CN112688362A - 一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统及控制方法，属于低电压微电网中离/并网模式平滑切换研究领域。本发明包括并网预同步控制单元，微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压幅值和频率；自适应控制单元，所述系统电压幅值和频率与电压根据PI控制实现下垂系数进行自适应修正；虚拟阻抗单元，采样电流和虚拟电阻得到虚拟电压值，所述虚拟电压值与所述参考电压得到新的电压参考值；本发明实现解耦控制和无冲击平滑并网，解决并网模式切换离网模式出现电压、频率波动较大的问题，保证微电网系统能够稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于低电压微电网中离/并网模式平滑切换领域，特别是涉及一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统及控制方法。
背景技术
随着电网技术的快速发展，新能源发电技术在电网中的应用越来越高。当微电网离网运行时，需要满足用户对电能质量的要求，当微电网大规模接入电网时，要实现电网系统的安全稳定运行。因此，微电网控制技术被广大学者重视，已经成为国内外课题研究的重点。微电网具有离网运行和并网运行两种工作模式。在并网运行模式下，微电网与大电网通过公共连接点(PCC)连接，微电网系统中的电压与频率由大电网提供，当大电网出现故障时PCC断开，微电网系统进入离网运行工作模式；当大电网恢复正常供电，微电网系统再次通过PCC并入电网。由于在模式切换的过程中系统会产生巨大的冲击。因此，在离并网模式转换中实现平滑切换已经成系统安全稳定运行的关键。
当微网系统进入离网运行状态时，由于分布式电源容量和线路长度的影响，系统会产生环流，导致系统不能实现负荷无功功率均匀分配，还可能直接导致逆变器损坏。因此，抑制系统中环流有利于微电网安全稳定运行，通过添加虚拟阻抗来改变逆变器的等效输出阻抗的方式，能够解决功率耦合的问题，从而实现无功功率均匀分配的目标。但是添加虚拟阻抗可能会导致电压降落，无功功率分配的问题依旧存在。当微网系统进入并网运行状态时，一般采用PQ控制策略，保证微电网的稳定性，但是在模式切换的过程中容易产生巨大的冲击。为了减少微电网切换时的冲击，常见采用的方法是采用类似电机下垂特性曲线的方式控制。下垂控制具有即插即用的特点，可以在两种运行模式下切换。但是直接并网依旧会出现微网和大电网的电压相角、电压幅值同步速度缓慢的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统及控制方法，实现微电网无冲击并网以及离/并网模式平滑切换，保证微电网系统能够稳定运行。
本发明第一方面公开了一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，包括：
并网预同步控制单元，微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压幅值和频率；
自适应控制单元，所述系统电压幅值和频率与电压根据PI控制实现下垂系数进行自适应修正；
下垂控制单元，系统电压幅值和频率转化成有功功率和无功功率，结合修正后的下垂系数得到电压相位参考值和电压幅值参考值，经电压合成得到参考电压；
虚拟阻抗单元，采样电流和虚拟电阻得到虚拟电压值，所述虚拟电压值与所述参考电压得到新的电压参考值；
双闭环控制单元，根据所述新的电压参考值得到逆变器调制信号。
进一步的，所述并网预同步控制单元包括：
系统频率生成模块，微电网电压的相位和系统电网电压相位的差经过PI控制器得到系统频率；
系统电压幅值生成模块，微电网电压的幅值和系统电网电压幅值的差经PI控制器得到系统电压幅值。
更进一步的，所述并网预同步控制单元的控制方程为：
kpθ、kiθ为电压相位的比例积分系数；kpu、kiu为电压幅值的比例积分系数；θgrid、ugrid为电网电压的相位和幅值；θmicro-grid、umicro-grid为微网电压的相位和幅值。
进一步的，所述自适应控制单元包括：
无功-电压自适应下垂系数生成模块，所述系统电压幅值与系统电压额定幅值的差经PI控制器得到无功-电压自适应下垂系数；
有功-频率自适应下垂系数生成模块，所述系统频率与系统频率额定值的差经PI控制器得到有功-频率自适应下垂系数。
更进一步的，所述自适应控制单元的控制方程为：
k′q为无功-电压自适应下垂系数，k′p为有功-频率自适应下垂系数，U和f分别为系统压电幅值和对应的频率，Un和fn分别为系统电压幅值和频率的额定幅值。
进一步的，所述虚拟阻抗模块输出的虚拟电压值负反馈至参考电压后得到新的参考电压值。
进一步的，所述下垂控制单元包括：
功率计算模块，计算系统的有功功率和无功功率；
电压相位参考值生成模块，系统有功功率与系统有功功率额定值的差结合有功-频率自适应下垂系数得到电压相位的参考值；
电压幅值参考值生成模块，系统无功功率与系统无功功率额定值的差结合无功-电压自适应下垂系数得到电压幅值的参考值；
电压合成模块，电压相位的参考值和电压幅值的参考值合成参考电压。
本发明第二方面提供了一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制方法，用以控制本发明第一方面所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，包括如下步骤：
微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压和频率；
所述系统电压和频率与电压根据PI控制实现下垂系数进行自适应修正；
系统电压和频率转化成有功功率和无功功率，结合修正后的下垂系数得到电压相位参考值和电压幅值参考值，经电压合成得到参考电压；
采样电流和虚拟电阻得到虚拟电压值，所述虚拟电压值与所述参考电压得到新的电压参考值；
根据所述新的电压参考值得到逆变器调制信号。
进一步的，微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压和频率的步骤包括：
微电网电压的相位和系统电网电压相位的差经过PI控制器得到系统频率；
微电网电压的幅值和系统电网电压幅值的差经PI控制器得到系统电压幅值。
进一步的，所述下垂系数进行自适应修正的步骤包括：
所述系统电压幅值与系统电压额定幅值的差经PI控制器得到无功-电压自适应下垂系数；
所述系统频率与系统频率额定值的差经PI控制器得到有功-频率自适应下垂系数。
如上所述，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本申请通过下垂预同步控制器保证微电网输出电压的幅值、相位能够跟随系统电网电压幅值、相位，使用两者电压的幅值和相位都在一定允许的范围之内，能够在并网过程中减小电流冲击，实现平滑无冲击并网；
2、为了解决低压系统中功率耦合的问题，在控制系统中添加虚拟阻抗，保持逆变器并联系统工作在感性环境。通过合理调节虚拟阻抗的大小，使得逆变器等效输出阻抗远大于线路阻抗，减小线路阻抗对于输出功率的影响，实现低压系统结构控制；
3、本申请采用自适应下垂系数实现稳定系统电压和频率的波动，保证微电网系统能够稳定运行。
附图说明
图1为本发明具体实施例的整体结构框图；
图2为本发明具体实施例的电流电压双环控制图；
图3为本发明具体实施例的虚拟阻抗控制图；
图4为本发明具体实施例的并网下垂预同步控制器图；
图5为本发明具体实施例的改进下垂控制器结构图；
图6为本发明具体实施例中非计划传统模式切换实验结果图，图6a为逆变器输出电流波形，图6b为逆变器输出的电压波形；
图7为本发明具体实施例中改进下垂控制策略模式切换实验结果图，图7a为逆变器输出电流波形，图7b为逆变器输出的电压波形；
图8为下垂Q-U控制特性曲线图；
图9为本发明具体实施例的自适应控制单元的结构原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例的一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，如图1所示，包括：
并网预同步控制单元，微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压幅值和频率；；
如图4所示，本实施例的并网预同步控制单元包括：
系统频率生成模块，微电网电压的相位和系统电网电压相位的差经过PI控制器得到系统频率f；
系统电压幅值生成模块，微电网电压的幅值和系统电网电压幅值的差经PI控制器得到系统电压幅值U。
根据并网预同步控制单元的具体结构，得到并网预同步控制单元的控制方程为：
f为系统频率，U为系统电压幅值，kpθ、kiθ为电压相位的比例积分系数；kpu、kiu为电压幅值的比例积分系数；θgrid、ugrid为电网电压的相位和幅值；θmicro-grid、umicro-grid为微网电压的相位和幅值；Un为系统电压额定值，fn为系统频率额定值，Pn无功功率额定值，Qn有功功率额定值，kP为有功-频率比例控制器的系数，kq为无功-电压比例控制器的系数。
自适应控制单元，逆变器输出的电压和频率、电网的电压和频率通过PI控制器实现下垂系数进行自适应修正；
所述自适应控制单元包括：
无功-电压自适应下垂系数生成模块，所述系统电压幅值U与系统电压额定幅值Un的差经PI控制器得到无功-电压自适应下垂系数k′q；
有功-频率自适应下垂系数生成模块，所述系统频率f与系统频率额定值fn的差经PI控制器得到有功-频率自适应下垂系数k′p。
根据自适应控制单元的具体结构，得到相应的控制方程为：
k′p为有功-频率自适应下垂系数，k′q为无功-电压自适应下垂系数，U和f分别为系统压电幅值和对应的频率，Un和fn分别为系统电压和频率的额定值。
下垂控制单元，系统电压和频率转化成有功功率和无功功率，结合修正后的下垂系数得到电压相位参考值θ*和电压幅值参考值U*，经电压合成得到参考电压
如图5所示，下垂控制单元包括：
功率计算模块，根据逆变器输出的电压个电流计算系统的有功功率P和无功功率Q；
电压相位参考值生成模块，系统有功功率P与系统有功功率额定值Pn的差结合有功-频率自适应下垂系数k′p得到电压相位参考值θ*；
电压幅值参考值生成模块，系统无功功率Q与系统无功功率额定值Qn的差得到电压幅值变化量ΔU，系统电压U与公共连接点处电压UPCC做差，结合电压补偿值Ucmp和无功-电压自适应下垂系数k′q得到电压幅值的参考值U*。
当逆变器并联系统出现电压降落不同时，会造成输出无功功率不同，进而产生无功环流，因此，通过计算线路电压降落的纵分量Ucmp作为补偿电压，用于抵消线路的电压降落，从根本原因上解决无功环流的产生，所述补偿电压为：
式中：P、Q为逆变器输出功率；R、X为线路阻抗；U为逆变器输出电压；
为了解决在不同逆变器容量和不同线路阻抗的条件下，无法实现无功功率按照逆变器容量比分配的问题。本申请通过在下垂控制器中添加电压反馈环节和电压补偿环节，实现逆变器输出电压差额ΔU≈0的目标。
虚拟阻抗单元，采样电流和虚拟电阻得到虚拟电压值，所述虚拟电压值与所述参考电压得到新的电压参考值；结合图3所示，所述虚拟阻抗模块输出的虚拟电压值负反馈至参考电压后得到新的参考电压值。
双闭环控制单元，根据所述新的电压参考值得到逆变器调制信号，本实施例的双闭环控制单元的结构如图2所示。
本发明具体实施例的一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制方法，用以控制所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，包括如下步骤：
S1、预同步控制的步骤，微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压和频率，实现平滑无冲击并网；具体包括如下步骤：
S11、微电网电压的相位和系统电网电压相位的差经过PI控制器得到系统频率；
S12、微电网电压的幅值和系统电网电压幅值的差经PI控制器得到系统电压幅值。
本实施例中采集微电网输出电压的幅值相位和系统电网电压幅值和相位，保证前者能够跟随后者电网电压的幅值、相位，保证两者的幅值和相位差都在一定允许的范围之内，能够在并网的过程中减小电流冲击，实现平滑无冲击并网。
S2、下垂系数自适应控制的步骤，所述系统电压和频率与电压根据PI控制实现下垂系数进行自适应修正，具体包括如下步骤：
S21、所述系统电压幅值与系统电压额定幅值的差经PI控制器得到无功-电压自适应下垂系数；
S22、所述系统频率与系统频率额定值的差经PI控制器得到有功-频率自适应下垂系数。。
下垂系数自适应调节过程如图8所示，以Q-U下垂特性为例，并网时微电网稳定运行于A点，对应电压为U1，当微电网断开与电网的连接切换为孤岛模式时，微电网有可能内部出现的无功功率缺额，使逆变器工作点由A点转移至B点，此时对应电压为U2。通过下垂系数自适应控制使得下垂系数减小，下垂系数由k′q1变为k′q2，逆变器工作于C点，对应电压为U3，减小了电压的下降幅度，降低微电网由并网切换至孤岛过程中的波动。
S3、下垂控制的步骤，系统电压和频率转化成有功功率和无功功率，结合修正后的下垂系数得到电压相位参考值和电压幅值参考值，经电压合成得到参考电压；
具体包括如下步骤：
S31、计算系统的有功功率和无功功率；
S32、系统有功功率P与系统有功功率额定值Pn的差结合有功-频率自适应下垂系数k′p得到电压相位的参考值θ*；
S33、系统无功功率Q与系统无功功率额定值Qn的差结合无功-电压自适应下垂系数k′q得到电压幅值的参考值U*；
S34、电压相位的参考值θ*和电压幅值的参考值U*合成参考电压。
S4、采样电流和虚拟电阻得到虚拟电压值，所述虚拟电压值与所述参考电压得到新的电压参考值，本申请通过添加虚拟阻可以实现低压系统解耦控制；
如图3所示，本实施例的虚拟阻抗由系统的采样电流i0和虚拟电阻ZV相乘所组成。将得到的电压值采用负反馈的方式与下垂控制合成的参考电压
进行相加，生成新的电压参考值uref，为了使得低压微电网逆变器并联系统可以直接使用下垂控制，实现系统解耦控制。本文选择纯感性的虚拟阻抗ZV(s)＝sL。但是由于系统添加了虚拟阻抗，会导致产生一部分电压降落，虚拟阻抗的阻抗值越大，电压降落越大，因此，在保证系统等效阻抗呈感性的前提下，虚拟阻抗应该尽量小。
S5、双闭环控制的步骤，根据所述新的电压参考值得到逆变器调制信号。
新生成的电压参考值uref输出到如图2所示的电流电压双环控制环节中，最终将得到调制信号送到逆变器中进行控制。
本实施例采用自适应下垂系数可以实现稳定系统电压和频率的波动，保证微电网系统能够稳定运行。
为了验证本实施例可行性与正确性，搭建两台逆变器并联实验台。微电网系统在0-0.35s为离网运行模式；0.35s开始切换为并网运行模式；0.75s与电网断开，重新进入离网运行模式。图6为非计划传统模式切换实验结果图，图7为改进下垂控制策略模式切换实验结果图。
如图6所示，在0-0.35s时，微电网离网运行，电流电压波形稳定；0.35s时，微电网切换为并网运行模式，逆变器的输出电流由90A上升到180A，冲击电流过大。逆变器输出电压幅值由310V降落到200V。由于相位不同步的原因，电流电压波形畸变严重；0.75s时，微电网与电网断开，重新进入离网运行模式，逆变器输出电流由180A降落到60A。逆变器输出电压幅值不变。但由于相位未同步，逆变器输出电流电压波形畸变的问题始终存在。
如图7所示，在-0.35s时，微电网离网运行，电流电压波形稳定；0.35s时，微电网切换为并网运行模式，逆变器的输出电流由60A上升到90A，冲击电流相对较小。逆变器输出电压幅值保持310V未变化。由于采用并网预同步控制器，因此微电网与电网相位保持同且实验波形良好；0.75s断开连接，逆变器输出电流由90A下降到60A，逆变器输出电压保持不变。对比两种模式切换方法的波形图，验证了所提出控制策略的有效性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，其特征在于，包括：
并网预同步控制单元，微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压幅值和频率；
自适应控制单元，所述系统电压幅值和频率与电压根据PI控制实现下垂系数进行自适应修正；
下垂控制单元，系统电压幅值和频率转化成有功功率和无功功率，结合修正后的下垂系数得到电压相位参考值和电压幅值参考值，经电压合成得到参考电压；
虚拟阻抗单元，采样电流和虚拟电阻得到虚拟电压值，所述虚拟电压值与所述参考电压得到新的电压参考值；
双闭环控制单元，根据所述新的电压参考值得到逆变器调制信号。
2.根据权利要求1所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，其特征在于，所述并网预同步控制单元包括：
系统频率生成模块，微电网电压的相位和系统电网电压相位的差经过PI控制器得到系统频率；
系统电压幅值生成模块，微电网电压的幅值和系统电网电压幅值的差经PI控制器得到系统电压幅值。
3.根据权利要求2所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，其特征在于，所述并网预同步控制单元的控制方程为：
kpθ、kiθ为电压相位的比例积分系数；kpu、kiu为电压幅值的比例积分系数；θgrid、ugrid为电网电压的相位和幅值；θmicro-grid、umicro-grid为微网电压的相位和幅值。
4.根据权利要求1所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，其特征在于，所述自适应控制单元包括：
无功-电压自适应下垂系数生成模块，所述系统电压幅值与系统电压额定幅值的差经PI控制器得到无功-电压自适应下垂系数；
有功-频率自适应下垂系数生成模块，所述系统频率与系统频率额定值的差经PI控制器得到有功-频率自适应下垂系数。
5.根据权利要求4所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，其特征在于，所述自适应控制单元的控制方程为：
k′q为无功-电压自适应下垂系数，k′p为有功-频率自适应下垂系数，U和f分别为系统压电幅值和对应的频率，Un和fn分别为系统电压幅值和频率的额定幅值。
6.根据权利要求1所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，其特征在于，所述虚拟阻抗模块输出的虚拟电压值负反馈至参考电压后得到新的参考电压值。
7.根据权利要求1所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，其特征在于，所述下垂控制单元包括：
功率计算模块，计算系统的有功功率和无功功率；
电压相位参考值生成模块，系统有功功率与系统有功功率额定值的差结合有功-频率自适应下垂系数得到电压相位的参考值；
电压幅值参考值生成模块，系统无功功率与系统无功功率额定值的差结合无功-电压自适应下垂系数得到电压幅值的参考值；
电压合成模块，电压相位的参考值和电压幅值的参考值合成参考电压。
8.一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制方法，其特征在于，用以控制权利要求1-7任一权利要求所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制系统，包括如下步骤：
微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压和频率；
所述系统电压和频率与电压根据PI控制实现下垂系数进行自适应修正；
系统电压和频率转化成有功功率和无功功率，结合修正后的下垂系数得到电压相位参考值和电压幅值参考值，经电压合成得到参考电压；
采样电流和虚拟电阻得到虚拟电压值，所述虚拟电压值与所述参考电压得到新的电压参考值；
根据所述新的电压参考值得到逆变器调制信号。
9.根据权利要求8所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制方法，其特征在于，
微电网输出的电压幅值和相位、电网电压幅值和相位经PI控制得到系统电压和频率的步骤包括：
微电网电压的相位和系统电网电压相位的差经过PI控制器得到系统频率；
微电网电压的幅值和系统电网电压幅值的差经PI控制器得到系统电压幅值。
10.根据权利要求8所述一种基于改进下垂控制的逆变器并联控制方法，其特征在于，所述下垂系数进行自适应修正的步骤包括：
所述系统电压幅值与系统电压额定幅值的差经PI控制器得到无功-电压自适应下垂系数；
所述系统频率与系统频率额定值的差经PI控制器得到有功-频率自适应下垂系数。
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2020
- 2020-12-17 CN CN202011501803.7A patent/CN112688362A/zh active Pending
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