CN114928115A - 一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法及系统 - Google Patents

一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法及系统 Download PDF

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CN114928115A CN202210593250.5A CN202210593250A CN114928115A CN 114928115 A CN114928115 A CN 114928115A CN 202210593250 A CN202210593250 A CN 202210593250A CN 114928115 A CN114928115 A CN 114928115A
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夏良云
卞秋香
孙波
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Abstract

本发明公开了一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，包括：步骤1：各逆变器获取自身直流母线电压，根据自身直流母线电压获取逆变器自身功率匹配状态，包括：逆变器功率不足、逆变器功率过剩、系统功率过剩、逆变器功率过度反灌、逆变器功率匹配；步骤2：各逆变器根据自身功率匹配状态调整输出电压的频率或幅值。本发明在微网中各并联光储逆变器输出功率能力不一致的情况下，自动降低功率不足逆变器的输出功率，控制整个系统处于功率平衡状态，延长系统稳定运行时长。

Description

一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法及系统
技术领域
本发明涉及逆变器功率控制技术领域，具体涉及一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法及系统。
背景技术
随着碳中和目标的提出与推进，光伏(PV)发电快速发展，同时光伏发电与储能深度融合、构成更优的光储发电系统，在一些场景需要多台光储逆变器输出侧并联组成微电网工作。一个含有多台并联光储逆变器的小型微电网示例如图1所示，PV电池板与蓄电池接入逆变器直流侧，逆变器交流输出侧并联在一起组成交流母线，负载接入到交流母线，通过控制交流母线与大电网之间开关的通断来实现并网或离网运行。
对于离网时多台并联逆变器的协调控制，为了系统控制简单、解耦，一般对每台逆变器采用下垂控制或VSG控制，VSG在稳态时也存在下垂特性；当逆变器输出电感＞＞输出电阻时，采用如下两个公式所示的下垂控制方法：
ω*＝ω0-m(P-P0)；
U*＝U0-n(Q-Q0)；
当逆变器输出电感<<输出电阻时，采用如下两个公式所示的下垂控制方法：
U*＝U0-m(P-P0)；
ω*＝ω0-n(Q-Q0)；
两种方法之间有功功率、无功功率与频率、电压的对应关系互换。
由于PV电池板容量、蓄电池容量的差异性，光照强度、蓄电池荷电状态(SOC)的随时波动性，每台光储逆变器输出功率能力并不一致而且在随时变化。传统下垂控制的下垂系数固定，每台逆变器输出功率一样，这样一方面限制了发电能力较强逆变器的输出功率，造成PV发电能力的浪费；另一方面可能使得发电能力较弱逆变器输出功率不足，进而影响并联系统运行稳定性。
目前存在一些方法解决离网时并联光储逆变器之间功率均衡问题，有的方法通过逆变器之间通信或采样信号来实现系统控制，有的方法通过开通备用电源来紧急补偿缺失功率，有的通过蓄电池SOC高低来调整下垂参数。现有方法均存在局限性，有的造成并联逆变器之间交互信息大量耦合，有的不能全面解决功率均衡问题，有的浪费了部分PV发电能力。
发明内容
本发明提供了一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法及系统，以解决现有技术中系统稳定运行能力、发电能力、解耦能力差，功率均衡控制不合理的问题。
本发明提供了一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，包括：
步骤1：各逆变器获取自身直流母线电压，根据自身直流母线电压获取逆变器自身功率匹配状态，包括：逆变器功率不足、逆变器功率过剩、系统功率过剩、逆变器功率过度反灌、逆变器功率匹配；
步骤2：各逆变器根据自身功率匹配状态调整输出电压的频率或幅值，包括：
当逆变器功率不足时，通过控制环对逆变器输出电压的频率或幅值进行降低；
当逆变器功率过剩时，通过控制环对逆变器输出电压的频率或幅值进行第一次提高；
当系统功率过剩时，通过控制环对PV输出功率进行降低，直至PV输出功率为零或直流母线电压实际值与直流母线电压PV限功率阈值趋近；
当逆变器功率过度反灌时，通过控制环在所述第一次提高的基础上对逆变器输出电压的频率或幅值进行第二次提高。
进一步地，根据母线电压获取逆变器自身功率匹配状态，具体方法为：
当
Figure BDA0003666512550000021
时，判断为逆变器功率不足；
当
Figure BDA0003666512550000022
时，判定为逆变器功率过剩；
当
Figure BDA0003666512550000023
时，判断为系统功率过剩；
当
Figure BDA0003666512550000024
时，判断为逆变器功率过度反灌；
当
Figure BDA0003666512550000025
时，判断为逆变器功率匹配。
其中，Ubus为直流母线电压实际值；
Figure BDA0003666512550000031
为直流母线电压参考值；
Figure BDA0003666512550000032
为直流母线电压下限阈值；
Figure BDA0003666512550000033
为直流母线电压上限阈值；
Figure BDA0003666512550000034
为直流母线电压PV限功率阈值；
Figure BDA0003666512550000035
为直流母线电压最高阈值；
Figure BDA0003666512550000036
满足
Figure BDA0003666512550000037
进一步地，所述步骤2中，控制环通过直接调整方式或调整下垂系数方式对逆变器输出电压的频率或幅值进行调整。
进一步地，所述步骤2中，当输出电感远远大于输出电阻时，控制环通过直接调整方式或调整下垂系数方式对逆变器输出电压的频率进行调整；
当输出电感远远小于输出电阻时，控制环通过直接调整方式或调整下垂系数方式对逆变器输出电压的幅值进行调整。
进一步地，所述直接调整方式的具体方法为：
在下垂控制系统的基础上增加三个直流母线电压控制环，将下垂控制系统输出的电压频率值或电压幅值与三个直流母线电压控制环输出的电压频率调节值或电压幅值调节值的差值，作为最终执行参数对逆变器输出电压的频率或幅值进行调整；
其中，增加的三个直流母线电压控制环将
Figure BDA0003666512550000038
分别作为直流母线电压的参考值输入进控制器，输出为电压频率调节值或电压幅值调节值，其中，电压下限环输出限幅是(0,max)，max为正值；电压上限环输出限幅是(min,0)，min为负值；电压最高环输出限幅是(minTop,0)，minTop为负值。
进一步地，所述调整下垂系数方式的具体方法为：
在下垂控制系统的基础上增加三个直流母线电压控制环，将下垂控制系统中的下垂系数与三个直流母线电压控制环输出的调整系数相乘，作为最终控制系数替换下垂控制系统中的下垂系数，对逆变器输出电压的频率或幅值进行调整；
其中，增加的三个直流母线电压控制环将
Figure BDA0003666512550000039
分别作为直流母线电压的参考值输入进控制器，输出为调整系数，其中，电压下限环输出限幅是(1,maxk)，maxk为大于1的正值；电压上限环输出限幅是(0,1)；电压最高环输出限幅是(0,1)。
进一步地，所述调整下垂系数方式的具体方法为：
在下垂控制系统的基础上增加三个直流母线电压控制环，将下垂控制系统中的下垂系数与三个直流母线电压控制环输出的调整系数相加，作为最终控制系数替换下垂控制系统中的下垂系数，对逆变器输出电压的频率或幅值进行调整；
其中，增加的三个直流母线电压控制环将
Figure BDA0003666512550000041
分别作为直流母线电压的参考值输入进控制器，输出为调整系数，其中，电压下限环输出限幅是(0,m)，m为有功功率下垂系数；电压上限环输出限幅是(-mup,0)，mup为正值；电压最高环输出限幅是(-mTop,0)，mTop为正值，且mUp+mTop<m。
进一步地，在PV电压控制环基础上增加一个直流母线电压控制环，将PV电压控制环的输出值与直流母线电压控制环的输出值较小的输出值作为最终控制值，对PV输出功率进行降低；
其中，增加的一个直流母线电压控制环将
Figure BDA0003666512550000042
作为直流母线电压的参考值输入进控制器，输出为PV输出电流参考值。
本发明还提供了一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制系统，可执行上述微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，包括：光储逆变器功率变换电路、电压电流采样电路、功率开关器件驱动电路、数字控制芯片；
所述光储逆变器功率变换电路包括：PV DC/DC电路、电池DC/DC电路、直流母线、DC/AC电路，用于进行PV、电池和输出端之间功率变换、传输；
所述电压电流采样电路与光储逆变器功率变换电路电性连接，用于获取逆变器输入、输出以及直流母线电压、电流；
所述数字控制芯片与所述电压电流采样电性连接，根据所述电压电流采样电路获取的逆变器输入、输出以及直流母线电压、电流执行所述微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法产生驱动信号；
所述功率开关器件驱动电路与所述数字控制芯片以及光储逆变器功率变换电路电性连接，所述功率开关器件驱动电路基于驱动信号驱动所述光储逆变器功率变换电路中的继电器和功率管工作。
本发明的有益效果：
本发明在微网中各并联光储逆变器输出功率能力不一致的情况下，自动降低功率不足逆变器的输出功率，控制整个系统处于功率平衡状态，延长系统稳定运行时长；
本发明把一台逆变器过剩的PV发电功率，转化为功率不足逆变器蓄电池的充电功率，充分发挥PV的发电能力；
本发明在PV总功率完全过剩的情况下，控制整个系统稳定运行，避免功率过度反灌、直流母线过压造成的系统崩溃。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为现有含有并联光储逆变器的小型微电网示例图；
图2为本发明具体实施例的流程示意图；
图3为本发明具体实施例中直流母线电压阈值示意图；
图4为本发明具体实施例中直接调整方式的控制环拓扑图；
图5为本发明具体实施例中通过乘法调整下垂系数的控制环拓扑图；
图6为本发明具体实施例中通过加法调整下垂系数的控制环拓扑图；
图7为本发明具体实施例中调整PV输出功率的控制拓扑图；
图8为本发明具体实施例中系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。
本发明实施例提供一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，
如图2所示，首先通过直流母线电压识别微网中各逆变器功率均衡状态：
离网时微网中每台逆变器对各自直流母线电压进行控制，一般通过控制蓄电池充放电电流来控制直流母线电压，直流母线电压参考值设为
Figure BDA0003666512550000061
实际值为Ubus，
Figure BDA0003666512550000062
随运行工况不同而进行调整。分别设定直流母线电压下限阈值
Figure BDA0003666512550000063
直流母线电压上限阈值
Figure BDA0003666512550000064
直流母线电压PV限功率阈值
Figure BDA0003666512550000065
直流母线电压最高阈值
Figure BDA0003666512550000066
并且
Figure BDA0003666512550000067
与
Figure BDA0003666512550000068
的差值绝对值一般选在10V--20V之间，如图3所示。
当
Figure BDA0003666512550000069
时则该台逆变器输出功率与所均分的负载功率达到平衡，即通过调节蓄电池充放电功率能够达到系统功率平衡状态；
当
Figure BDA00036665125500000610
时则判断出该台逆变器功率不足，即PV功率与蓄电池放电功率之和依然小于该台逆变器所均分的负载功率；
当
Figure BDA00036665125500000611
时则判断出该台逆变器功率过剩，即PV功率减去蓄电池充电功率所剩余功率依然大于该台逆变器所均分的负载功率；
当
Figure BDA00036665125500000612
时则判断出系统功率过剩，即微网中PV总发电功率减去蓄电池总充电功率所剩余功率依然大于总负载消耗功率；
当
Figure BDA00036665125500000613
时则判断出该台逆变器的直流母线电压被输出侧反灌功率充高，即从输出侧反灌进来的功率减去蓄电池充电功率依然有功率剩余。
其次，根据状态对微网中并联逆变器之间功率进行均衡控制：
a.当逆变器输出电感>>输出电阻时，通过调整输出电压频率来改变输出功率，进而达到系统功率平衡，具体的：
当
Figure BDA00036665125500000614
时，通过控制环把输出频率参考值调低，从而降低该逆变器输出功率，达到功率平衡；
当
Figure BDA00036665125500000615
时，通过控制环把输出频率参考值调高，从而提高该逆变器输出功率，达到功率平衡；
当
Figure BDA00036665125500000616
时，通过控制环把PV功率降低，直到PV功率降为零或Ubus维持在
Figure BDA00036665125500000617
附近，来对PV输出功率进行降低；
当
Figure BDA00036665125500000618
时，在当
Figure BDA00036665125500000619
时，通过控制环把输出频率参考值调高的基础上，通过控制环把输出频率参考值再次进行调高，从而降低对该台逆变器的反灌功率，达到功率平衡。
可以通过直接调整输出电压的频率参考值来提升或降低输出功率，控制方法如图4所示。在传统下垂控制基础上增加3个直流母线电压控制环，其参考值分别是
Figure BDA0003666512550000071
输出是频率参考值调节量
Figure BDA0003666512550000072
电压下限环输出限幅是(0,max)，max为正值，电压上限环输出限幅是(min,0)，min为负值，电压最高环输出限幅是(minTop,0)，minTop为负值，控制器一般选用比例积分(PI)，下垂计算频率ω*减去
Figure BDA0003666512550000073
得到最终执行频率
Figure BDA0003666512550000074
当该台逆变器输出功率不足时，Ubus下降到
Figure BDA0003666512550000075
附近，通过控制环把输出频率调低、降低输出功率，最终把Ubus稳定在
Figure BDA0003666512550000076
该台逆变器以最大功率能力输出，不足功率自动由其它逆变器补充；当该台逆变器输出功率过剩时，Ubus上升到
Figure BDA0003666512550000077
附近，通过控制环把输出频率调高、升高输出功率，最终把Ubus稳定在
Figure BDA0003666512550000078
该台逆变器以PV最大能力进行发电，多输出功率自动供给负载或向其它逆变器的电池充电；当该台逆变器经过
Figure BDA0003666512550000079
控制、PV功率限制环节，Ubus依然上升到
Figure BDA00036665125500000710
附近，通过控制环把输出频率再次调高、降低反灌功率，最终把Ubus稳定在
Figure BDA00036665125500000711
整个微网系统中蓄电池以最大充电功率进行充电，同时满足负载供电，再剩余的PV发电功率被限制，系统保持稳定运行。
也可以通过调整有功功率下垂系数m来调整输出电压的频率参考值，进而控制输出功率、达到功率平衡。通过直流母线电压控制环计算出调整系数km，然后用公式km*m或m+km计算出最终有功功率下垂系数mfinal，用mfinal代替m执行下垂控制。方法如图5、6所示，控制环输出限幅也在图中呈现。
b.当逆变器输出电感<<输出电阻时，通过调整输出电压幅值来控制输出功率，进而达到系统功率平衡。原理与上述调整输出频率的两种方法完全一样，只是把频率替换为电压幅值，此处不再赘述。
c.不管逆变器输出电感>>输出电阻或输出电感<<输出电阻，当
Figure BDA00036665125500000712
时通过控制环把PV功率降低，直到PV功率降为零或Ubus维持在
Figure BDA00036665125500000713
附近。通过控制PV DC/DC电流来控制直流母线电压，其电压参考值为
Figure BDA00036665125500000714
该控制环输出与PV电压控制环输出竞争取低值作为PV DC/DC电流参考值，控制方法如图7所示。
如图8所示，本实施例还提供一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制系统，可执行上述微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，包括：光储逆变器功率变换电路、电压电流采样电路、功率开关器件驱动电路、数字控制芯片；
光储逆变器功率变换电路包括：PV DC/DC电路、电池DC/DC电路、直流母线、DC/AC电路，用于进行PV、电池和输出端之间功率变换、传输；
电压电流采样电路与光储逆变器功率变换电路电性连接，用于获取逆变器输入、输出以及直流母线电压、电流；
数字控制芯片与电压电流采集电性连接，根据电压电流采样电路获取的逆变器输入、输出以及直流母线电压、电流执行微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法产生驱动信号；
功率开关器件驱动电路与数字控制芯片以及光储逆变器功率变换电路电性连接，功率开关器件驱动电路基于驱动信号驱动光储逆变器功率变换电路中的继电器和功率管工作。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：各逆变器获取自身直流母线电压，根据自身直流母线电压获取逆变器自身功率匹配状态，包括：逆变器功率不足、逆变器功率过剩、系统功率过剩、逆变器功率过度反灌、逆变器功率匹配；
步骤2：各逆变器根据自身功率匹配状态调整输出电压的频率或幅值，包括：
当逆变器功率不足时，通过控制环对逆变器输出电压的频率或幅值进行降低；
当逆变器功率过剩时，通过控制环对逆变器输出电压的频率或幅值进行第一次提高；
当系统功率过剩时，通过控制环对PV输出功率进行降低，直至PV输出功率为零或直流母线电压实际值与直流母线电压PV限功率阈值趋近；
当逆变器功率过度反灌时，通过控制环在所述第一次提高的基础上对逆变器输出电压的频率或幅值进行第二次提高。
2.如权利要求1所述的微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，根据母线电压获取逆变器自身功率匹配状态，具体方法为：
当
Figure FDA0003666512540000011
时，判断为逆变器功率不足；
当
Figure FDA0003666512540000012
时，判定为逆变器功率过剩；
当
Figure FDA0003666512540000013
时，判断为系统功率过剩；
当
Figure FDA0003666512540000014
时，判断为逆变器功率过度反灌；
当
Figure FDA0003666512540000015
时，判断为逆变器功率匹配。
其中，Ubus为直流母线电压实际值；
Figure FDA0003666512540000016
为直流母线电压参考值；
Figure FDA0003666512540000017
为直流母线电压下限阈值；
Figure FDA0003666512540000021
为直流母线电压上限阈值；
Figure FDA0003666512540000022
为直流母线电压PV限功率阈值；
Figure FDA0003666512540000023
为直流母线电压最高阈值；
Figure FDA0003666512540000024
满足
Figure FDA0003666512540000025
3.如权利要求1所述的微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，所述步骤2中，控制环通过直接调整方式或调整下垂系数方式对逆变器输出电压的频率或幅值进行调整。
4.如权利要求3所述的微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，所述步骤2中，当输出电感远远大于输出电阻时，控制环通过直接调整方式或调整下垂系数方式对逆变器输出电压的频率进行调整；
当输出电感远远小于输出电阻时，控制环通过直接调整方式或调整下垂系数方式对逆变器输出电压的幅值进行调整。
5.如权利要求3或4所述的微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，所述直接调整方式的具体方法为：
在下垂控制系统的基础上增加三个直流母线电压控制环，将下垂控制系统输出的电压频率值或电压幅值与三个直流母线电压控制环输出的电压频率调节值或电压幅值调节值的差值，作为最终执行参数对逆变器输出电压的频率或幅值进行调整；
其中，增加的三个直流母线电压控制环将
Figure FDA0003666512540000026
分别作为直流母线电压的参考值输入进控制器，输出为电压频率调节值或电压幅值调节值，其中，电压下限环输出限幅是(0,max)，max为正值；电压上限环输出限幅是(min,0)，min为负值；电压最高环输出限幅是(minTop,0)，minTop为负值。
6.如权利要求3或4所述的微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，所述调整下垂系数方式的具体方法为：
在下垂控制系统的基础上增加三个直流母线电压控制环，将下垂控制系统中的下垂系数与三个直流母线电压控制环输出的调整系数相乘，作为最终控制系数替换下垂控制系统中的下垂系数，对逆变器输出电压的频率或幅值进行调整；
其中，增加的三个直流母线电压控制环将
Figure FDA0003666512540000031
分别作为直流母线电压的参考值输入进控制器，输出为调整系数，其中，电压下限环输出限幅是(1,maxk)，maxk为大于1的正值；电压上限环输出限幅是(0,1)；电压最高环输出限幅是(0,1)。
7.如权利要求3或4所述的微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，所述调整下垂系数方式的具体方法为：
在下垂控制系统的基础上增加三个直流母线电压控制环，将下垂控制系统中的下垂系数与三个直流母线电压控制环输出的调整系数相加，作为最终控制系数替换下垂控制系统中的下垂系数，对逆变器输出电压的频率或幅值进行调整；
其中，增加的三个直流母线电压控制环将
Figure FDA0003666512540000032
分别作为直流母线电压的参考值输入进控制器，输出为调整系数，其中，电压下限环输出限幅是(0,m)，m为有功功率下垂系数；电压上限环输出限幅是(-mup,0)，mup为正值；电压最高环输出限幅是(-mTop,0)，mTop为正值，且mUp+mTop<m。
8.如权利要求1所述的微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，当系统功率过剩时，具体控制方法为：在PV电压控制环基础上增加一个直流母线电压控制环，将PV电压控制环的输出值与直流母线电压控制环的输出值较小的输出值作为最终控制值，对PV输出功率进行降低；
其中，增加的一个直流母线电压控制环将
Figure FDA0003666512540000041
作为直流母线电压的参考值输入进控制器，输出为PV输出电流参考值。
9.一种微电网中并联逆变器功率自动均衡控制系统，可执行如权利要求1-8中任一所述的微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法，其特征在于，所述微电网中并联逆变器功率自动均衡控制系统包括：光储逆变器功率变换电路、电压电流采样电路、功率开关器件驱动电路、数字控制芯片；
所述光储逆变器功率变换电路包括：PV DC/DC电路、电池DC/DC电路、直流母线、DC/AC电路，用于进行PV、电池和输出端之间功率变换、传输；
所述电压电流采样电路与光储逆变器功率变换电路电性连接，用于获取逆变器输入、输出以及直流母线电压、电流；
所述数字控制芯片与所述电压电流采样电性连接，根据所述电压电流采样电路获取的逆变器输入、输出以及直流母线电压、电流执行所述微电网中并联逆变器功率自动均衡控制方法产生驱动信号；
所述功率开关器件驱动电路与所述数字控制芯片以及光储逆变器功率变换电路电性连接，所述功率开关器件驱动电路基于驱动信号驱动所述光储逆变器功率变换电路中的继电器和功率管工作。
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