CN111756262A - 一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，包括采集逆变器i的输出电压和输出电流；计算逆变器i的有功功率Pi和无功功率Qi；将有用功率Pi和无功功率Qi发送到信息共享单元；信息共享单元根据有用功率Pi和无功功率Qi，计算共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom和逆变器台数N；并发送至下垂控制模块；下垂控制模块根据改进的R型下垂方程，生成逆变器i的参考电压角频率和幅值的设置值ωi和Vi，进而得到逆变器i的参考电压vrefi；输入电压控制器，通过电压控制器生成逆变器i开关器件的门级触发信号，控制逆变器i开关管的通断。本发明能够减小由下垂机制引起的电压幅值和频率偏移，提高并联系统的功率均分精度和系统动态性能，提升输出电压的电能质量。

Description

一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器控制领域，特别是涉及一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法。
背景技术
逆变器并联运行赋予供电系统良好的冗余度和可扩展性，同时能够有效增强供电可靠性，在新能源分布式发电、微电网和不间断电源等领域中经常应用。而下垂控制由于能够实现多逆变器自主并联运行，得到了广泛研究。基于下垂控制的逆变器并联系统由于输出连线阻抗的差异，功率均分存在误差。另外，下垂机制将使输出电压的频率和幅值偏离额定值，降低了输出电压的电能质量。此外，增大下垂系数能够在一定范围内改善功率均分精度和系统动态性能，但会造成电压幅值和角频率进一步偏离额定值，需折中考虑。
目前,“Fast reactive power sharing,circulating current and resonancesuppression for parallel inverters using resistive-capacitive outputimpedance.IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(8)”指出根据逆变器阻抗的不同，传统下垂控制方程共有五种类型，L型、R型、C型、RL型、RC型，分别对应相应的下垂方程；多台逆变器基于下垂控制方程并联运行时，在输出连线阻抗存在较大差异时，稳态功率均分精度较低，而且下垂机制造成参考电压幅值和频率偏离额定值，影响输出电能质量。增大下垂系数能够在一定范围内改善功率均分精度和系统动态性能，但会造成电压幅值和角频率进一步偏离额定值，需折中考虑。“Theoretical and ExperimentalInvestigation of Networked Control for Parallel Operation of Inverters.IEEETransactions on Industrial Electronics,2012,59(4)”对两台逆变器组成的并联系统进行研究，基于L型下垂控制，提出一种基于网络控制的并联逆变器均流控制策略。每台逆变器通过CAN通信网络接收另一台逆变器的有功和无功功率信息。逆变器的本地输出功率和另一台逆变器的输出功率分别乘于加权系数后再相加，作为参与下垂控制的功率值。加权系数可以调整通信调配功率的比例。该方案有助于让并联系统能兼顾所有模块的信息，主导模块并联时输出功率的均分情况，但在输出连线阻抗差异较大时对功率均分精度的改善能力有限，而且没有考虑下垂机制引入的电压幅值和频率偏移问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，能够减小由下垂机制引起的电压幅值和频率偏移，从而提高并联系统的功率均分精度和系统动态性能，提升输出电压的电能质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，包括：
采集逆变器i输出电压和输出电流，i为1,2,3,…,N，N为逆变器的台数，N>1；
功率计算模块计算逆变器i的有功功率Pi和无功功率Qi；
将有用功率Pi和无功功率Qi发送到信息共享单元；
信息共享单元根据有用功率Pi和无功功率Qi，计算共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom和逆变器台数N；并发送至下垂控制模块；
下垂控制模块根据改进的R型下垂方程，生成逆变器i的参考电压的幅度Vi和角频率ωi，进而得到逆变器i的参考电压vrefi，输入电压控制器；
通过电压控制器生成逆变器i开关器件的门级触发信号，控制逆变器i开关管的通断。
优选的，所述根据信息共享单元根据有用功率Pi和无功功率Qi，计算共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom，具体为：
Figure BDA0002547664400000021
Figure BDA0002547664400000022
其中，Pcom、Qcom是各并联逆变器共享的功率信息，Pi、Qi是逆变器i输出的有功和无
其中功功率，N为并联系统中的逆变器总台数。
优选的，所述下垂控制模块根据改进的R型下垂方程，生成逆变器i的参考电压的幅度Vi和角频率ωi，具体为：
Figure BDA0002547664400000023
其中，kpω、kqv分别为电压和角频率下垂系数；ω0为额定电压角频率，V0为额定电压幅值；m、n为参与系数；ωi和Vi分别为逆变i参考电压角频率和幅值的设置值。
优选的，所述电压控制器采用电压外环和电流内环的结构。
优选的，信息共享单元采用广播的方式发送共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom和逆变器台数N。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过信息共享单元根据有用功率Pi和无功功率Qi，计算共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom，实现各逆变器的功率信息共享，能够提高并联系统的功率均分精度。
2、本发明采用改进的R型下垂方程，因此能够采用较大的下垂系数改善动态响应性能，同时大大减小下垂机制引入的电压幅值和频率偏移。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明实施例的控制流程图；
图2是单相逆变器电压控制原理图；
图3是基于功率交互的并联逆变器控制框图；
图4是传统下垂控制下输出有功和无功功率波形图；
图5是传统下垂控制下角频率和电压幅值设置值示意图；
图6是改进下垂控制下输出有功和无功功率波形图；
图7是改进下垂控制下角频率和电压幅值设置值示意图。
具体实施方式
实施例，如图1是本发明实施例的控制流程图，一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，具体包括：
一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，包括：
采集逆变器i输出电压和输出电流，i为1,2,3,…,N，N为逆变器的台数，N>1；
功率计算模块计算逆变器i的有功功率Pi和无功功率Qi；
将有用功率Pi和无功功率Qi发送到信息共享单元；
信息共享单元根据有用功率Pi和无功功率Qi，计算共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom和逆变器台数N；并发送至下垂控制模块；
下垂控制模块根据改进的R型下垂方程，生成逆变器i的参考电压的幅度Vi和角频率ωi，进而得到逆变器i的参考电压vrefi，输入电压控制器；
通过电压控制器生成逆变器i开关器件的门级触发信号，控制逆变器i开关管的通断。
优选的，所述根据信息共享单元根据有用功率Pi和无功功率Qi，计算共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom，具体为：
Figure BDA0002547664400000041
Figure BDA0002547664400000042
其中，Pcom、Qcom是各并联逆变器共享的功率信息，Pi、Qi是逆变器i输出的有功和无
其中功功率，N为并联系统中的逆变器总台数。
优选的，所述下垂控制模块根据改进的R型下垂方程，生成逆变器i的参考电压的幅度Vi和角频率ωi，具体为：
Figure BDA0002547664400000043
其中，kpω、kqv分别为电压和角频率下垂系数；ω0为额定电压角频率，V0为额定电压幅值；m、n为参与系数；ωi和Vi分别为逆变i参考电压角频率和幅值的设置值。
优选的，所述电压控制器采用电压外环和电流内环的结构。
优选的，信息共享单元采用广播的方式发送共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom和逆变器台数N。
所述电压控制器包括电压外环和电流内环，采用PI调节器，具体为：
Figure BDA0002547664400000044
Figure BDA0002547664400000045
其中，kvp、kip为PI调节器的比例系数，kvi、kii为积分系数。
优选的，信息共享单元采用广播的方式发送共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom和逆变器台数N。
如图2所示，是单相逆变器电压控制原理图；独立逆变器i采用全桥拓扑结构，L和C为输出滤波电感和电容，r为等效串联电阻，R为负载，voi为输出电容电压，ILi为电感电流，vrefi为下垂机制给出的参考电压，Gvc(s)和Gic(s)分别为电压环和电流环的调节器，在本实施例中均采用PI控制器。并联逆变器采用典型的电容电压外环和电感电流内环双闭环控制，生成逆变器开关器件的PWM驱动信号，控制逆变模块主电路的运行。
如图3是基于功率交互的并联逆变器控制框图。各并联逆变器计算输出的有功和无功功率并发送至信息共享单元。信息共享单元计算出共享有功、无功信息和并联逆变器总台数，通过广播的方式发送给各并联逆变器。各并联逆变器根据改进下垂方程计算参考电压的幅值和角频率，进而生成参考电压输入电压控制器，生成开关管的驱动信号。
下面是具体的仿真实例：
表1仿真参数
Figure BDA0002547664400000051
在PLECS仿真环境中搭建三台逆变器组成的并联系统模型，逆变器1先运行，在0.3s逆变器2、3接入并联系统，共同承担负载。分别采取传统下垂控制和所提改进下垂控制，进行性能对比。由于传统下垂控制的下垂系数收到电压幅值和频率偏离程度的限制，下垂系数的取值比改进下垂控制更小。
传统阻性下垂控制下，下垂方程中参与系数m和n的值分别为1和0，即下垂控制方程为：
Figure BDA0002547664400000061
三台逆变器输出的有功和无功功率波形如图4所示，下垂方程给出的参考电压幅值和角频率分别如图5所示。可以看出稳态时三台逆变器的功率均分存在一定的误差，功率均分的动态调节较慢，而且参考电压幅值和角频率设置值偏离额定值较多。
采取改进阻性下垂控制，各逆变器采集功率信息传递到信息共享单元，由其计算平均功率和台数信息并反馈到各逆变器中，再通过改进下垂控制优化功率均分效果，其中改进下垂方程中参与系数m和n的值设置为0.5，改进阻性下垂控制方程为：
Figure BDA0002547664400000062
三台逆变器输出的有功和无功功率波形如图6所示，下垂方程给出的参考电压幅值和角频率分别如图7所示。可以看出稳态时并联系统输出功率的均分精度和动态调节性能得到提升，而且参考电压幅值和角频率设置值与额定值的偏差很小。
上述实施例仅用来进一步说明本发明，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，其特征在于，包括：
采集逆变器i输出电压和输出电流，i为1,2,3,…,N，N为逆变器的台数，N>1；
功率计算模块计算逆变器i的有功功率Pi和无功功率Qi；
将有用功率Pi和无功功率Qi发送到信息共享单元；
信息共享单元根据有用功率Pi和无功功率Qi，计算共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom和逆变器台数N；并发送至下垂控制模块；
下垂控制模块根据改进的R型下垂方程，生成逆变器i的参考电压的幅度Vi和角频率ωi，进而得到逆变器i的参考电压vrefi，输入电压控制器；
通过电压控制器生成逆变器i开关器件的门级触发信号，控制逆变器i开关管的通断。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述根据信息共享单元根据有用功率Pi和无功功率Qi，计算共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom，具体为：
Figure FDA0002547664390000011
Figure FDA0002547664390000012
其中，Pcom、Qcom是各并联逆变器共享的功率信息，Pi、Qi是逆变器i输出的有功其和中无功功率，N为并联系统中的逆变器总台数。
3.根据权利要求1所述的一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述下垂控制模块根据改进的R型下垂方程，生成逆变器i的参考电压的幅度Vi和角频率ωi，具体为：
Figure FDA0002547664390000013
其中，kpω、kqv分别为电压和角频率下垂系数；ω0为额定电压角频率，V0为额定电压幅值；m、n为参与系数；ωi和Vi分别为逆变i参考电压角频率和幅值的设置值。
4.根据权利要求1所述的一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，其特征在于，所述电压控制器采用电压外环和电流内环的结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于功率交互的并联逆变器下垂控制方法，其特征在于，信息共享单元采用广播的方式发送共享有功功率Pcom、共享无功功率Qcom和逆变器台数N。
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