CN109980908B - 用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制的方法 - Google Patents

用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制的方法，通过对各逆变器输出电压进行锁相，根据馈线参数对输出电压相位进行相角补偿，以预估并网点的电网电压相角实现逆变器之间同步；再利用动态载波移相，使各个逆变器克服自身晶振误差的影响，保持逆变器处于最优载波相位以减少并网电流纹波。该方法可以实现在没有通讯线没有中央控制器的条件下，各逆变器达到同步，抑制逆变器并网电流谐波。

Description

用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制的方法
技术领域
本发明涉及用于多逆变并联环境下抑制逆变器并网点处纹波电流的方法，具体是以分散控制方式进行动态载波移相的PWM调制方法以抑制并网电流谐波。
背景技术
分布式发电(Distributed Generation.DG)系统具有投资低、环境友好、发电方式灵活、能源利用率高及供电可靠性高等优点。近年来，基于风力和太阳能等可再生能源的新能源发电技术得到了长足的发展，为大规模建设分布式发电系统提供了条件，新能源发电量所占能源结构的比重越来越大。分布式发电系统有两种运行模式:一种是离网孤岛运行，只给本地负载供电不向电网输送电能；另一种是并网运行，接入电网向电网输送电能，大多数情况下系统都是并网运行。
设计并网逆变器时，逆变器的稳定性是我们的首要指标，此时电网假定为理想电网。但在多逆变器并联并网应用中，电力电子装置的接入给电网提供了大量的非线性负载，并且各分布式发电系统的控制参数差异，线路阻抗差异，地理位置差异会对接入电网点产生较大冲击，甚至导致系统失稳。单独针对单台逆变器进行优化时，其成本、效率难以进一步优化，而针对多机并联系统看作整体，抑制电网接入点谐波的方法有助于突破单机设计的瓶颈。其中多机并联的集总控制技术在实际应用中受到环境和成本约束较大，并且过长的通讯线会降低系统运行可靠性，因此需要提出分散控制下的多逆变器并联抑制电网接入点谐波技术。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制方法，利用分散控制取代集总控制，在逆变器之间没有通讯线的基础上，各个逆变器相互自治，基于交错技术进行载波移相，以抑制逆变器并网电流纹波，保证并网电流的谐波特性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制的方法，包括以下步骤：
(1)各个逆变器利用其出口处电压进行锁相，经过相角补偿后预估并网点电压以实现多逆变器之间的同步；
(2)通过逆变器输出电压相位，以及线路阻抗参数预估并网点电压相位，并参考控制器内部数字载波的当前相位，制定移相方案，通过在一个基波周期(0.02s)内改变载波的频率和幅值，以实现动态调节载波相位；
(3)将所有逆变器看作一个整体，利用载波移相技术改善逆变器并网点并网电流的谐波特征，实现对输出电流纹波的抑制；
进一步的，步骤(1)包括以下步骤：
a)利用20kHz的锁相环对逆变器电压进行采样，以实现对出口电压相角的快速跟踪，利用50Hz的运算频率对载波相位进行计算，利用1kHz的频率对载波相位进行调节：其中载波频率的调整是每隔20ms计算移相角度，动态进行载波移相，纠正载波相位；
b)利用已知馈线参数RF和XF，对已经采样得到的逆变器出口电压相位θPoC(k)进行补偿，预估并网点电压相位
Figure BDA0002004578540000021
以实现同步，计算如下：
Figure BDA0002004578540000022
其中XF＝ω0LF由此可以得到：
Figure BDA0002004578540000023
并网点的电压相角
Figure BDA0002004578540000024
就可以精确算出：
Figure BDA0002004578540000025
其中RF和XF为馈线阻抗，
Figure BDA0002004578540000026
为馈线上的电压降落，Pref(k)、Qref(k)为逆变器输出的有功功率和无功功率，Δθ(k)为馈线补偿角，θPoC(k)为实时采样得到的逆变器并网点电压相角，
Figure BDA0002004578540000027
是逆变器的输出电流,VPoC(k)为逆变器输出侧的电压幅值。
进一步的，步骤(2)包括如下步骤：
a)根据区域内逆变器装配台数设定最优载波相位，装配台数n与最优载波相位
Figure BDA0002004578540000028
关系如下：
Figure BDA0002004578540000029
b)在逆变器出口处电压接近0°时对载波相位进行计算；
c)计算采样得到的数字载波当前相位与最优载波相位
Figure BDA00020045785400000210
的差值，之后制定控制策略，动态改变载波频率；控制器载波是由其计数器计数产生，根据采样得到的计数器当前值，确定载波的当前相位。
进一步的，步骤b)中控制策略如下：当载波相角与最优载波相角之间相差小于19.6°时，通过更改计数器中比较器的值更改计数器装载的周期，以更改载波频率；当超过19.6°时，利用(SC-1)×19.6°+x°的方式实现移相其中SC表示移相的周期数，即通过计算确定当前载波相位与最优载波相位的相位差，从而确定SC与x°的数值，在SC-1个开关周期中，每周期调节19.6°相位，最后一个周期调节x°，以补偿截断误差。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明去除了中央控制器以及较长的通讯线缆。通讯线缆的移除，降低了多逆变器并联的设备成本以及运营成本，同时整个系统不会因通讯线缆故障(如断线)而停止工作，提高了逆变器运行的可靠性，并且因线缆长度而造成的数据延时问题也不再存在。动态载波移相可以利用载波移相技术抑制逆变器开关频率附近的谐波而不对基波产生影响，使并网电流长期保持较高的电能质量。由于通过载波移相可以减少开关纹波，因此可以极大降低传统逆变器中无源滤波器的电感量，压缩逆变器生产成本。并且分散控制可以使每台逆变器独立工作，并不会出现传统设备中主机宕机而引起所有逆变器停止工作。
附图说明
图1表示两台逆变器独立并联，因其控制器晶振误差，而带来逆变器并网电流Isum的THD的实时变化
图2为本发明实施例中分散控制下多逆变器并联控制图。
图3a图3b分别为控制器移相判断时序逻辑以及在移相时，控制器控制载波移动特定相位的控制图
图4a为未进行载波移相的并网电流波形，图4b为并网电流随载波移动态变化的图形，图4c为载波移相之后并网电流波形。
图5为逆变器之间馈线相角差值相等时，即Δθ1-Δθ2＝Δθ2-Δθ3，进行相角补偿与未经相角补偿的并网电流(isum)THD变化。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
关于逆变器的控制，PWM调制是控制电力电子器件的核心，其中载波频率的精度是由控制器的晶振决定的，所以晶振的误差会导致载波的频率并不完全遵循设定的频率。在多台逆变器并联时，每台控制器都有自身的晶振频率，在考虑晶振误差的情况下，各逆变器载波的相位是随时间变化的，这样的变化会导致逆变器输出电流总畸变THD随时间变化。PPM是描述晶振频率误差的单位，1PPM＝10-6,也就是说，对于一个150MHz频率的晶振，1PPM也就指它的本身误差为150Hz,这样情况下对于两个需要同步的控制器，两者频率误差就会达到300Hz。
对于两台分散控制的逆变器，在±10PPM的基础上，其开关频率的最大差异为0.02Hz。每50s两台逆变器的载波相位会差360°。这样情况下PCC节点输出电流的THD变化如图1下半部分所示，从图中可以看出两台逆变器的最优移相角为180°，即当两台逆变器的载波相位相差180°时，载波移相技术对输出电流纹波的治理效果最好。
本发明用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制技术基本步骤如下：
步骤1：分散控制下实现多逆变器同步。在分散控制下，每个分布式发电系统拥有自身的控制器，如图2所示，每个控制器控制本地逆变器的输出电流，逆变器之间并无通信，依靠锁相环对逆变器输出电压VPoC进行锁相实现同步，各分布式发电系统的POC节点通过馈线连接在同一个并网节点，当前技术对馈线阻抗的预估已经拥有极高的精确度，所以，认为馈线阻抗为已知参数，关于控制以DG3(如图2)为例进行详细介绍，首先，控制器设置20kHz的定时器中断对逆变器输出电压VPoC，逆变器输出电流Il(abc)、逆变器输出功率以及控制器中的计数器值CTRnow进行采样，并对输出电压VPoC通过20kHz锁相环(PLL)得到θPoC(k)，利用已知馈线参数RF和XF，以及定时器中断采样得到的逆变器输出功率Pref(k),Qref(k)，计算得到馈线上的电压降落
Figure BDA0002004578540000041
从而推导馈线补偿角Δθ(k)，对已经采样得到的逆变器出口电压相位θpoc(k)进行补偿，预估并网点电压相位
Figure BDA0002004578540000042
计算如下：
Figure BDA0002004578540000043
其中XF＝ω0LF由此可以得到：
Figure BDA0002004578540000044
并网点的电压相角
Figure BDA0002004578540000051
就可以精确算出：
Figure BDA0002004578540000052
之后根据额定输出功率的有功功率Pref(k)和无功功率Qref(k)确定参考电流Iref(k)的幅值和相角,利用比例谐振控制器Gcur(z)实现滤波电感处流过的并网电流对参考电流Iref(k)的快速追踪，同时，逆变器输出电压θpoc(k)作为系统前馈以提高控制器的动态响应速度，控制器对产生的调制波Vref(k)进行离散载波移相控制，生成具有特定相位的PWM波，以控制逆变器运行。
步骤2：逆变器动态载波移相控制。
由于晶振的自身误差，会导致并联逆变器的开关频率产生周期性的变化，如图1所示，这种周期性的变化会造成PCC节点的输出电流的THD产生周期性变化。当实际载波相位与最优载波相位
Figure BDA0002004578540000053
存在差异时，控制器需将载波的相位调整到
Figure BDA0002004578540000054
为了避免载波频率突变产生不正常PWM波形应当逐渐的调整开关频率，具体控制如图3b所示，逆变器控制器(DSP)配置20kHz的定时器中断内容如图3a所示，根据计数器当前值CTRnow推断载波当前相位
Figure BDA0002004578540000055
并读取当前逆变器输出电压相位θpoc(k)，当发现载波相位并不处于理想相位时，控制器会调节载波频率，缓慢纠正载波相位至最优相位，具体流程如图3b。在t0时刻，发生中断事件，中断事件分为三部分，其一是读取当前计数器的数值CTRnow推断载波当前相位
Figure BDA0002004578540000056
读取逆变器输出电压相角θpoc(k)，逆变器额定输出功率的有功功率Pref(k)和无功功率Qref(k)，其二是利用馈线阻抗R3DG、L3DG以及采样得到的θpoc(k)、Pref(k)、Qref(k)进行馈线补偿，得到θpcc(k)，其三是判断θpcc(k)，当θpcc(k)在0°附近时，将载波当前相位
Figure BDA0002004578540000057
与逆变器n的最优载波相位
Figure BDA0002004578540000058
进行比较。如图3a所示，当
Figure BDA0002004578540000059
时，DSP会计算需要移动的相位，其中
Figure BDA00020045785400000510
为载波当前相位与载波理想相位之间的相位差，控制器通过动态的调整载波频率将
Figure BDA00020045785400000511
差值调节至0，以实现载波移相，从而治理PCC节点处输出电流纹波。考虑到调制度的因素，载波频率不能出现较大的突变，所以每个载波周期内可调整的最大相位角为19.6°，移相的具体方法：当
Figure BDA00020045785400000512
时，就会在一个载波周期内调整载波的相位，具体方案就是调节计数器计数周期，更改为需要移动相位对应的周期；当
Figure BDA00020045785400000513
时：利用(SC-1)×19.6°+x°的方式实现移相，也就是每个载波周期移动19.6°，剩下的x°在最后一个调整周期进行移动。在产生SC-1个移相载波后，载波的当前相位
Figure BDA0002004578540000061
与
Figure BDA0002004578540000062
相差x°，且满足x°＜19.6°，此时，控制器制定移动x°对应的载波频率，将载波相位调节到最优载波相位
Figure BDA0002004578540000063
其中移相调节的误差为0.0048°；在依次更改计数器的重装载值，产生2种频率的载波后，逆变器的载波相位就会逐渐移动。如图3b所示。
在SC数值不为零时，控制器将会在下一个载波产生的时刻t2时刻，对载波进行移相处理，即更改计数器的重装载值。并且每产生一个特定频率的载波，就会将其对应的控制个数SC自减一，在t2-t3时刻是以TBPRD_1为周期的载波，t3-t4时刻是以TBPRD_2为周期的载波，在t4时刻之后，控制器将载波频率恢复至1kHz。
如图4a至4c所示，仿真设置在三台逆变器并联的情况下，每台逆变器的滤波电感为0.8mH，可以看到逆变器输出电流从移相前(图4a)，移相时(图4b)，移相后(图4c)的纹波变化。看出本发明方法对抑制电流纹波的效果显著。
步骤3:讨论馈线阻抗对系统的影响。
实际应用中，分布式系统与PCC节点距离较远需要较长的馈线连接，前文有提到对逆变器输出电压相角θpoc(k)进行补偿，预估电网电压相角θpcc(k)，从而有效的减少馈线对控制器载波移相精准性的影响。
在图2所示电路拓扑下，以LGJ-50传输线为例，当多个分布式发电系统的馈线R/X不同时，现控制逆变器之间馈线相角差值相等，即Δθ1-Δθ2＝Δθ2-Δθ3，在此情况下，进行相角补偿与未经相角补偿的PCC侧输出电流(Isum)THD变化如图5，可见馈线种类的差异对PCC处输出电流的THD影响巨大。在未经相角补偿的情况下，各逆变器的输出电流相位由于馈线的影响，会再次产生相应的变化，随着逆变器之间的相角差值变大，输出电流的THD也会相应增大。而当在控制算法中对馈线相角进行补偿后，输出电流的THD并不会随着馈线的变化而变化。
综上，本发明方法可以抑制逆变器并网处电流纹波。本发明所提出的调制策略，可以在没有通信线缆和中央控制器的条件下使逆变器之间达到同步的效果，抑制多逆变器并网处的纹波电流，是一种值得推广的新型多逆变器并联并网的调制策略。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)各个逆变器利用各逆变器输出侧电压进行锁相，经过相角补偿后预估并网点电压相位以实现多逆变器之间的同步；具体如下：
a)利用20kHz的锁相环对逆变器输出侧电压进行采样，以实现输出侧电压相角的快速跟踪，利用50Hz的运算频率对载波相位进行计算，利用1kHz的频率对载波相位进行调节：其中载波频率的调整是每隔20ms计算移相角度，动态进行载波移相，纠正载波相位；
b)利用已知馈线参数RF和XF，对已经采样得到的逆变器输出侧电压相位θPoC(k)进行补偿，预估并网点电压相位
Figure FDA0002780037040000011
以实现同步，计算如下：
Figure FDA0002780037040000012
其中XF＝ω0LF由此可以得到：
Figure FDA0002780037040000013
并网点的电压相角
Figure FDA0002780037040000014
就可以精确算出：
Figure FDA0002780037040000015
其中RF和XF为馈线阻抗，
Figure FDA0002780037040000016
为馈线上的电压降落，Pref(k)、Qref(k)为逆变器输出的有功功率和无功功率，Δθ(k)为馈线补偿角，θPoC(k)为实时采样得到的逆变器并网点电压相角，
Figure FDA0002780037040000017
是逆变器的输出电流,VPoC(k)为逆变器输出侧的电压幅值；
(2)通过逆变器输出电压相位，以及线路阻抗参数预估并网点电压相位，并参考控制器内部数字载波的当前相位，制定移相方案，通过在一个基波周期(0.02s)内改变载波的频率和幅值，以实现动态调节载波相位；
(3)将所有逆变器看作一个整体，利用载波移相技术改善逆变器并网点并网电流的谐波特征，实现对输出电流纹波的抑制。
2.根据权利要求1所述用于分散控制下多逆变器并联谐波抑制的方法，其特征在于，步骤b)中控制策略如下：当载波相角与最优载波相角之间相差小于19.6°时，通过更改计数器中比较器的值更改计数器装载的周期，以更改载波频率；当超过19.6°时，利用(SC-1)×19.6°+x°的方式实现移相，其中SC表示移相的周期数，即通过计算确定当前载波相位与最优载波相位的相位差，从而确定SC与x°的数值，在SC-1个开关周期中，每周期调节19.6°相位，最后一个周期调节x°，以补偿截断误差。
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