CN114336761B - 一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法，包括以下步骤：采集逆变器x的输出电压ux和输出电流ix；计算逆变器x的平均有功功率Px和平均无功功率Qx；对平均有功功率Px和平均无功功率Qx进行处理，得到输出电压参考值urefx；将输出电压参考值urefx与逆变器x的输出电压ux作差，并经过自适应QPR电压调节器处理得到输出电流参考值irefx；将输出电流参考值irefx与逆变器x的输出电流ix作差，并经过电流调节器处理得到调制信号；调制信号经过调制模块得到逆变器x的开关管驱动信号。与常规的QPR控制器相比，其可以实现QPR控制器中系数能够根据运行的频率fx进行自适应调整，可以为孤岛微电网公共交流母线提供更好的电压波形质量。
Description
技术领域
本发明属于微电网孤岛模式下分布式电源发电技术领域，具体涉及一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法。
背景技术
近年来，随着分布式电源的广泛普及，微电网成为电网发展的重要形式。微电网由于集成了可再生能源，降低发电成本，供电可靠性高，环保，即插即用等优点而得到广泛应用。为了保证系统持续稳定供电，特殊情况下需在孤岛运行模式下运行，通常采用下垂控制方法来实现。而微网负荷形式多样，有单相、三相以及包含整流设备的非线性单相和三相负载。在这样复杂负载形式下，基于下垂控制得到的工作频率随着负载功率的变化而发生变化，不再固定，同时也会导致微电网交流母线电压不平衡且畸变，影响电压质量、系统的稳定性以及设备的安全性，因此，解决电压质量问题是实现微电网可靠运行的关键。针对电压环控制方法，现有的方法是采用重复控制器、比例谐振(PR)控制器和准比例谐振(QPR)控制器，这些方法中谐振频率是固定不变的，而孤岛微电网中的运行频率因下垂控制的原因会随着负载功率的变化而发生变化，传统的电压控制器如PR和QPR不能保证系统在运行频率处有较高的电压开环传函增益，输出电压不能有效跟踪给定电压信号，进而影响电压质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法。与常规的QPR控制器相比，其可以实现QPR控制器中系数的自适应调整，可以使得逆变器输出更好的电压质量波形。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法，包括以下步骤：
步骤1：采集逆变器x的输出电压ux和输出电流ix，其中x为逆变器的编号，取值为[0，n]；
步骤2：根据平均功率计算方法计算得到逆变器x的平均有功功率Px和平均无功功率Qx；
步骤3：采用下垂控制器对平均有功功率Px和平均无功功率Qx进行处理，得到逆变器x的输出电压参考值urefx；
步骤4：将输出电压参考值urefx与逆变器x的输出电压ux作差，并经过电压调节器处理得到逆变器x的输出电流参考值irefx；
电压调节器采用自适应QPR控制器，其中频域下的自适应QPR控制器传递函数如式(1)，其中ωx：谐振角频率，ωx＝2πfx，是随着fx的变化而变化；Kr：控制器的谐振增益；Kp:控制器的比例系数；ωc：截止频率；s为频域下的变量，即s＝jω；GQPR(s)为QPR控制器的传递函数；
其离散后Z域下的的自适应QPR控制器传递函数如式(2)，其中Ts为开关周期；公式(2)中的各个系数b0、b1、b2、a1、a2因ωx的变化而发生变化；
其中，当前拍的分子系数；
前一拍的分子系数；
前两拍的分子系数；
前一拍的分母系数；
前一拍的分母系数；
步骤5：将输出电流参考值irefx与逆变器x的输出电流ix作差，并经过电流调节器处理得到调制信号；
步骤6：调制信号经过调制模块进行调制处理得到逆变器x的开关管驱动信号，逆变器x根据开关管驱动信号对逆变器x进行控制。
优选的，所述步骤2中平均功率计算采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法。
优选的，所述步骤3具体步骤为：
步骤3.1：下垂控制器分别根据平均有功功率Px求取逆变器x的输出电压参考值的频率fx；
和根据平均无功功率Qx求取逆变器x的输出电压参考值的幅值Umx；
其中，输出电压参考值的频率fx的求取方法为：
A，将逆变器x的平均有功功率Px与有功下垂系数KPx作乘，并用空载电压频率f*减去作乘后的结果KPx·Px；
B，将步骤A中得到的差值f*-KPx·Px，即为逆变器输出电压参考值的频率fx；
输出电压参考值的幅值Umx的求取方法为：
A，将逆变器x的平均无功功率Qx与有功下垂系数Kqx作乘，并用空载电压幅值U*减去作乘后的结果Kqx·Qx；
B，将步骤A中得到的差值U*-Kqx·Qx，即为逆变器输出电压参考值的幅值Umx；
步骤3.2，根据输出电压参考值的频率fx，再根据ωx＝2πfx得到输出电压参考值的角频率ωx，然后与输出电压参考值的幅值Umx得到逆变器x的输出电压参考值urefx；
优选的，所述步骤4自适应QPR控制器具体按照以下步骤实施：
步骤4.1；在下垂控制器输出频率为fx＝49.5～50.5Hz的范围内，通过仿真软件每隔0.01Hz进行调整，根据公式(2)和给定的Kp、Kr、ωc，求取自适应QPR控制器中的参数b0、b1、b2、a1、a2，并存储在表格1中；
表1存储各个频率下的自适应QPR系数值
步骤4.2：由步骤3中得出的fx，进而求得ωx，最终实际自适应QPR程序中的参数b0、b1、b2、a1、a2则通过查询表1得出，即可获得各个频率下的自适应QPR控制器。
优选的，所述步骤5中，电流调节器采用无差拍调节器、预测电流调节器或比例调节器。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明针对孤岛微电网中因负载变化引起的工作频率变化时，提供电压型逆变器中电压环QPR控制器系数自适应调整的方法。与常规的QPR控制器相比，其可以实现QPR控制器中系数的自适应调整。当负载功率发生变化时，通过QPR控制器参数自适应调制，保证系统在运行频率处有较高的电压开环传函增益，输出电压能有效跟踪给定电压信号，可以为孤岛微电网公共交流母线提供更好的电压波形质量，保证本地负载设备安全运行。
附图说明
图1是本发明所依赖的孤岛微电网中多台逆变器并联的电路结构示意图；
图2是本发明中各台单相电压源型逆变器控制的原理框图；
图3是本发明中下垂控制的原理框图；
图4是本发明的方法中QPR控制器系数自适应调整方法的流程示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：所依赖的多台逆变器并联电路结构，如图1所示，包括多个分布式电源，多个分布式电源经过逆变器、滤波器以及传输线路后并入公共交流母线，然后从公共交流母线向负载供电，负载可以是感性、容性、阻性或非线性；
如图2、图3和图4所示，包括以下步骤：
步骤1：采集逆变器x的的输出电压ux和输出电流ix，其中x为逆变器的编号，取值为[0，n]；
步骤2，根据平均功率计算方法计算得到逆变器x的平均有功功率Px和平均无功功率Qx；
其中，平均功率计算采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法；
步骤3，采用下垂控制器对平均有功功率Px和平均无功功率Qx进行处理，得到逆变器x的输出电压参考值urefx；
步骤3具体为：
步骤3.1:下垂控制器分别根据平均有功功率Px求取逆变器x的输出电压参考值的频率fx；
和根据平均无功功率Qx求取逆变器x的输出电压参考值的幅值Umx；
其中，输出电压参考值的频率fx的求取方法为：
A:将逆变器x的平均有功功率Px与有功下垂系数KPx作乘，并用空载电压频率f*减去作乘后的结果KPx·Px；
B:将步骤A中得到的差值f*-KPx·Px，即为逆变器输出电压参考值的频率fx；
输出电压参考值的幅值Umx的求取方法为：
A，将逆变器x的平均无功功率Qx与有功下垂系数Kqx作乘，并用空载电压幅值U*减去作乘后的结果Kqx·Qx；
B，将步骤A中得到的差值U*-Kqx·Qx，即为逆变器输出电压参考值的幅值Umx；
步骤3.2：根据输出电压参考值的频率fx，再根据ωx＝2πfx得到输出电压参考值得角频率ωx，然后与输出电压参考值的幅值Umx得到逆变器x的输出电压参考值urefx；
步骤4，将输出电压参考值urefx与逆变器x的输出电压ux作差，并经过电压调节器处理得到逆变器x的输出电流参考值irefx；
其中，电压调节器采用自适应QPR控制器，其中自适应QPR控制器频域下的传递函数如式(1)，其中ωx：谐振角频率，ωx＝2πfx，是随着fx的变化而变化；Kr：控制器的谐振增益；Kp:控制器的比例系数；ωc：截止频率；s为频域下的变量，即s＝jω；GQPR(s)为QPR控制器的传函。
其离散后Z域下的自适应QPR控制器传递函数如式(2)，其中Ts为开关周期；公式(2)中的各个系数b0、b1、b2、a1、a2因ωx的变化而发生变化，这个和常规的QPR是不同的。
其中，当前拍的分子系数；
前一拍的分子系数；
前两拍的分子系数；
前一拍的分母系数；
前两拍的分母系数；
步骤4中自适应QPR控制器具体按照以下步骤实施：
步骤4.1：在下垂控制器输出频率为fx＝49.5～50.5Hz的范围内，通过MATLAB仿真软件每隔0.01Hz进行调整，根据公式(2)和给定的Kp、Kr、ωc，可以求取自适应QPR控制器中的参数b0、b1、b2、a1、a2，并存储在表格1中；
表1存储各个频率下的自适应QPR系数值
步骤4.2：由步骤3中得出的fx，进而求得ωx，最终实际自适应QPR程序中的参数b0、b1、b2、a1、a2则通过查询表1得出，即可获得各个频率下的自适应QPR控制器。
步骤5，将输出电流参考值irefx与逆变器x的输出电流ix作差，并经过电流调节器处理得到调制信号；
其中，电流调节器可以采用无差拍调节器、预测电流调节器或比例调节器；
步骤6，调制信号经过调制模块进行调制处理得到逆变器x的开关管驱动信号，逆变器x的下垂控制器根据开关管驱动信号对逆变器x进行控制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集逆变器x的输出电压ux和输出电流ix，其中x为逆变器的编号，取值为[0，n]；
步骤2：根据平均功率计算方法计算得到逆变器x的平均有功功率Px和平均无功功率Qx；
步骤3：采用下垂控制器对平均有功功率Px和平均无功功率Qx进行处理，得到逆变器x的输出电压参考值urefx；
步骤4：将输出电压参考值urefx与逆变器x的输出电压ux作差，并经过电压调节器处理得到逆变器x的输出电流参考值irefx；
电压调节器采用自适应QPR控制器，其中频域下的自适应QPR控制器传递函数如式(1)，其中ωx：谐振角频率，ωx＝2πfx，是随着fx的变化而变化；Kr：控制器的谐振增益；Kp:控制器的比例系数；ωc：截止频率；s为频域下的变量，即s＝jω；GQPR(s)为QPR控制器的传递函数；
其离散后Z域下的自适应QPR控制器传递函数如式(2)，其中Ts为开关周期；公式(2)中的各个系数b0、b1、b2、a1、a2因ωx的变化而发生变化；
其中，当前拍的分子系数；
前一拍的分子系数；
前两拍的分子系数；
前一拍的分母系数；
前一拍的分母系数；
步骤5：将输出电流参考值irefx与逆变器x的输出电流ix作差，并经过电流调节器处理得到调制信号；
步骤6：调制信号经过调制模块进行调制处理得到逆变器x的开关管驱动信号，逆变器x根据开关管驱动信号对逆变器x进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法，其特征在于，所述步骤2中平均功率计算采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法。
3.根据权利要求1所述的一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法，其特征在于，所述步骤3具体步骤为：
步骤3.1：下垂控制器分别根据平均有功功率Px求取逆变器x的输出电压参考值的频率fx；
和根据平均无功功率Qx求取逆变器x的输出电压参考值的幅值Umx；
其中，输出电压参考值的频率fx的求取方法为：
A，将逆变器x的平均有功功率Px与有功下垂系数KPx作乘，并用空载电压频率f*减去作乘后的结果KPx·Px；
B，将步骤A中得到的差值f*-KPx·Px，即为逆变器输出电压参考值的频率fx；
输出电压参考值的幅值Umx的求取方法为：
A，将逆变器x的平均无功功率Qx与有功下垂系数Kqx作乘，并用空载电压幅值U*减去作乘后的结果Kqx·Qx；
B，将步骤A中得到的差值U*-Kqx·Qx，即为逆变器输出电压参考值的幅值Umx；
步骤3.2，根据输出电压参考值的频率fx，再根据ωx＝2πfx得到输出电压参考值的角频率ωx，然后与输出电压参考值的幅值Umx得到逆变器x的输出电压参考值urefx。
4.根据权利要求1所述的一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法，其特征在于，所述步骤4自适应QPR控制器具体按照以下步骤实施：
步骤4.1；在下垂控制器输出频率为fx＝49.5～50.5Hz的范围内，通过仿真软件每隔0.01Hz进行调整，根据公式(2)和给定的Kp、Kr、ωc，求取自适应QPR控制器中的参数b0、b1、b2、a1、a2，并存储在表格1中；
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步骤4.2：由步骤3中得出的fx，进而求得ωx，最终实际自适应QPR程序中的参数b0、b1、b2、a1、a2则通过查询表1得出，即可获得各个频率下的自适应QPR控制器。
5.根据权利要求1所述的一种微电网中提高电压质量的逆变器电压控制器设计方法，其特征在于，所述步骤5中，电流调节器采用无差拍调节器、预测电流调节器或比例调节器。
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