CN112366967A - 一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法 - Google Patents

一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，包括：利用前馈策略消除逆变器的固有阻抗；测量逆变器的视在功率，得到虚拟阻抗变化方向及均分视在功率，利用简单的通讯线路比较视在功率；根据比较结果对逆变器的虚拟阻抗进行实时的、双向的调整，基于辅助参数判断视在功率差值是否收敛；若不收敛，则减小阻抗功率下垂速率；若收敛，当视在功率差值收敛在规定值以外时，继续执行上述步骤，当视在功率差值收敛在规定值以内时，则停止虚拟阻抗的变化，实现功率控制。本发明消除了逆变器固有阻抗的影响，实现虚拟阻抗的自适应调节，且不需要高带宽的通信线，能有效提高逆变器并联时的负载均分能力，并具有较好的动态性能。

Description

一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法
技术领域
本发明涉及并联逆变器功率分布控制方法的技术领域，尤其涉及一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法。
背景技术
近年来，为解决能源和环境问题，可再生能源和分布式发电飞速发展。并联往往是微电网扩容的主要途径，而传统基于主从通讯控制方法是基于主从通信的控制方法，需要中央控制器通过通信线路向逆变器单元发送控制命令，该方法过于依赖通信手段，通信线路的故障或扰动可能会导致控制不精确甚至系统失稳，传统基于逆变器下垂特性的控制方法，虽然不需要通信，但仍存在诸如电压和频率偏差以及功率分配不均等问题。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：传统下垂控制逆变器并联时，因为线路阻抗差异导致负载功率分配不均。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：利用前馈策略消除逆变器的固有阻抗；测量所述逆变器的视在功率，得到虚拟阻抗变化方向及均分所述视在功率，利用简单的通讯线路比较所述视在功率；根据所述比较结果对所述逆变器的虚拟阻抗进行实时的、双向的调整，基于辅助参数判断视在功率差值是否收敛；若不收敛，则说明系统震荡失稳，需减小阻抗功率下垂速率；若收敛，当视在功率差值收敛在规定值以外时，继续执行上述步骤，当视在功率差值收敛在规定值以内时，则停止虚拟阻抗的变化，实现功率控制。
作为本发明所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的一种优选方案，其中：所述逆变器输出电压包括，
Figure BDA0002805074700000011
其中，L表示电感感值，C表示电容容值，GPR(s)表示电压外环传函，KI表示电流内环比例系数，io表示输出电流，rL表示电感寄生电阻，Vref表示电压基准值。
作为本发明所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的一种优选方案，其中：利用并联逆变器模型推导出单台逆变器向负载或者公共母线注入的功率，包括，
Figure BDA0002805074700000021
其中，Si表示对应逆变器视在功率，Pi+jQi表示对应逆变器有功无功，
Figure BDA0002805074700000025
表示逆变器等效电势，VPCC表示公共点电压，相位定义0，Zi表示等效阻抗，包括线路阻抗和逆变器固有阻抗，θi表示逆变器等效输出阻抗相位角。
作为本发明所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的一种优选方案，其中：所述功率进一步包括，
Figure BDA0002805074700000022
作为本发明所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的一种优选方案，其中：所述阻抗功率下垂方程包括，
(zv+zL)new＝(zv+zL)-b×S
其中，b表示下垂系数，S表示逆变器注入的视在功率，zv表示虚拟阻抗，zL表示线路阻抗。
作为本发明所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的一种优选方案，其中：所述阻抗下垂方程进一步包括，
Figure BDA0002805074700000023
Figure BDA0002805074700000024
其中，ΔZmin表示逆变器之间最小阻抗差。
作为本发明所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的一种优选方案，其中：所述下垂系数包括，
b＝k1·ΔZmax/S
其中，k1表示比例系数，ΔZmax表示与允许线路阻抗差异的最大值。
作为本发明所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的一种优选方案，其中：所述逆变器之间最小阻抗差包括，
ΔZmin＝k2·bS
其中，k2表示比例系数。
本发明的有益效果：本发明方法消除了逆变器固有阻抗的影响，实现虚拟阻抗的自适应调节，且不需要高带宽的通信线，就能有效提高逆变器并联时的负载均分能力，并且具有较好的动态性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的基本流程示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的电压电流双环控制框图；
图3为本发明一个实施例提供的一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的固有阻抗Bode图；
图4为本发明一个实施例提供的一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的并联逆变器模型；
图5为本发明一个实施例提供的一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的k不同取值下的视在功率差异曲线；
图6为本发明一个实施例提供的一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的阻抗功率下垂策略控制原理图；
图7为本发明一个实施例提供的一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的输出电流及环流实验对比波形图；
图8为本发明一个实施例提供的一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法的环流实仿真波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～6，为本发明的一个实施例，提供了一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，包括：
S1：利用前馈策略消除逆变器的固有阻抗；
需要说明的是：逆变器输出电压包括，
Figure BDA0002805074700000051
其中，L表示电感感值，C表示电容容值，GPR(s)表示电压外环传函，KI表示电流内环比例系数，io表示输出电流，rL表示电感寄生电阻，Vref表示电压基准值。
进一步的，利用并联逆变器模型推导出单台逆变器向负载或者公共母线注入的功率，包括，
Figure BDA0002805074700000052
其中，Si表示对应逆变器视在功率，Pi+jQi表示对应逆变器有功无功，
Figure BDA0002805074700000057
表示逆变器等效电势，VPCC表示公共点电压，相位定义0，Zi表示等效阻抗，包括线路阻抗和逆变器固有阻抗，θi表示逆变器等效输出阻抗相位角。
功率进一步包括，
Figure BDA0002805074700000053
更进一步的，阻抗功率下垂方程包括，
(zv+zL)new＝(zv+zL)-b×S
其中，b表示下垂系数，S表示逆变器注入的视在功率，zv表示虚拟阻抗，zL表示线路阻抗。
阻抗下垂方程进一步包括，
Figure BDA0002805074700000054
Figure BDA0002805074700000055
其中，ΔZmin表示逆变器之间最小阻抗差。
具体的，为使单台逆变器有较小的稳态误差和良好的瞬态响应，在电压控制上采用了并行的准PR(比例谐振)控制器，电流内环采用比例控制器来抑制系统扰动，可由图2得逆变器输出电压为：
Figure BDA0002805074700000056
其可以写成如下形式：
Vo＝Gv(s)Vref-ZINV(s)io
其中，ZINV(s)表示逆变器的固有阻抗，Gv(s)表示电压增益，Gv(s)和ZINV(s)表示为：
Figure BDA0002805074700000061
Figure BDA0002805074700000062
由图3固有阻抗Bode图可以看出，在使用双环控制策略后，对应的谐波阻抗幅值都被抑制在了一个较小的范围，但是仍有很多频段的阻抗无法忽略，且阻抗性质不易确定，会对之后的功率环控制造成影响。
从控制的角度来看，适当的前馈技术可以消除干扰；因此，通过使用输出电流的前馈项来抑制逆变器的固有阻抗，如图2(虚线部分)所示。根据前馈信号的作用点，将输出电流乘以正向路径增益的倒数，即GL(s)-1；如下式所示：
Figure BDA0002805074700000063
由于其最后两项相同，因此输出的效果电流被消除；因此，输出电压只与电压增益Gv(s)相关，从而消除了逆变器固有阻抗的影响；但是由于实际上电路参数和器件会有偏差，前馈增益GL(s)-1是一个参考上的值，并不会完全消除固有阻抗的影响。
S2：测量逆变器的视在功率，得到虚拟阻抗变化方向及均分视在功率，利用简单的通讯线路比较视在功率；
需要说明的是：下垂系数包括，
b＝k1·ΔZmax/S
其中，k1表示比例系数，ΔZmax表示与允许线路阻抗差异的最大值。
进一步的，逆变器之间最小阻抗差包括，
ΔZmin＝k2·bS
其中，k2表示比例系数。
具体的，在利用前馈技术消除了逆变器的固有阻抗后，功率均分效果只能受线路阻抗的影响；通过测量各个逆变器输出的视在功率(不需要使用高带宽的通信线路和中央控制器)就可以决定虚拟阻抗变化方向，从而达到功率均分的目的。
从单台逆变器向负载或者公共母线注入的功率公式可以看出，每逆变器的注入功率与其串联的等效阻抗成反比关系；并联过程中，当需要降低某一台逆变器的视在功率，可以增加其对应的线路阻抗，反之亦然；因此，可以得到一个视在功率和线路阻抗之间的下垂关系，这里将它称为阻抗功率下垂,在使用合适的电流前馈项消除逆变器固有阻抗的影响后，得到阻抗功率下垂公式，其相对于频率电压下垂方程不同的是，频率电压下垂参考电压的频率和幅值恒定不变，但在阻抗功率下垂的计算中，每个控制周期，虚拟阻抗的参考值zv是不断变化的，存在一个积分的过程，因此理论上可以达到对视在功率无静差的控制。同样，积分的过程可能会导致虚拟阻抗过大，导致输出电压质量有巨大降落，且在实际电路中，逆变器输出的视在功率差异并不可能完全稳定在零，则对阻抗下垂方程做出如下处理：
Figure BDA0002805074700000071
Figure BDA0002805074700000072
其中，ΔZmin表示逆变器之间最小阻抗差。
由处理后的阻抗功率下垂公式可知，该控制策略使虚拟阻抗双向变化，相对于单向增加虚拟阻抗的做法，其对输出电压质量的影响更小，且ΔZmin的存在对逆变器的视在功率差做了限幅，就系统而言更加稳定，故整体系统控制策略如图6。
进一步的，阻抗下垂系数b的取值决定了虚拟阻抗的变化速率，其与线路阻抗差异的最大值相关，为尽可能的达到功率均分，虚拟阻抗额定的最大变化量应该与线路阻抗差异的最大值相似，根据上述公式，即本发明所提出的阻抗下垂控制直接影响到了逆变器之间视在功率，因此有：
b＝k1·ΔZmax/S
其中，k1表示比例系数，ΔZmax表示与允许线路阻抗差异的最大值。
根据处理后的阻抗功率下垂公式，ΔZmin的取值与逆变器的额定视在功率和下垂系数直接相关，因此有：
ΔZmin＝k2·bS
其中，k2表示比例系数。
分析比例系数k1，k2在不同取值时逆变器输出视在功率的对比(对应参数会在仿真部分指出)；如图5(a)所示，可以看出过小的k1会减弱调节器的作用，使视在功率无法在短时间内达到均分，而当k1的取值过大时，虽然再功率调节速度上有很大的提升，但是会伴有一定幅度的震荡，不仅影响了功率均分的效果，甚至有可能破坏系统的稳定性；因此，k1的取值应根据逆变器最大阻抗差异和实际需要的功率均分速度综合决定，k2取值过大会导致控制器允许的功率差值变大，从而使稳态后存在较大的静差，如图5(b)所示，k2很小时对系统控制并无明显影响，进而可以得知跟随调节器性能的k1、k2的取值。
S3：根据比较结果对逆变器的虚拟阻抗进行实时的、双向的调整，基于辅助参数判断视在功率差值是否收敛；
若不收敛，则需减小阻抗功率下垂速率；
若收敛，当视在功率差值收敛在规定值以外时，继续执行上述步骤，当视在功率差值收敛在规定值以内时，则停止虚拟阻抗的变化，实现功率控制。
实施例2
参照图7～8，为本发明第二个实施例，为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例以传统的虚拟阻抗控制器与本发明方法进行对比，以验证本方法所具有的真实效果。
实验条件：在Simulink上搭建仿真平台，将两台单相逆变器共同接到一段交流母线上，线路一等效电感为1000uH，等效电阻为0.04Ω；线路二等效电感为2000uH，等效电阻为0.08Ω，负载有功负载功率40W，无功负载功率25Var，0.5s时加入虚拟阻抗下垂控制，在2s时刻并入40W+25Var负载，3s时刻将该负载切除，仿真波形图8所示。
根据图7可知，在使用传统下垂控制时，系统存在明显环流，在加入虚拟阻抗下垂控制后，经过大约0.5s的过渡过程，环流迅速减小且在过度过程中无明显超调；在之后的负载突增或突减时，环流在经历了极短时间后也趋于稳定，证明了该算法较好的动态性能和抗干扰能力。
搭建两台50W小功率单相H桥逆变器实验平台，控制和采样系统使用DSP28069控制芯片完成，通信采用芯片内部SCI通信，实验参数与仿真相似，图7(a)、(b)分别为采用传统虚拟阻抗控制器与本文阻抗功率下垂控制器各逆变器输出电流及环流波形；实验结果说明相较于传统虚拟阻抗控制器，在使用了阻抗功率下垂控制器后，环流波动明显减小，说明功率分配效果得到改善，验证了本文所提出控制算法的有效性。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，其特性在于，包括：
利用前馈策略消除逆变器的固有阻抗；
测量所述逆变器的视在功率，得到虚拟阻抗变化方向及均分所述视在功率，利用简单的通讯线路比较所述视在功率；
根据所述比较结果对所述逆变器的虚拟阻抗进行实时的、双向的调整，基于辅助参数判断视在功率差值是否收敛；
若不收敛，则需减小阻抗功率下垂速率；
若收敛，当所述视在功率差值收敛在规定值以外时，继续执行上述步骤，当所述视在功率差值收敛在规定值以内时，则停止虚拟阻抗的变化，实现功率控制。
2.如权利要求1所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，其特征在于：所述逆变器输出电压包括，
Figure FDA0002805074690000011
其中，L表示电感感值，C表示电容容值，GPR(s)表示电压外环传函，KI表示电流内环比例系数，io表示输出电流，rL表示电感寄生电阻，Vref表示电压基准值，s表示复频域运算的算子。
3.如权利要求1或2所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，其特征在于：利用并联逆变器模型推导出单台逆变器向负载或者公共母线注入的功率，包括，
Figure FDA0002805074690000012
其中，Si表示对应逆变器视在功率，Pi+jQi表示对应逆变器有功无功，
Figure FDA0002805074690000013
表示逆变器等效电势，VPCC表示公共点电压，相位定义0，Zi表示等效阻抗，包括线路阻抗和逆变器固有阻抗，θi表示逆变器等效输出阻抗相位角。
4.如权利要求3所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，其特征在于：所述功率进一步包括，
Figure FDA0002805074690000014
5.如权利要求1所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，其特征在于：所述阻抗功率下垂方程包括，
(zv+zL)new＝(zv+zL)-b×S
其中，b表示下垂系数，S表示逆变器注入的视在功率，zv表示虚拟阻抗，zL表示线路阻抗。
6.如权利要求5所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，其特征在于：所述阻抗下垂方程进一步包括，
Figure FDA0002805074690000021
Figure FDA0002805074690000022
其中，ΔZmin表示逆变器之间最小阻抗差。
7.如权利要求1、5、6任一项所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，其特征在于：所述下垂系数包括，
b＝k1·ΔZmax/S
其中，k1表示比例系数，ΔZmax表示与允许线路阻抗差异的最大值。
8.如权利要求7所述的基于双向阻抗功率下垂的并联逆变器功率控制方法，其特征在于：所述逆变器之间最小阻抗差包括，
ΔZmin＝k2·bS
其中，k2表示比例系数。
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