CN108964147A - 一种改善并联逆变器无功功率分配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，首先分别计算两台逆变器在dq坐标系下的输出电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2，输出电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，由有功功率P₁、P₂计算角频率ω₁、ω₂；然后采用补偿电压的无功功率‑电压下垂控制计算两台逆变器输出端电压参考值U₁ ^*、U₂ ^*；计算dq坐标系下两台逆变器输出电压的参考值E_d1和E_q1，E_d2和E_q2；最后将PI控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两台逆变器dq轴坐标系下电压U_d1、U_q1，电压U_d2、U_q2，电流I_d1、I_q1，电流I_d2、I_q2进行控制，得到两台逆变器PWM的调制信号，实现两台逆变器之间无功功率精确分配，本发明解决了现有技术中存在的并联逆变器线路阻抗比匹配导致无功功率分配偏差及并联环流的问题。

Description

一种改善并联逆变器无功功率分配的方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种改善并联逆变器无功功率分配的方法。

背景技术

并联微网逆变器采用下垂控制，每个分布式电源DG都参与微电网电压与频率的调节，在负载的变化时自动依据下垂系数分担负载的变化量，每个DG所承担的负载均与其额定容量成比正比。但等效线路阻抗的差异，导致线路阻抗不匹配，使得无功功率无法精确分配且并联逆变器之间存在环流。

针对此问题，现有的控制方法有加入虚拟阻抗，及对下垂控制进行改进。

虚拟阻抗的作用也不同，其一，通过加入虚拟阻抗，使得逆变器等效输出阻抗呈感性，从而实现无功功率均分，但此方法必须已知线路阻抗，且虚拟阻抗为固定值；其二，功率在虚拟阻抗上产生的电压降落来补偿线路阻抗不匹配造成的电压跌落，从而实现无功功率精确分配；此方法是通过无功功率来调节虚拟阻抗，无需已知线路阻抗，且虚拟阻抗能够自动调节。对下垂控制进行改进的方法有：一、将线路阻抗不匹配产生的电压降落加入到电压下垂控制中，设计线路观测器，得出线路阻抗不匹配产生的电压降落，从而实现无功功率精确分配，但这个线路阻抗观测器与电压观测器设计相对计较复杂，不易实现。二、通过修改下垂系数，对线路阻抗不匹配产生的电压降落进行补偿，达到无功功率精确分配的目的，但此方法会造成输出电压跌落。现有的方法或者太过固定，或者太过复杂，且会造成输出电压跌落。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，解决了现有技术中存在的并联逆变器线路阻抗比匹配导致无功功率分配偏差及并联环流的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、分别计算两台逆变器在dq坐标系下的输出电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2，输出电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，由有功功率P₁、P₂计算角频率ω₁、ω₂；

步骤2，采用补偿电压的无功功率-电压下垂控制计算两台逆变器输出端电压参考值

步骤3，计算dq坐标系下两台逆变器输出电压的参考值E_d1和E_q1，E_d2和E_q2；

步骤4，将PI控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两台逆变器dq轴坐标系下电压U_d1、U_q1，电压U_d2、U_q2，电流I_d1、I_q1，电流I_d2、I_q2进行控制，得到两台逆变器PWM的调制信号，实现两台逆变器之间无功功率精确分配。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、两台逆变器并联带负载运行，分别采集两台逆变器输出三相电压U_a1、U_b1、U_c1，U_a2、U_b2、U_c2，三相电流I_a1、I_b1、I_c1，I_a2、I_b2、I_c2；

步骤1.2，根据两台输出三相电压电流分别计算有功功率P₁、P₂和无功功率Q₁、Q₂，具体如式(1)所示：

其中，U_bc1、U_ca1、U_ab1分别为第一台逆变器交流端A、B、C三相之间的线电压，U_bc2、U_ca2、U_ab2分别为第二台逆变器交流端A、B、C三相之间的线电压；

步骤1.3，由步骤1.2中得到的两台逆变器有功功率P₁、P₂分别计算角频率ω₁、ω₂，具体公式如式(4)所示：

其中，P_ref1、P_ref2分别为两台逆变器有功功率的参考值，K_ω1、K_ω2分别为两台逆变器的有功功率-频率下垂系数，ω₀为额定角频率；

步骤1.4、对所述步骤1.3中得出的角频率ω₁、ω₂进行积分得到电角度θ₁、θ₂；

步骤1.5，通过步骤1.1得到的两台逆变器三相电压电流分别计算dq轴坐标系下的电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2及电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，具体如公式(3)、公式(4)：

其中θ₁、θ₂分别为两台逆变器的电角度；

步骤2具体按照以下步骤实施：

结合步骤1.2计算两台端电压幅值的参考值具体公式如式(5)所示：

其中，U_N为空载电压，K_v1、K_v2为两台逆变器的无功功率-电压下垂系数，Q_ref1、Q_ref2为两台逆变器无功功率参考值，Q₁、Q₂为两台逆变器无功功率实际值，K_iq1、K_iq2为积分系数，U_e1、U_e2为两台逆变器无功功率-电压下垂控制输出电压。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、根据步骤1.3和步骤2分别计算两台逆变器输出端电压参考值E_abc1，E_abc2，具体如式(6)所示：

步骤3.2，根据步骤1.5中的公式(4)，将两台逆变器输出端电压参考值E_abc1、E_abc2分别转换为dq轴坐标系下的电压参考值E_d1、E_d2和E_q1、E_q2。

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，将PI控制器作为电压环、电流环的控制器分别对两台逆变器在dq轴坐标系下的输出电压U_d1、和U_q1、输出电流I_d1、和I_q1、进行控制，PI控制器的传递函数如式(7)：

其中，G₁(s)、G₂(s)表示传递函数，K_p1、K_p2为比例系数，K_i1、K_i2为积分系数；

两台逆变器在dq轴坐标系下电压的参考值E_d1、E_d2和E_q1、E_q2与实际值U_d1、U_d2和U_q1、U_q2的偏差经过电压环得到电流的参考值I_dref1、I_dref2和I_qref1、I_qref2，与两台逆变器在dq轴坐标系电流的实际值I_d1、I_d2和I_q1、I_q2的偏差经过电流环得到dq轴下的电压参考值V_d1、V_d2和V_q1、V_q2；

步骤4.2，根据步骤4.1得出的两台逆变器在dq轴坐标系下的电压参考值V_d1、V_d2和V_q1、V_q2计算三相旋转坐标系下的三相电压参考值V_a1、V_b1、V_c1和V_a2、V_b2、V_c2，标幺化后即得到各自的PWM调制信号，具体如式(8)所示：

其中，V_d1、V_d2和V_q1、V_q2分别为两台逆变器各自电流环输出的在dq轴坐标系下的电压参考值；

至此，基于dq轴坐标系下，采用无功功率偏差补偿电压，从而消除两台逆变器线路阻抗不匹配造成的无功功率分配偏差及环流控制完成。

本发明的有益效果是，一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，并联逆变器线路阻抗不匹配，对无功功率-电压下垂控制进行改进，采用无功功率偏差对逆变器输出端电压幅值进行补偿，具有二次调压作用，能够实现并联逆变器的无功功率精确分配，消除环流。

附图说明

图1是本发明一种改善并联逆变器无功功率分配的方法中两台逆变器并联主电路拓扑图；

图2是本发明一种改善并联逆变器无功功率分配的方法中单个逆变器总体控制框图；

图3是本发明一种改善并联逆变器无功功率分配的方法中有功功率-频率下垂控制框图；

图4是本发明一种改善并联逆变器无功功率分配的方法中电压补偿的无功功率-电压下垂控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，结合图1、图2，具体按照以下步骤实施：

步骤1、分别计算两台逆变器在dq坐标系下的输出电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2，输出电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，由有功功率P₁、P₂计算角频率ω₁、ω₂，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、两台逆变器并联带负载运行，分别采集两台逆变器输出三相电压U_a1、U_b1、U_c1，U_a2、U_b2、U_c2，三相电流I_a1、I_b1、I_c1，I_a2、I_b2、I_c2；

步骤1.2，根据两台输出三相电压电流分别计算有功功率P₁、P₂和无功功率Q₁、Q₂，具体如式(1)所示：

其中，U_bc1、U_ca1、U_ab1分别为第一台逆变器交流端A、B、C三相之间的线电压，U_bc2、U_ca2、U_ab2分别为第二台逆变器交流端A、B、C三相之间的线电压；

步骤1.3，如图3所示，由步骤1.2中得到的两台逆变器有功功率P₁、P₂分别计算角频率ω₁、ω₂，具体公式如式(4)所示：

其中，P_ref1、P_ref2分别为两台逆变器有功功率的参考值，K_ω1、K_ω2分别为两台逆变器的有功功率-频率下垂系数，ω₀为额定角频率；

步骤1.4、对所述步骤1.3中得出的角频率ω₁、ω₂进行积分得到电角度θ₁、θ₂；

步骤1.5，通过步骤1.1得到的两台逆变器三相电压电流分别计算dq轴坐标系下的电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2及电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，具体如公式(3)、公式(4)：

其中θ₁、θ₂分别为两台逆变器的电角度；

步骤2，如图4所示，采用补偿电压的无功功率-电压下垂控制计算两台逆变器输出端电压参考值具体按照以下步骤实施：

结合步骤1.2计算两台端电压幅值的参考值具体公式如式(5)所示：

其中，U_N为空载电压，K_v1、K_v2为两台逆变器的无功功率-电压下垂系数，Q_ref1、Q_ref2为两台逆变器无功功率参考值，Q₁、Q₂为两台逆变器无功功率实际值，K_iq1、K_iq2为积分系数，U_e1、U_e2为两台逆变器无功功率-电压下垂控制输出电压；

步骤3，计算dq坐标系下两台逆变器输出电压的参考值E_d1和E_q1，E_d2和E_q2，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、根据步骤1.3和步骤2分别计算两台逆变器输出端电压参考值E_abc1，E_abc2，具体如式(6)所示：

步骤3.2，根据步骤1.5中的公式(4)，将两台逆变器输出端电压参考值E_abc1、E_abc2分别转换为dq轴坐标系下的电压参考值E_d1、E_d2和E_q1、E_q2；

步骤4，将PI控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两台逆变器dq轴坐标系下电压U_d1、U_q1，电压U_d2、U_q2，电流I_d1、I_q1，电流I_d2、I_q2进行控制，得到两台逆变器PWM的调制信号，实现两台逆变器之间无功功率精确分配，具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，将PI控制器作为电压环、电流环的控制器分别对两台逆变器在dq轴坐标系下的输出电压U_d1、和U_q1、输出电流I_d1、和I_q1、进行控制，PI控制器的传递函数如式(7)：

其中，G₁(s)、G₂(s)表示传递函数，K_p1、K_p2为比例系数，K_i1、K_i2为积分系数；

两台逆变器在dq轴坐标系下电压的参考值E_d1、E_d2和E_q1、E_q2与实际值U_d1、U_d2和U_q1、U_q2的偏差经过电压环得到电流的参考值I_dref1、I_dref2和I_qref1、I_qref2，与两台逆变器在dq轴坐标系电流的实际值I_d1、I_d2和I_q1、I_q2的偏差经过电流环得到dq轴下的电压参考值V_d1、V_d2和V_q1、V_q2；

步骤4.2，根据步骤4.1得出的两台逆变器在dq轴坐标系下的电压参考值V_d1、V_d2和V_q1、V_q2计算三相旋转坐标系下的三相电压参考值V_a1、V_b1、V_c1和V_a2、V_b2、V_c2，标幺化后即得到各自的PWM调制信号，具体如式(8)所示：

其中，V_d1、V_d2和V_q1、V_q2分别为两台逆变器各自电流环输出的在dq轴坐标系下的电压参考值；

至此，基于dq轴坐标系下，采用无功功率偏差补偿电压，从而消除两台逆变器线路阻抗不匹配造成的无功功率分配偏差及环流控制完成。

实施例

本发明一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，结合图1、图2，具体按照以下步骤实施：

步骤1、分别计算两台逆变器在dq坐标系下的输出电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2，输出电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，由有功功率P₁、P₂计算角频率ω₁、ω₂，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、两台逆变器并联带负载运行，设两台逆变器的直流母线电压U_dc为700V，滤波电阻R_f、电感L_f、电容C_f分别为：0.01Ω、2mH、50μF，线路阻抗分别设置为：Z₁＝1+j2.56，Z₂＝1.2+j2.56，并联负载设置为：P＝6kW，Q＝6kVar。分别采集两台逆变器输出三相电压U_a1、U_b1、U_c1，U_a2、U_b2、U_c2，三相电流I_a1、I_b1、I_c1，I_a2、I_b2、I_c2；

步骤1.2，根据两台输出三相电压电流分别计算有功功率P₁、P₂和无功功率Q₁、Q₂，具体如式(1)所示：

其中，U_bc1、U_ca1、U_ab1分别为第一台逆变器交流端A、B、C三相之间的线电压，U_bc2、U_ca2、U_ab2分别为第二台逆变器交流端A、B、C三相之间的线电压；

步骤1.3，由步骤1.2中得到的两台逆变器有功功率P₁、P₂分别计算角频率ω₁、ω₂，具体公式如式(4)所示：

其中，P_ref1、P_ref2分别为两台逆变器有功功率的参考值，K_ω1、K_ω2分别为两台逆变器的有功功率-频率下垂系数，ω₀为额定角频率；

其中，两台逆变器有功功率的参考值P_ref1、P_ref2都取值为0，两台逆变器的有功功率-频率下垂系数K_ω1、K_ω2都取值为0.003，额定角频率ω₀取值为314rad/s；

步骤1.4、对所述步骤1.3中得出的角频率ω₁、ω₂进行积分得到电角度θ₁、θ₂；

步骤1.5，通过步骤1.1得到的两台逆变器三相电压电流分别计算dq轴坐标系下的电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2及电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，具体如公式(3)、公式(4)：

其中θ₁、θ₂分别为两台逆变器的电角度；

步骤2，采用补偿电压的无功功率-电压下垂控制计算两台逆变器输出端电压参考值具体按照以下步骤实施：

结合步骤1.2计算两台端电压幅值的参考值具体公式如式(5)所示：

其中，U_N为空载电压，K_v1、K_v2为两台逆变器的无功功率-电压下垂系数，Q_ref1、Q_ref2为两台逆变器无功功率参考值，Q₁、Q₂为两台逆变器无功功率实际值，K_iq1、K_iq2为积分系数，U_e1、U_e2为两台逆变器无功功率-电压下垂控制输出电压；

其中，空载电压U_N取值为311V，两台逆变器的无功功率-电压下垂系数K_v1、K_v2都取值为0.001,两台逆变器无功功率参考值Q_ref1、Q_ref2都取值为3Kvar，两台逆变器的积分系数K_iq1、K_iq2都取值为0.5。

步骤3，计算dq坐标系下两台逆变器输出电压的参考值E_d1和E_q1，E_d2和E_q2，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、根据步骤1.3和步骤2分别计算两台逆变器输出端电压参考值E_abc1，E_abc2，具体如式(6)所示：

步骤3.2，根据步骤1.5中的公式(4)，将两台逆变器输出端电压参考值E_abc1、E_abc2分别转换为dq轴坐标系下的电压参考值E_d1、E_d2和E_q1、E_q2；

步骤4，将PI控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两台逆变器dq轴坐标系下电压U_d1、U_q1，电压U_d2、U_q2，电流I_d1、I_q1，电流I_d2、I_q2进行控制，得到两台逆变器PWM的调制信号，实现两台逆变器之间无功功率精确分配，具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，将PI控制器作为电压环、电流环的控制器分别对两台逆变器在dq轴坐标系下的输出电压U_d1、和U_q1、输出电流I_d1、和I_q1、进行控制，PI控制器的传递函数如式(7)：

其中，G₁(s)、G₂(s)表示传递函数，K_p1、K_p2为比例系数，K_i1、K_i2为积分系数；

其中，比例系数K_p1、K_p2都取值为为0.001；积分系数K_i1、K_i2都取值为为100；

两台逆变器在dq轴坐标系下电压的参考值E_d1、E_d2和E_q1、E_q2与实际值U_d1、U_d2和U_q1、U_q2的偏差经过电压环得到电流的参考值I_dref1、I_dref2和I_qref1、I_qref2，与两台逆变器在dq轴坐标系电流的实际值I_d1、I_d2和I_q1、I_q2的偏差经过电流环得到dq轴下的电压参考值V_d1、V_d2和V_q1、V_q2；

步骤4.2，根据步骤4.1得出的两台逆变器在dq轴坐标系下的电压参考值V_d1、V_d2和V_q1、V_q2计算三相旋转坐标系下的三相电压参考值V_a1、V_b1、V_c1和V_a2、V_b2、V_c2，标幺化后即得到各自的PWM调制信号，具体如式(8)所示：

其中，V_d1、V_d2和V_q1、V_q2分别为两台逆变器各自电流环输出的在dq轴坐标系下的电压参考值；

至此，基于dq轴坐标系下，采用无功功率偏差补偿电压，从而消除两台逆变器线路阻抗不匹配造成的无功功率分配偏差及环流控制完成。

Claims (5)

1.一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、分别计算两台逆变器在dq坐标系下的输出电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2，输出电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，由有功功率P₁、P₂计算角频率ω₁、ω₂；

步骤2，采用补偿电压的无功功率-电压下垂控制计算两台逆变器输出端电压参考值

步骤3，计算dq坐标系下两台逆变器输出电压的参考值E_d1和E_q1，E_d2和E_q2；

步骤4，将PI控制器作为电压电流双闭环的控制器分别对两台逆变器dq轴坐标系下电压U_d1、U_q1，电压U_d2、U_q2，电流I_d1、I_q1，电流I_d2、I_q2进行控制，得到两台逆变器PWM的调制信号，实现两台逆变器之间无功功率精确分配。

2.根据权利要求1所述的一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、两台逆变器并联带负载运行，分别采集两台逆变器输出三相电压U_a1、U_b1、U_c1，U_a2、U_b2、U_c2，三相电流I_a1、I_b1、I_c1，I_a2、I_b2、I_c2；

步骤1.2，根据两台输出三相电压电流分别计算有功功率P₁、P₂和无功功率Q₁、Q₂，具体如式(1)所示：

其中，U_bc1、U_ca1、U_ab1分别为第一台逆变器交流端A、B、C三相之间的线电压，U_bc2、U_ca2、U_ab2分别为第二台逆变器交流端A、B、C三相之间的线电压；

步骤1.3，由步骤1.2中得到的两台逆变器有功功率P₁、P₂分别计算角频率ω₁、ω₂，具体公式如式(4)所示：

其中，P_ref1、P_ref2分别为两台逆变器有功功率的参考值，K_ω1、K_ω2分别为两台逆变器的有功功率-频率下垂系数，ω₀为额定角频率；

步骤1.4、对所述步骤1.3中得出的角频率ω₁、ω₂进行积分得到电角度θ₁、θ₂；

步骤1.5，通过步骤1.1得到的两台逆变器三相电压电流分别计算dq轴坐标系下的电压U_d1、U_q1，U_d2、U_q2及电流I_d1、I_q1，I_d2、I_q2，具体如公式(3)、公式(4)：

其中θ₁、θ₂分别为两台逆变器的电角度。

3.根据权利要求2所述的一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：

结合步骤1.2计算两台端电压幅值的参考值具体公式如式(5)所示：

其中，U_N为空载电压，K_v1、K_v2为两台逆变器的无功功率-电压下垂系数，Q_ref1、Q_ref2为两台逆变器无功功率参考值，Q₁、Q₂为两台逆变器无功功率实际值，K_iq1、K_iq2为积分系数，U_e1、U_e2为两台逆变器无功功率-电压下垂控制输出电压。

4.根据权利要求3所述的一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、根据步骤1.3和步骤2分别计算两台逆变器输出端电压参考值E_abc1，E_abc2，具体如式(6)所示：

步骤3.2，根据步骤1.5中的公式(4)，将两台逆变器输出端电压参考值E_abc1、E_abc2分别转换为dq轴坐标系下的电压参考值E_d1、E_d2和E_q1、E_q2。

5.根据权利要求4所述的一种改善并联逆变器无功功率分配的方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，将PI控制器作为电压环、电流环的控制器分别对两台逆变器在dq轴坐标系下的输出电压U_d1、和U_q1、输出电流I_d1、和I_q1、进行控制，PI控制器的传递函数如式(7)：

其中，G₁(s)、G₂(s)表示传递函数，K_p1、K_p2为比例系数，K_i1、K_i2为积分系数；

两台逆变器在dq轴坐标系下电压的参考值E_d1、E_d2和E_q1、E_q2与实际值U_d1、U_d2和U_q1、U_q2的偏差经过电压环得到电流的参考值I_dref1、I_dref2和I_qref1、I_qref2，与两台逆变器在dq轴坐标系电流的实际值I_d1、I_d2和I_q1、I_q2的偏差经过电流环得到dq轴下的电压参考值V_d1、V_d2和V_q1、V_q2；

步骤4.2，根据步骤4.1得出的两台逆变器在dq轴坐标系下的电压参考值V_d1、V_d2和V_q1、V_q2计算三相旋转坐标系下的三相电压参考值V_a1、V_b1、V_c1和V_a2、V_b2、V_c2，标幺化后即得到各自的PWM调制信号，具体如式(8)所示：

其中，V_d1、V_d2和V_q1、V_q2分别为两台逆变器各自电流环输出的在dq轴坐标系下的电压参考值；

至此，基于dq轴坐标系下，采用无功功率偏差补偿电压，从而消除两台逆变器线路阻抗不匹配造成的无功功率分配偏差及环流控制完成。