CN108462213B - 基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法及系统 - Google Patents

基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法，该多功能并网逆变器为三相三线制，输出滤波装置为LC，RL或LCL滤波器。直流侧电容与分布式电源或储能设备的输出端并联。该多功能并网逆变器的基波参考指令可按照当前分布式电源最大可输出功率或上层能量管理系统确定；其无功、谐波、不平衡治理参考指令由守恒功率理论分解后的部分或全部电流分量组成。两类指令之和作为多功能并网逆变器的最终电流指令。多功能并网逆变器通过比例谐振控制器或重复控制器对指令电流进行跟踪，实现电能质量治理。本发明充分利用逆变器剩余容量，基于守恒功率理论实现电能质量的选择性补偿与多台逆变器的协同治理，减少成本与维护费用，提高系统可靠性。

Description

基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，特别是一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法及系统。
背景技术
随着微电网技术的发展，配电网侧电力电子设备大量接入，对电网的安全稳定运行造成极大的威胁。为了对配电网侧的谐波、无功与不平衡等电能质量进行治理，通常需要在网内安装一定的电能质量治理设备，如有源电力滤波器、静止无功发生器与统一电能质量调节器等。随着微电网技术的发展，配电网侧电力电子设备大量接入，对电网的安全稳定运行造成极大的威胁。为了对配电网侧的谐波、无功与不平衡等电能质量进行治理，通常需要在网内安装一定的电能质量治理设备，如有源电力滤波器、静止无功发生器与统一电能质量调节器等。
然而微电网中并网逆变器的拓扑结构与传统电能质量治理设备的结构相似，在一定条件下，也能对网内电能质量进行补偿。此外，由于新能源的间歇性、随机性与波动性等特性，并网逆变器并非一直处于满发状态。对于光伏发电设备，在阴雨天及黑夜，光伏逆变器的输出几乎为0。对于风力发电机，在无风或微风条件下，也无功率输出。因此可充分利用网内分布式电源的剩余容量，参与网内电能质量的治理，避免额外治理设备的投入，降低经济投入成本，减少维护费用。
这种不仅能输出基波参考指令电流，还能对网内电能质量进行治理的设备称为多功能并网逆变器。在多功能并网逆变器的指令电流生成中，常用的方法为瞬时功率理论。然而该功率理论能分解出分量较少，不利于电能质量治理任务的分担与协同。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法及系统，本发明不仅能对基波功率参考指令进行跟踪，还能实现负荷无功、谐波、不平衡的选择性补偿与协同治理。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法，包括以下步骤：
步骤一、根据分布式电源侧发出的最大功率或由上层能量管理系统给定的基波功率参考指令，利用Clark变换计算出基波参考电流；
步骤二、在负荷侧的负荷分析分配设备，对负荷电流进行采样；利用守恒功率理论，分解出其中的对称无功电流、不对称有功电流、不对称无功电流和无效电流；从上述四种电流中选择部分或全部作为电能质量治理电流分配给单个或多个多功能并网逆变器；
步骤三、多功能并网逆变器在接收到基波参考电流与电能质量治理电流后，将接收到的这两类电流之和作为多功能并网逆变器的实际参考电流；
步骤四、在三相静止坐标系下，利用比例谐振控制器或重复控制器对实际参考电流进行指令进行跟踪，实现多功能并网逆变器的有功功率输出与电能质量治理。
作为本发明所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法进一步优化方案，步骤二中电能质量治理电流获取过程包括以下步骤：
对负荷侧电压电流进行检测，利用守恒功率理论计算出每相的有功电流、无功电流与无效电流，三相对称有功电流、对称无功电流；继而计算出不对称有功电流与不对称无功电流；根据多功能并网逆变器现有剩余容量，从前述计算出的对称无功电流、不对称有功电流、不对称无功电流和无效电流中，选择部分或全部作为逆变器的电能质量治理电流。
作为本发明所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法进一步优化方案，步骤四中的比例谐振控制器的参数均基于波特图与根轨迹图确定。
基于上述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统，多功能并网逆变器的直流侧电容与分布式电源或储能设备直流输出端并联，该多功能并网逆变器为三相三线制，其输出端与滤波器直接相连，滤波器直接或通过变压器与配电网相连。
作为本发明所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统进一步优化方案，分布式电源或储能设备直流输出端包括光伏设备输出端、风力发电机整流输出端、蓄电池组/飞轮储能/超级电容器的输出端、燃料电池输出端和燃气轮机输出端。
作为本发明所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统进一步优化方案，滤波器为RL、LC或LCL滤波器。
作为本发明所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统进一步优化方案，还包括一个用于控制逆变器触发脉冲的控制器，该控制器的参考指令包含有功电流参考指令、无功、谐波与不平衡电流参考指令；并包含逆变器输出侧电压传感器、电流传感器，以及用于测量负荷输出电流的电流传感器与利用守恒功率理论研制的负荷分析分配设备。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明充分利用微电网、有源配电网和智能电网中的逆变器设备的剩余容量，不仅实现基波功率的输出，还能对网内的谐波、无功、不平衡进行补偿，避免额外电能质量设备的投入，降低了系统的运行成本与维护成本，提高了经济效益；
(2)本发明利用守恒功率理论，分解出负荷电流中的多种分量，为多功能并网逆变器的选择性补偿与协同治理提供了理论依据。
附图说明
图1为多功能并网逆变器及非线性、不平衡负荷的电路拓扑图。
图2为多功能并网逆变器的指令电流跟踪控制算法框图。
图3为给定参数下系统的根轨迹图。
图4为给定参数下开环传递函数的bode图；其中，(a)为幅频特性，(b)为相频特性。
图5为非线性、不平衡负载下，守恒功率理论对电流的分解效果图；其中，(a)为负荷电流IL，(b)为对称有功电流Iab，(c)为不对称有功电流Iau，(d)为对称无功电流Irb，(e)为不对称无功电流Iru，(f)为无效电流Iv。
图6为非线性、不平衡负载下，两个多功能并网逆变器协同对电能质量治理的效果图；其中，(a)为电网侧电流Is，(b)为多功能并网逆变器1的输出电流Ig1，(c)为多功能并网逆变器2的输出电流Ig2，(d)为负荷电流IL。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
守恒功率理论将负荷电流分解为对称有功分量、对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量与无效分量，继而可根据多功能并网逆变器的剩余容量，选择性补偿负荷电流中的部分或全部分量。
此外，由于PI控制器无法对交流量进行跟踪，通常需要借助锁相环与park变换将交流量转变为直流量。而比例谐振控制器在理论上与上述方法是等效的，因此可直接利用比例谐振控制器对交流参考电流指令进行跟踪。
然而微电网中并网逆变器的拓扑结构与传统电能质量治理设备的结构相似，在一定条件下，也能对网内电能质量进行补偿。此外，由于新能源的间歇性、随机性与波动性等特性，并网逆变器并非一直处于满发状态。对于光伏发电设备，在阴雨天及黑夜，光伏逆变器的输出几乎为0。对于风力发电机，在无风或微风条件下，也无功率输出。因此可充分利用网内分布式电源的剩余容量，参与网内电能质量的治理，避免额外治理设备的投入，降低经济投入成本，减少维护费用。
这种不仅能输出基波参考指令电流，还能对网内电能质量进行治理的设备称为多功能并网逆变器。在多功能并网逆变器的指令电流生成中，常用的方法为瞬时功率理论。然而该功率理论能分解出分量较少，不利于电能质量治理任务的分担与协同。守恒功率理论将负荷电流分解为对称有功分量、对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量与无效分量，继而可根据多功能并网逆变器的剩余容量，选择性补偿负荷电流中的部分或全部分量。
此外，由于PI控制器无法对交流量进行跟踪，通常需要借助锁相环与park变换将交流量转变为直流量。而比例谐振控制器在理论上与上述方法是等效的，因此可直接利用比例谐振控制器对交流参考电流指令进行跟踪。
图1所示一种多功能并网逆变器系统及其组成系统包括：分布式电源或储能设备；三相三线制全桥逆变电路；输出RL滤波器；多功能并网逆变器的比例谐振控制器；非线性、不平衡负载及配电网公共耦合点。其中，多功能并网逆变器的控制方法为：非线性、不平衡负载处的电流经过采样后，利用守恒功率理论分解出其中的对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量与无效分量，将其中的部分或全部作为多功能并网逆变器的电能质量治理指令。由当前分布式电源的最大可输出功率或上层能量管理系统给出的有功功率指令经过clark变换后，生成多功能并网逆变器的有功参考指令。两种指令之和作为多功能并网逆变器最终的参考电流。本发明中采用比例谐振控制器对该参考电流进行跟踪，实现基波功率的输出与电能质量的治理。
基波功率参考电流的计算
为实现多功能并网逆变器对有功功率指令的跟踪，本发明采用基于Clark变换与反变换的方法。
采用的Clark变换公式如(1)所示。
Figure BDA0001544703150000041
Clark反变换公式为：T2s-3s＝TT 3s-2s。
其中T3s-2s表示将变量从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵，T2s-3s表示将变量从两相静止坐标系变换到三相静止坐标系的变换矩阵，上标T表示转置。
利用Clark变换，将电网电压uag,ubg,ucg变换到两相静止坐标系下的uαg,uβg。
Figure BDA0001544703150000042
设当前多功能并网逆变器的有功参考指令与无功参考指令分别为P*,Q*,则在两相静止坐标下下的基波指令电流
Figure BDA0001544703150000043
可通过式(3)计算得出。
Figure BDA0001544703150000051
再根据Clark反变换，可将基波指令电流
Figure BDA0001544703150000052
转换到三相静止坐标系下的
Figure BDA0001544703150000053
Figure BDA0001544703150000054
电能质量治理指令电流的计算
对于负荷中的某项电流in，可分解为有功电流、无功电流与无效电流。
n相有功电流ian：
Figure BDA0001544703150000055
其中
Figure BDA0001544703150000056
为等效电导，Pn为n相有功功率，Un为n相电压有效值，un为n相瞬时电压，in为n相瞬时电流，ian为n相有功电流，＜,＞为内积运算，
||||为2范数。
n相无功电流irn：
Figure BDA0001544703150000057
其中
Figure BDA0001544703150000058
为等效电纳，Wn为无功能量，
Figure BDA0001544703150000059
为n相电压的无偏积分有效值，
Figure BDA00015447031500000510
为n相电压的无偏积分。
n相无效电流ivn:
ivn＝in-ian-irn (7)
无效电流是瞬时电流中除去有功电流和无功电流后的剩余电流。
在上述电流的基础上，可分解出电流中的对称分量与不对称分量。
对称有功电流
Figure BDA00015447031500000511
Figure BDA00015447031500000512
其中，Gb＝P/U2为等效对称电导，P为三相总有功功率，U为三相电压的集总参数值，u,i为三相瞬时电压、电流。
对称无功电流
Figure BDA0001544703150000061
Figure BDA0001544703150000062
其中，
Figure BDA0001544703150000063
为等效对称电导，W为三相总无功能量，
Figure BDA0001544703150000064
为三相电压无偏积分的集总参数值，
Figure BDA0001544703150000065
为三相瞬时电压的无偏积分。
不对称有功电流
Figure BDA0001544703150000066
Figure BDA0001544703150000067
不对称无功电流
Figure BDA0001544703150000068
Figure BDA0001544703150000069
由此非线性、不平衡负载情况下完整的电流分解为：
Figure BDA00015447031500000610
其中
Figure BDA00015447031500000611
为对称有功分量，
Figure BDA00015447031500000612
为对称无功分量，iu为不对称分量，iv为无效分量。
根据多功能并网逆变器的剩余容量，可选择性补偿对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量与无效分量中的部分或全部。
多功能并网逆变器指令电流的跟踪
因多功能并网逆变器的指令电流为交流量，不能采用PI控制器对该电流进行跟踪。本发明采用比例谐振控制器对指令电流进行跟踪。比例谐振控制的表达式为：
Figure BDA00015447031500000613
其中，ω1和ωh分别为系统的基波角频率与h次谐波角频率。ωch为剪切频率，用于设置谐振频率的带宽，以提高PR控制器对系统频率变换的鲁棒性。通常设置剪切频率为：ωch＝5rads-1，Kph为比例系数，Kih为谐振系数。
根据图2可得系统的开环传递函数为：
Figure BDA00015447031500000614
其中L为输出滤波器电感，R为输出滤波器电阻，Kpwm为逆变器等效增益，ωh为谐振频率。
可根据式(13)写出系统关于Kih的参数根轨迹的等效开环传递函数：
Figure BDA00015447031500000615
分析系统的极点可知共轭极点为系统的主导极点，因此式(14)可近似为：
Figure BDA0001544703150000071
从式(15)可知，参数根轨迹增益为：
Figure BDA0001544703150000072
利用matlab，可以绘制出当Kph＝10时，系统的根轨迹如图3所示。从根轨迹中，可以看出
1)参数Kph,Kih在正实数内变化时，系统始终稳定。
2)Kih≈44Kph
为了分析系统在不同参数下的频域特性，分别绘制出Kph＝10,Kih＝440与Kph＝100,Kih＝4400时，开环传递函数G与G1的bode图如图4所示。
图4为给定参数下开环传递函数的bode图；其中，图4中的(a)为幅频特性，图4中的(b)为相频特性。从图4中可以看出，随着增益Kph,Kih的增大，系统的开环增益增加，稳态误差减小，稳态性能提升，系统的截止频率增大，系统的调节时间减少，响应速度增快。此外不同参数下的相频特性相同。
在本发明中选取的参数为Kph＝100,Kih＝4400。
守恒功率理论对电流分解的有效性与比例谐振控制器跟踪效果
针对本发明中给出的非线性、不平衡负载，利用守恒功率理论对其电流进行分解后的对称有功分量、对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量与无效分量如图5所示，图5为非线性、不平衡负载下，守恒功率理论对电流的分解效果图。其中，图5中的(a)为负荷电流IL，图5中的(b)为对称有功电流Iab，图5中的(c)为不对称有功电流Iau，图5中的(d)为对称无功电流Irb，图5中的(e)为不对称无功电流Iru，图5中的(f)为无效电流Iv。从图5中可以看出，守恒功率理论能有效给出负荷电流中各种分量。
本发明实施案例中采用了两个多功能并网逆变器第一个多功能并网逆变器接收负荷电流中的对称有功分量与对称无功分量。第二个多功能并网逆变器接收负荷电流中的不对称分量与无效分量。最终的治理效果如图6所示。图6为非线性、不平衡负载下，两个多功能并网逆变器协同对电能质量治理的效果图。其中，图6中的(a)为电网侧电流Is，图6中的(b)为多功能并网逆变器1的输出电流Ig1，图6中的(c)为多功能并网逆变器2的输出电流Ig2，图6中的(d)为负荷电流IL。从图中可以看出，经过两个逆变器的协同，可以实现电能质量的治理。
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据分布式电源侧发出的最大功率或由上层能量管理系统给定的基波功率参考指令，利用Clark变换计算出基波参考电流；
步骤二、在负荷侧的负荷分析分配设备，对负荷电流进行采样；利用守恒功率理论，分解出其中的对称无功电流、不对称有功电流、不对称无功电流和无效电流；从上述四种电流中选择部分或全部作为电能质量治理电流分配给单个或多个多功能并网逆变器；
步骤三、多功能并网逆变器在接收到基波参考电流与电能质量治理电流后，将接收到的这两类电流之和作为多功能并网逆变器的实际参考电流；
步骤四、在三相静止坐标系下，利用比例谐振控制器或重复控制器对实际参考电流进行指令进行跟踪，实现多功能并网逆变器的有功功率输出与电能质量治理。
2.根据权利要求1所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤二中电能质量治理电流获取过程包括以下步骤：
对负荷侧电压电流进行检测，利用守恒功率理论计算出每相的有功电流、无功电流与无效电流，三相对称有功电流、对称无功电流；继而计算出不对称有功电流与不对称无功电流；根据多功能并网逆变器现有剩余容量，从前述计算出的对称无功电流、不对称有功电流、不对称无功电流和无效电流中，选择部分或全部作为逆变器的电能质量治理电流。
3.根据权利要求1所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法，其特征在于，步骤四中的比例谐振控制器的参数均基于波特图与根轨迹图确定。
4.基于权利要求1所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统，其特征在于，多功能并网逆变器的直流侧电容与分布式电源或储能设备直流输出端并联，该多功能并网逆变器为三相三线制，其输出端与滤波器直接相连，滤波器直接或通过变压器与配电网相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统，其特征在于，分布式电源或储能设备直流输出端包括光伏设备输出端、风力发电机整流输出端、蓄电池组/飞轮储能/超级电容器的输出端、燃料电池输出端和燃气轮机输出端。
6.根据权利要求4所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统，其特征在于，滤波器为RL、LC或LCL滤波器。
7.根据权利要求4所述的一种基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统，其特征在于，还包括一个用于控制逆变器触发脉冲的控制器，该控制器的参考指令包含有功电流参考指令、无功、谐波与不平衡电流参考指令；并包含逆变器输出侧电压传感器、电流传感器，以及用于测量负荷输出电流的电流传感器与利用守恒功率理论研制的负荷分析分配设备。
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