系统的稳定运行，需要对串联逆变器系统结构模型和控制方法进行稳定性分析，具体的步骤如下：
步骤(1)：依据单个逆变器模块的功率输出特性和上垂控制方法，由于联合建立单个逆变器的动态响应模型：
其中，m'＝mV*2/|Zline|为正比例系数；
步骤(2)：对单个逆变器的动态响应模型进行线性化处理，建立在平衡点(δi,δj,δg)附件的小扰动(上标‘～’)线性化方程：
步骤(3)：由于稳态下各逆变器模块的输出相角相等(δi＝δj＝δp)，根据单个逆变器的小信号线性化方程，建立整个系统的小信号状态空间表达式：
其中，系统状态变量为系统传输功角为cosδpg＝cos(δp-δg)；
步骤(4)：根据整个系统的小信号状态空间表达式，结合矩阵L的弱对角占优特性，系统的稳定条件求解为：
cosδpg＜0
即，串联逆变器系统的稳定传输功角δpg位于第二和第三象限区域δpg∈(π/2,3π/2)，与并联逆变器系统的稳定传输功角(-π/2,π/2)完全位于不同的运行区域。
根据上述推理，可以求得单个逆变器的稳态工作方程表示为：
根据上式，在已知并网电压幅值Vg、并网点阻抗模值|Zline|、逆变器参考电压幅值V*和并网侧所传额定功率P*条件下，直接求解稳态的系统输出功角δpg和输出的所需无功功率。
本发明的有益效果为：
本发明为解决并网模式下串联逆变器的功率平衡和并网频率同步问题，针对单个串联逆变器模块，设计了独立的本地分散式控制系统，提出了无需通信的功率-角频率上垂控制策略，分析了稳定运行的可行域。该专利的优点总体概述为：
1、基于串联逆变器的并网系统具备整体电压和功率等级提升的性能，能够灵活地将低压分布式电源并网；
2、设计的本地分散式控制系统仅仅利用本地信号实现对单个逆变器模块独立控制，实现模块间功率平衡和电网频率自同步；
3、与现有集中式控制技术相比，设计的分散式控制策略具有更高的系统可靠性和即插即用特性，有利于系统的模块化设计；
4、与现有的并联逆变器相比，分析了串联逆变器系统分散式控制下的稳定运行区域，并可以此求出系统的稳态运行点。
附图说明
图1并网模式下串联逆变器系统及本地分散式控制系统
图2本地分散式控制系统实现框图
图3十个串联逆变器并网系统的仿真结果图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但不能用来限制本发明的范围。
一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法：串联逆变器由N个相互级联的逆变器首尾相互连接组成，用以提升整体输出电压等级和功率容量，实现低压分布式电源的友好型并网，向大电网注入所需的有功和无功功率；针对单独的一个逆变器模块，提供一种分散式功率均衡控制方法，不需要逆变器模块间任何通信信息，仅仅依靠自身本地信号，实现对单个逆变器模块的独立控制，稳态下保证逆变器模块间的功率均衡和并网频率同步。
并网模式下串联逆变器系统及本地分散式控制系统如图1所示，其中，串联逆变器系统采用级联单相全桥逆变器，通过叠加所有逆变器模块的输出电压，实现升压的目的，并通过线路阻抗与低/中/高压大电网并网，因此，并网点的总电压Vp∠δp为所有逆变器模块电压之和的形式：
其中，Vi和δi代表第i个逆变器模块的输出电容电压幅值和相位角，N代表逆变器级联总个数；
根据级联逆变器并网的拓扑结构，级联逆变器通过线路阻抗向大电网注入功率，为了实现单独逆变器的独立控制，第i个逆变器模块的输出有功功率Pi和无功功率Qi表示为：
其中，Vg和δg代表大电网的电压幅值和相角，|Zline|和θline代表并网点和大电网间线路阻抗的模值和矢量角，对于中高压电力系统，并网线路阻抗一般呈主感性，即θline≈π/2；
将并网点电压带入输出功率表达式中，可以推导出第i个逆变器模块的有功功率Pi和无功功率Qi传输特性为：
功率传输表达式中，功率的输出特性不仅与大电网电压等级有关，还与级联的逆变器电压幅值及其之间的相位差有关，建立单独逆变器模块的输出特性模型，为本地分散式控制方法实现奠下基础。
单独的逆变器模块采用本地分散式控制系统，具体如图2所示，通过采集自身功率输出信息，构造功率-角频率上垂控制，并与额定电压幅值相乘，得到逆变器底层跟踪参考信号，具体的分散式控制系统中，包括了功率计算模块、功率上垂控制模块、电压电流跟踪模块和PWM调制模块，其功能和实现表述如下：
功率计算模块：采集单独逆变器的实时输出电压Voac和电流信号Ioac，并计算出自身输出的平均有功功率Po和无功功率Qo：
其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
功率上垂控制模块：根据功率计算模块的功率信息，构造新型的上垂控制，为电压电流跟踪模块提供电压跟踪参考，为了实现无通信条件下的功率平衡和并网频率同步，分散式的上垂控制策略设计如下：
其中，ωi和Vi为第i个逆变器模块底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Visin(ωit),ω*为并网侧额定角频率，P*为逆变器模块需要输出的额定有功功率，m为有功-角频率上垂控制的正反馈系数，k为一个正值的电压调节系数，可以根据并网侧无功功率的需求灵活调节；
由于所有串联逆变器模块的电压幅值V*均相同，且所有模块均流过相同的并网电流，因此，各个模块的输出视在功率均相等：
S1＝S2＝…＝SN
另外，根据构造的有功-角频率上垂控制特性，稳态下所有逆变器模块具有一致的并网频率，因此，每个模块的输出有功功率均相等，且均等于需要传输的额定有功功率：
P1＝P2＝…＝PN＝P*
根据每个模块具有相等的视在功率和有功功率，模块间的无功功率也会实现平衡：
Q1＝Q2＝…＝QN＝Q*
电压电流跟踪模块：根据功率上垂控制模块生成的参考电压Visin(ωit)对逆变器的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，提高逆变器自身动态响应，合理设计多时间尺度下的控制带宽，为PWM调制模块提供逆变器内电压参考；
PWM调制模块：根据电压电流跟踪模块提供的自身逆变器内电压参考信号进行调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
为了保证系统的稳定运行，需要对串联逆变器系统结构模型和控制方法进行稳定性分析，具体的步骤如下：
步骤(1)：依据单个逆变器模块的功率输出特性和上垂控制方法，由于联合建立单个逆变器的动态响应模型：
其中，m'＝mV*2/|Zline|为正比例系数；
步骤(2)：对单个逆变器的动态响应模型进行线性化处理，建立在平衡点(δi,δj,δg)附件的小扰动(上标‘～’)线性化方程：
步骤(3)：由于稳态下各逆变器模块的输出相角相等(δi＝δj＝δp)，根据单个逆变器的小信号线性化方程，建立整个系统的小信号状态空间表达式：
其中，系统状态变量为系统传输功角为cosδpg＝cos(δp-δg)；
步骤(4)：根据整个系统的小信号状态空间表达式，结合矩阵L的弱对角占优特性，系统的稳定条件求解为：
cosδpg＜0
即，串联逆变器系统的稳定传输功角δpg位于第二和第三象限区域δpg∈(π/2,3π/2)，与并联逆变器系统的稳定传输功角(-π/2,π/2)完全位于不同的运行区域。
根据上述推理，可以求得单个逆变器的稳态工作方程表示为：
根据上式，在已知并网电压幅值Vg、并网点阻抗模值|Zline|、逆变器参考电压幅值V*和并网侧所传额定功率P*条件下，直接求解稳态的系统输出功角δpg和输出的所需无功功率。
图3为本发明实施例中十个串联逆变器并网系统的仿真结果图。其中，参数选取为：级联个数N＝10，并网电压幅值Vg＝311V、并网电压角频率ω*＝2π*50rad/s，并网点阻抗模值Zline＝0.3+j0.8Ω、逆变器参考电压幅值V*＝34.5V，并网侧所传额定功率P*＝5kW，上垂系数m＝5e-4。从图(a)中看出，十个逆变器模块的稳态输出有功功率均稳定在5kW，实现了模块间有功功率平衡，同时向大电网注入了所需的有功功率；从图(b)中看出，十个逆变器模块的稳态输出无功功率均相同，实现了模块间无功功率平衡，同时为大电网提供了无功支撑；从图(c)中看出，十个逆变器模块的稳态输出频率均具有一致收敛性，实现了与大电网的频率自同步能力；从图(d)中看出，串联逆变器系统的稳态传输功角δpg为1.94rad∈(π/2,3π/2)，位于第二象限，验证了串联逆变器分散控制与并联逆变器具有完全不同的稳定运行范围。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。
Claims (3)
1.一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法，其特征在于，串联逆变器由N个相互级联的逆变器首尾相互连接组成，用以提升整体输出电压等级和功率容量，实现低压分布式电源的友好型并网，向大电网注入所需的有功和无功功率；针对单独的一个逆变器模块，提供一种分散式功率均衡控制方法，不需要逆变器模块间任何通信信息，仅仅依靠自身本地信号，实现对单个逆变器模块的独立控制，稳态下保证逆变器模块间的功率均衡和并网频率同步。
2.根据权利要求1所述的一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法，其特征在于，串联逆变器系统采用级联单相全桥逆变器，通过叠加所有逆变器模块的输出电压，实现升压的目的，并通过线路阻抗与低/中/高压大电网并网，因此，并网点的总电压Vp∠δp为所有逆变器模块电压之和的形式：
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<msub>
<mi>j&delta;</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
</mrow>
</msup>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>N</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<msub>
<mi>j&delta;</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
</mrow>
</msup>
</mrow>
其中，Vi和δi代表第i个逆变器模块的输出电容电压幅值和相位角，N代表逆变器级联总个数；
根据级联逆变器并网的拓扑结构，级联逆变器通过线路阻抗向大电网注入功率，为了实现单独逆变器的独立控制，第i个逆变器模块的输出有功功率Pi和无功功率Qi表示为：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>jQ</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<msub>
<mi>j&delta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</msup>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>(</mo>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<msub>
<mi>j&delta;</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
</mrow>
</msup>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<msub>
<mi>j&delta;</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
</mrow>
</msup>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mo>/</mo>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mo>|</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>|</mo>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<msub>
<mi>j&theta;</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
</msup>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>*</mo>
</msup>
</mrow>
其中，Vg和δg代表大电网的电压幅值和相角，|Zline|和θline代表并网点和大电网间线路阻抗的模值和矢量角，对于中高压电力系统，并网线路阻抗一般呈主感性，即θline≈π/2；
将并网点电压带入输出功率表达式中，可以推导出第i个逆变器模块的有功功率Pi和无功功率Qi传输特性为：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>|</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>|</mo>
</mrow>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mo>(</mo>
<mrow>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mo>-</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>N</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mo>(</mo>
<mrow>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>|</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>|</mo>
</mrow>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>N</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mo>(</mo>
<mrow>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mo>(</mo>
<mrow>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
功率传输表达式中，功率的输出特性不仅与大电网电压等级有关，还与级联的逆变器电压幅值及其之间的相位差有关，建立单独逆变器模块的输出特性模型，为本地分散式控制方法实现奠下基础。
3.根据权利要求1所述的一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法，其特征在于，单独的逆变器模块采用本地分散式控制系统，通过采集自身功率输出信息，构造功率-角频率上垂控制，并与额定电压幅值相乘，得到逆变器底层跟踪参考信号，具体的分散式控制系统中，包括了功率计算模块、功率上垂控制模块、电压电流跟踪模块和PWM调制模块，其功能和实现表述如下：
功率计算模块：采集单独逆变器的实时输出电压Voac和电流信号Ioac，并计算出自身输出的平均有功功率Po和无功功率Qo：
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>o</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>a</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>a</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>&tau;</mi>
<mi>s</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>o</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msubsup>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>a</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
<mo>&prime;</mo>
</msubsup>
<msub>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>a</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>&tau;</mi>
<mi>s</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，V′oac为Voac滞后90度的电压，τ为功率低通滤波常数；
功率上垂控制模块：根据功率计算模块的功率信息，构造新型的上垂控制，为电压电流跟踪模块提供电压跟踪参考，为了实现无通信条件下的功率平衡和并网频率同步，分散式的上垂控制策略设计如下：
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>&omega;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>&omega;</mi>
<mo>*</mo>
</msup>
<mo>+</mo>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msup>
<mi>P</mi>
<mo>*</mo>
</msup>
<mo>)</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>V</mi>
<mo>*</mo>
</msup>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
<mo>/</mo>
<mi>k</mi>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，ωi和Vi为第i个逆变器模块底层电压角频率和幅值参考信号，可以合成为Visin(ωit),ω*为并网侧额定角频率，P*为逆变器模块需要输出的额定有功功率，m为有功-角频率上垂控制的正反馈系数，k为一个正值的电压调节系数，可以根据并网侧无功功率的需求灵活调节；
由于所有串联逆变器模块的电压幅值V*均相同，且所有模块均流过相同的并网电流，因此，各个模块的输出视在功率均相等：
S1＝S2＝…＝SN
另外，根据构造的有功-角频率上垂控制特性，稳态下所有逆变器模块具有一致的并网频率，因此，每个模块的输出有功功率均相等，且均等于需要传输的额定有功功率：
P1＝P2＝…＝PN＝P*
根据每个模块具有相等的视在功率和有功功率，模块间的无功功率也会实现平衡：
Q1＝Q2＝…＝QN＝Q*
电压电流跟踪模块：根据功率上垂控制模块生成的参考电压Visin(ωit)对逆变器的输出电容电压和电感电流进行双闭环跟踪控制，提高逆变器自身动态响应，合理设计多时间尺度下的控制带宽，为PWM调制模块提供逆变器内电压参考；
PWM调制模块：根据电压电流跟踪模块提供的自身逆变器内电压参考信号进行调制处理，生成本地单相全桥逆变器的开关信号，驱动半导体开关器件动作。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710797463.9A CN107910903A (zh) | 2017-09-06 | 2017-09-06 | 一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710797463.9A CN107910903A (zh) | 2017-09-06 | 2017-09-06 | 一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107910903A true CN107910903A (zh) | 2018-04-13 |
Family
ID=61840979
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710797463.9A Pending CN107910903A (zh) | 2017-09-06 | 2017-09-06 | 一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107910903A (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109088439A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-25 | 江苏大学 | 基于二次调频和虚拟同歩发电机算法的逆变器并联系统的控制方法 |
| CN109774538A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-21 | 苏州唯控汽车科技有限公司 | 模块化车用电池系统的组合调制电池均衡系统及方法 |
| CN109921448A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-06-21 | 合肥科威尔电源系统有限公司 | 带储能的级联逆变器的自充电方法及其发电系统 |
| CN110391672A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-10-29 | 中南大学 | 一种并网级联逆变器的分散式控制方法及装置 |
| CN110690727A (zh) * | 2019-09-20 | 2020-01-14 | 天津大学 | 一种基于分层电压控制的级联h桥变流器柔性并网方法 |
| CN113949100A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-01-18 | 哈尔滨理工大学 | 一种将可再生能源和储能技术整合到电网的方法 |
| CN115328236A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 上海交通大学 | 级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统 |
| CN117060446A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-11-14 | 湖南工商大学 | 一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103516241A (zh) * | 2013-10-08 | 2014-01-15 | 南京航空航天大学 | 一种模块化isos逆变器系统 |
| CN104518661A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-15 | 北京理工大学 | Isop模块化dc-dc变换器的分散式上垂控制方法 |
| EP3091652A1 (en) * | 2013-12-31 | 2016-11-09 | State Grid Corporation of China (SGCC) | Bidirectional transmission convertor suitable for high voltage and high power |
| CN106602999A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-04-26 | 湖北工业大学 | 一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置及控制方法 |
| CN106684919A (zh) * | 2017-03-13 | 2017-05-17 | 合肥工业大学 | 改进的级联型光伏并网逆变器功率平衡控制方法 |
-
2017
- 2017-09-06 CN CN201710797463.9A patent/CN107910903A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103516241A (zh) * | 2013-10-08 | 2014-01-15 | 南京航空航天大学 | 一种模块化isos逆变器系统 |
| EP3091652A1 (en) * | 2013-12-31 | 2016-11-09 | State Grid Corporation of China (SGCC) | Bidirectional transmission convertor suitable for high voltage and high power |
| CN104518661A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-15 | 北京理工大学 | Isop模块化dc-dc变换器的分散式上垂控制方法 |
| CN106602999A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-04-26 | 湖北工业大学 | 一种基于超级电容储能的混合级联型光伏逆变装置及控制方法 |
| CN106684919A (zh) * | 2017-03-13 | 2017-05-17 | 合肥工业大学 | 改进的级联型光伏并网逆变器功率平衡控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 方天治等: "模块化输入串联输出串联逆变器系统的控制策略", 《电工技术学报》 * |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109088439A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-25 | 江苏大学 | 基于二次调频和虚拟同歩发电机算法的逆变器并联系统的控制方法 |
| CN109088439B (zh) * | 2018-08-17 | 2022-01-11 | 江苏大学 | 基于二次调频和虚拟同歩发电机算法的逆变器并联系统的控制方法 |
| CN109774538A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-21 | 苏州唯控汽车科技有限公司 | 模块化车用电池系统的组合调制电池均衡系统及方法 |
| CN109921448A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-06-21 | 合肥科威尔电源系统有限公司 | 带储能的级联逆变器的自充电方法及其发电系统 |
| CN109921448B (zh) * | 2019-01-29 | 2022-06-07 | 合肥科威尔电源系统股份有限公司 | 带储能的级联逆变器的自充电方法及其发电系统 |
| CN110391672A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-10-29 | 中南大学 | 一种并网级联逆变器的分散式控制方法及装置 |
| CN110690727A (zh) * | 2019-09-20 | 2020-01-14 | 天津大学 | 一种基于分层电压控制的级联h桥变流器柔性并网方法 |
| CN113949100A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-01-18 | 哈尔滨理工大学 | 一种将可再生能源和储能技术整合到电网的方法 |
| CN115328236A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 上海交通大学 | 级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统 |
| CN115328236B (zh) * | 2022-08-10 | 2023-04-25 | 上海交通大学 | 级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统 |
| CN117060446A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-11-14 | 湖南工商大学 | 一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法 |
| CN117060446B (zh) * | 2023-08-22 | 2024-02-13 | 湖南工商大学 | 一种用于三相串联型储能系统的分散主从自同步控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107910903A (zh) | 一种并网模式下串联逆变器的分散式功率平衡控制方法 | |
| CN104052073B (zh) | 一种统一潮流控制器的线路功率控制方法及系统 | |
| CN101697418B (zh) | 微网光伏发电逆变并网和谐波治理混合系统及其复合控制方法 | |
| CN108832612A (zh) | 一种基于分层管理的直流微电网控制方法和系统 | |
| CN108111045A (zh) | 外置并联分时选择开关电压型单级多输入低频环节逆变器 | |
| CN105896623A (zh) | 一种基于多端柔性直流输电技术的交直流混合配电系统 | |
| CN105897028A (zh) | 一种具备中线的电压型同步逆变器及其控制方法 | |
| CN112072716A (zh) | 一种配电网末端电能路由器及其控制方法 | |
| CN107230983A (zh) | 一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法 | |
| CN110086200A (zh) | 一种孤岛模式下混合串并联微电网的协调控制方法 | |
| CN104917418A (zh) | 一种采用电池电流独立控制的储能型mmc变流器 | |
| CN104953625A (zh) | 一种基于二次电压控制的微电网中分布式电源无功功率分配方法 | |
| CN102998564B (zh) | 一种抑制零序直流分量的全功率试验方法 | |
| CN110247421B (zh) | 一种模块化双有源桥变流器系统及电气量均衡控制方法 | |
| CN103855706A (zh) | 一种向无源网络和弱交流网络供电的混合伪双极直流输电方法 | |
| CN106300435A (zh) | 孤立微网单相多逆变器并联系统及其分布式控制方法 | |
| CN104333026A (zh) | 基于功率前馈补偿的孤立运行直流微网储能稳压控制方法 | |
| CN107370193A (zh) | 一种电压源逆变器并联系统无功均分控制系统及方法 | |
| CN106712084A (zh) | 一种用于串联直流海上风电场的风力发电系统 | |
| CN104135021A (zh) | 一种基于复合控制的离网型储能变流器电压优化控制方法 | |
| CN106712024A (zh) | 一种用于电动汽车充电站的能源互联网 | |
| CN113949089A (zh) | 一种具有谐波抑制能力的电化学储能换流系统及方法 | |
| CN103236713B (zh) | 一种微电网用变流器的微电网组网控制方法 | |
| CN106786745A (zh) | 一种直流隔离型的多端口电力集能器的电路拓扑 | |
| CN108418231A (zh) | 一种混合多端口铁路功率变换器及其功率协调控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180413 |