CN110690727A - 一种基于分层电压控制的级联h桥变流器柔性并网方法 - Google Patents

一种基于分层电压控制的级联h桥变流器柔性并网方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法，级联H桥变流器由k个H桥首尾相互连接组成，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，向电网注入所需的有功功率和无功功率。以分层控制为手段，中央控制器实现并网点的功率精确控制，本地控制器进行二次调节，实现级联系统内部功率分配。本发明提供的分层控制策略具有灵活的功率控制性能，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

一种基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法
技术领域
本发明涉及用于级联H桥变流器柔性并网方法，具体是以分层控制的方式实现级联变流器内部的功率分配。
背景技术
随着分布式可再生能源和储能装置的安装日益增多，给现代配电系统带来了结构上的变化。而一般的光伏发电或者储能装置输出电压等级较低，需要采用级联的结构，对电压进行合理的提升，进而提高整体功率输出等级。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调控，一般采用变流器直接连接单个直流源的形式，并通过多变流器输出级联，进行组串式并网。在级联系统中，为了避免单个H桥过载导致器件烧毁降低供电可靠性，需要开发并网模式下级联系统中功率分配控制方法。
然而，绝大数的论文和公开专利主要集中在多电平变换器技术与级联型并网逆变器的输出功率和电流响应方面，在功率分配方面也仅仅实现了级联系统中每个H桥的均等功率分配性能。在现有的技术中，还没有一种适用于并网模式下级联H桥的功率分配控制方法，在低带宽通信的情况下实现多个级联逆变器间的协同控制，提高分布式电源的电压等级。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法，在低带宽通信条件下实现级联变流器间的功率分配，达到友好型并网，填补了级联H桥变流器功率比例分配的空白。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法，变流器由k个相互级联的逆变器首尾连接组成，直流侧为电池，并采用中央控制器与本地控制器相结合的分层控制方法，实现低压电源友好型并网，并实现并离网切换操作，包括以下步骤：
(1)将级联H桥变流器看成一个整体，中央控制器采用下垂控制方法，采集并网点电压和电流信息，实现并网点的频率和电压下垂控制；并且通过中央控制器收集各直流侧电池的SoC信息，通过SoC信息计算每个级联H桥的有功和无功功率的参考值，由此计算每个级联H桥的功率因数和视在功率的参考；
(2)本地控制器接收中央控制器发送的信息，并依此进行二次调节，实现级联H桥间的功率分配；
(3)当接受到孤岛操作指令时，中央控制器修改控制方法，实现无缝切换，利用本地控制器实现级联H桥间的功率分配。
进一步的，步骤(1)包括以下步骤：
中央控制器通过功率计算，计算得到级联H桥变流器并网点的有功功率和无功功率；以计算得到的有功功率和无功功率分别进行有功-频率下垂控制和无功-幅值下垂控制，并且下垂控制器均采用PI控制器，由此计算得到级联H桥并网点(PCC)的角频率和电压幅值；
同时，中央控制器收集各个电池的SoC信息，通过SoC信息确定每个级联H桥的参考有功功率和参考无功功率比例系数，将得到的比例系数与给定的参考值相乘得到每个级联H桥的参考有功功率与无功功率，进一步计算得到每个级联H桥的功率因数参考值和视在功率参考值；
上述两步骤计算得到的参考值，通过低带宽通信的方式发送到各个级联H桥。
进一步的，步骤(2)包括以下步骤：
本地控制器采集各自的电容电压、并网电流和电容电流，利用电容电压和并网电流计算得到每个级联H桥的有功功率和无功功率，由此再计算得到每个级联H桥的功率因数和视在功率；
本地控制器接收到中央控制器发送的参考值，利用计算得到的功率因数和视在功率，分别进行功率因数一频率反下垂控制和视在功率-幅值下垂控制，控制器均采用PI控制器；结合中央控制器下垂控制计算得到的角频率和电压幅值，得到每个级联H桥的角频率和电压幅值参考值，依此合成电压参考值；
根据中央控制器和本地控制器生成的电压参考值，对每个级联H桥的电容电压和电容电流进行双闭环跟踪控制。
进一步的，步骤(3)包括以下步骤：接收到孤岛操作指令时，保存当前中央控制器下垂控制计算得到的角频率和电压幅值数值，并不再进行下垂控制的计算；并且将PCC点计算得到的平均有功功率和无功功率替代下垂控制给定的有功功率参考和无功功率参考，以实现孤岛运行模式下每个级联H桥仍按给定实现功率分配，此时不需要更改本地控制器。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明基于分层电压控制，实现级联H桥变流器柔性并网，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.采用分层控制方法，在低带宽通信条件下，解决了级联H桥系统内部H桥功率分配问题。
3.与现有的控制技术相比，本发明的分层控制方法可以实现并离网切换，并且可以保证孤岛运行模式下功率按照每个H桥的电池信息进行分配。
附图说明
图1表示并网模式下级联变流器系统及分层控制系统。
图2表示并离网切换控制示意图。
图3a和图3b分别表示等功率分配和比例功率分配时电压示意图。
图4为PCC节点有功功率和无功功率波形图。
图5a为每个级联H桥的有功功率实验波形，图5b为每个级联H桥的无功功率实验波形。
图6为并离网切换过程实验波形图。
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。
本发明提供基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法，图1为本发明的电路拓扑结构及控制框图。如图1所示，以k＝3为例进行说明。
级联H桥变流器由3个相互级联的H桥首尾相互连接组成，用于提升整体输出电压等级和功率容量，对级联H桥的外特性进行下垂控制，实现低压分布式电源友好型并网，向电网注入所需的有功和无功功率；针对每一个级联H桥，进行二次调节，实现级联系统内部的功率分配，具体包括以下步骤：
步骤1：将级联逆变器看成一个整体，采集并网点电压VPCC和电流信息Iinv，中央控制器通过功率计算，得到并网点的有功功率PInst和无功功率QInst，并通过低通滤波器得到并网点的平均功率PLPF和QLPF；
步骤2：根据计算得到的并网点功率，中央控制器进行有功-频率下垂控制和无功-幅值下垂控制，控制策略设计如下：
Figure BDA0002209855450000031
其中，ω0和E0是级联H桥并网点的额定角频率和额定电压幅值，ω*和E*为中央控制器计算得到的并网点电压角频率和幅值的参考值；Pref和Qref为级联系统整体输出功率的参考值；
kp_ω_c和ki_ω_c分别为有功-频率下垂控制器的比例系数和积分比例系数，kp_mag_c和ki_mag_c分别为无功-幅值下垂控制器的比例系数和积分比例系数；k表示有k个H桥级联；通过中央控制器的下垂控制可以保证并网点的功率精确控制；s为复频域。
步骤3：同时，中央控制器通过低带宽通信的方式收集各个级联H桥直流侧电池的SoC信息，根据SoC信息确定每个级联H桥的有功和无功比例系数εp，m和εQ，m，比例系数分别与系统输出功率的参考值相乘得到每个级联H桥的有功参考Pref，m和无功参考Qref，m，并由此计算得到每个级联H桥的参考功率因数PFref，m和参考视在功率Sref，m：
Figure BDA0002209855450000041
步骤4：中央控制器计算得到的参考值ω*、E*、PFref，m和Sref，m以低带宽通信的方式通过中央控制器的发送器传递到本地控制器的接收器；
步骤5：本地控制器采集各自的电容电压Vc，m、并网电流Iinv和电容电流Ic，m，利用电容电压和并网电流计算得到每个级联H桥的有功功率PInst，m和无功功率QInst，m，并通过低通滤波器得到每个级联H桥的平均功率PLPF，m和QLPF，m，由此再计算得到每个级联H桥的功率因数PFLPF，m和视在功率SLPF，m；
步骤6：本地控制器根据计算得到的功率因数和视在功率，并结合中央控制器的发送的数据，进行功率因数-频率反下垂控制和视在功率-幅值下垂控制，控制策略设计如下：
其中，
Figure BDA0002209855450000043
和
Figure BDA0002209855450000044
是第m个逆变器电压角频率和电压幅值的参考信号，可以合成为第m个逆变器的电压参考；kp_ω_L和ki_ω_L是本地控制器功率因数-频率反下垂控制器的比例系数和积分比例系数；kp_mag_L和ki_mag_L是本地控制器视在功率-幅值反下垂控制器的比例系数和积分比例系数；经过本地控制器二次调节，每个级联H桥输出电压的相位和幅值会不同，从而达到功率在每个级联H桥的功率分配；
步骤7：电压电流跟踪：根据中央控制器和本地控制器生成的参考电压对逆变器的输出电容电压和电容电流进行双闭环跟踪控制；
步骤8：当进行并离网切换时，如图2所示，中央控制器接收到孤岛操作命令时，只需保持当前中央控制器计算得到的ω*和E*，不在进行下垂控制的计算；同时，更改整个级联系统功率分配时的参考有功功率和无功功率，即PCC点计算得到的平均有功功率PLPF替代Pref，平均无功功率QLPF替代Qref，从而可以保证系统在离网运行模式下，级联系统内部每个级联H桥可以按照其直流侧电池的SoC信息进行功率分配；
如图2所示，采用本发明时，并网点有功功率和无功功率图；图3a为3个H桥输出有功功率，图3b为3个H桥输出无功功率，可以看出在阶段1每个级联H桥能实现均等的有功和无功功率分配，阶段2能按照每个级联H桥的SoC信息进行比例分配；当有功和无功功率发生跳变时，每个级联H桥仍可以按照SoC信息进行功率分配；如图4所示，当进行并离网切换时，并网点处电压VPCC并未发生跳变，并且每个级联H桥的功率仍然按照比例分配。
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 (4)

1.一种基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法，其特征在于，变流器由k个相互级联的逆变器首尾连接组成，直流侧为电池，并采用中央控制器与本地控制器相结合的分层控制方法，实现低压电源友好型并网，并实现并离网切换操作，包括以下步骤：
(1)将级联H桥变流器看成一个整体，中央控制器采用下垂控制方法，采集并网点电压和电流信息，实现并网点的频率和电压下垂控制；并且通过中央控制器收集各直流侧电池的SoC信息，通过SoC信息计算每个级联H桥的有功和无功功率的参考值，由此计算每个级联H桥的功率因数和视在功率的参考；
(2)本地控制器接收中央控制器发送的信息，并依此进行二次调节，实现级联H桥间的功率分配；
(3)当接受到孤岛操作指令时，中央控制器修改控制方法，实现无缝切换，利用本地控制器实现级联H桥间的功率分配。
2.根据权利要求1所述一种基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法，其特征在于，步骤(1)包括以下步骤：
a)中央控制器通过功率计算，计算得到级联H桥变流器并网点的有功功率和无功功率；以计算得到的有功功率和无功功率分别进行有功-频率下垂控制和无功-幅值下垂控制，并且下垂控制器均采用PI控制器，由此计算得到级联H桥并网点(PCC)的角频率和电压幅值；
b)同时，中央控制器收集各个电池的SoC信息，通过SoC信息确定每个级联H桥的参考有功功率和参考无功功率比例系数，将得到的比例系数与给定的参考值相乘得到每个级联H桥的参考有功功率与无功功率，进一步计算得到每个级联H桥的功率因数参考值和视在功率参考值；
c)上述两步骤计算得到的参考值，通过低带宽通信的方式发送到各个级联H桥。
3.根据权利要求1所述一种基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法，其特征在于，步骤(2)包括以下步骤：
a)本地控制器采集各自的电容电压、并网电流和电容电流，利用电容电压和并网电流计算得到每个级联H桥的有功功率和无功功率，由此再计算得到每个级联H桥的功率因数和视在功率；
b)本地控制器接收到中央控制器发送的参考值，利用计算得到的功率因数和视在功率，分别进行功率因数-频率反下垂控制和视在功率-幅值下垂控制，控制器均采用PI控制器；结合中央控制器下垂控制计算得到的角频率和电压幅值，得到每个级联H桥的角频率和电压幅值参考值，依此合成电压参考值；
c)根据中央控制器和本地控制器生成的电压参考值，对每个级联H桥的电容电压和电容电流进行双闭环跟踪控制。
4.根据权利要求1所述一种基于分层电压控制的级联H桥变流器柔性并网方法，其特征在于，步骤(3)包括以下步骤：接收到孤岛操作指令时，保存当前中央控制器下垂控制计算得到的角频率和电压幅值数值，并不再进行下垂控制的计算；并且将PCC点计算得到的平均有功功率和无功功率替代下垂控制给定的有功功率参考和无功功率参考，以实现孤岛运行模式下每个级联H桥仍按给定实现功率分配，此时不需要更改本地控制器。
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