CN212463086U - 一种基于功率交互的逆变器并联装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于功率交互的逆变器并联装置，包括直流电压、逆变全桥、LC滤波单元、连线阻抗、逆变控制单元、功率交互模块以及负载，交流母线上并联N个逆变器，其中N≥2；交流母线上连接公共负载；N个逆变控制单元均连接到功率交互模块，每个逆变控制单元包括：A/D采样模块、功率计算模块、改进的下垂控制模块、参考电压生成模块、电压控制器和SPWM脉冲调制模块。本实用新型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逆变器并联装置

技术领域

本实用新型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逆变器并联装置。

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,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。有学者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。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提出一种基于功率交互的逆变器并联装置，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。

本实用新型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逆变器并联装置，其特征在于，包括直流电压、逆变全桥、LC滤波单元、连线阻抗、逆变控制单元、功率交互模块以及负载，交流母线上并联N个逆变器，其中N≥2；交流母线上连接负载，N个逆变控制单元均连接到功率交互模块，每个逆变控制单元包括：A/D采样模块、功率计算模块、改进的下垂控制模块、参考电压生成模块、电压控制器和SPWM脉冲调制模块。

逆变器接入直流电压，输出的电压电流经过A/D采样模块采样、功率计算模块计算得到无功功率和有功功率，输出到功率交互模块进行功率交互后，输入到改进的下垂控制模块，进而利用参考电压生成模块生成参考电压，通过电压控制器和SPWM脉冲调制模块，输出 SPWM波以控制逆变器。

优选的，所述功率交互模块为同相加法器，同相加法器由运算放大器A₁(型号为LM358)、电阻R₁、电阻R₂和电阻R₃构成，所述同相加法器中的电阻满足以下条件：(N+1) 个电阻R₁并联的阻值等于电阻R₂和电阻R₃并联的阻值，即R₁/(N+1)＝R₂//R₃；电阻R₁和电阻R₃的阻值满足R₁：R₃＝1：(N-1)，所述同相加法器输出的表达式为：

其中，P_com、Q_com是各并联逆变器共享有功功率和共享无功功率，P_i、Q_i是逆变器i 输出的有功和无功功率，N为并联系统中的逆变器总台数。

优选的，其特征在于，改进的下垂控制模块包括：运算放大器A₂(型号为LM358)、电阻R₄和电阻R₅、R型下垂控制模块，其中电阻R₄和电阻R₅的阻值满足关系R₄＝R₅，功率交互模块得到的共享有功功率和共享无功功率后，结合参与系数m和n通过运算放大电路得到P_Ri和Q_Ri，最终输出的P_Ri和Q_Ri传递到R型下垂控制模块，其中：

其中，m和n均为参与系数，P_Ri为逆变器i的改进R型下垂方程中的有功功率；Q_Ri为逆变器i的改进R型下垂方程中的无功功率。

优选的，所述逆变器为单相逆变器，所述单相逆变器由逆变全桥电路和LC滤波单元两部分组成，逆变全桥电路由四个IGBT功率管和反并联在功率管IGBT的EC级之间的二极管构成，LC滤波单元含滤波电感和滤波电容。

优选的，电压控制器采用电压外环和电流内环的结构。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型通过设置功率交互模块，根据有用功率P_i和无功功率Q_i，计算共享有功功率P_com、共享无功功率Q_com，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、本实用新型采用改进的下垂控制模块，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实用新型作进一步详细说明；但本实用新型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是本实用新型实施例基于功率交互的逆变器并联装置图；

图2和图3是功率交互模块的运放电路框图；

图4和图5是改进下垂模块的运放电路框图；

图6是单相逆变器电压控制原理图；

图7是传统下垂控制下输出有功和无功功率波形图；

图8是传统下垂控制下角频率和电压幅值设置值示意图；

图9是改进下垂控制下输出有功和无功功率波形图；

图10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提供一种基于功率交互的逆变器并联装置图，一种基于功率交互的逆变器并联装置，其特征在于，包括直流电压1、逆变全桥2、LC滤波单元3、连线阻抗4、逆变控制单元、功率交互模块13以及负载14，交流母线上并联N个逆变控制单元，其中N≥2；交流母线上连接负载14，N个逆变控制单元均连接到功率交互模块13，每个逆变控制单元由A/D采样模块5、功率计算模块6、改进的下垂控制模块7、参考电压生成模块8、电压控制器(电压环9、电流环10)、SPWM脉冲调制模块11组成，逆变控制单元通过CAN通讯模块12连接到功率交互模块13。

本实施例中逆变器为单相逆变器，单相逆变器由逆变全桥2和LC滤波单元3两部分组成，逆变器接入直流电压，输出的电压电流经过A/D采样模块5采样、功率计算模块6计算得到无功功率和有功功率，输出到功率交互模块13进行功率交互后，输入到改进的下垂控制模块7，进而利用参考电压生成模块8生成参考电压，通过电压控制器(电压环9、电流环10)和SPWM脉冲调制模块，输出SPWM波以控制逆变器。

如图2和图3，功率交互模块为同相加法器，同相加法器由运算放大器A₁(型号为LM358)、电阻R₁、电阻R₂和电阻R₃构成，所述同相加法器中的电阻满足以下条件：(N+1) 个电阻R₁并联的阻值等于电阻R₂和电阻R₃并联的阻值，即R₁/(N+1)＝R₂//R₃；电阻R₁和电阻R₃的阻值满足R₁：R₃＝1：(N-1)，所述同相加法器输出的表达式为：

其中，P_com、Q_com是各并联逆变器共享有功功率和共享无功功率，P_i、Q_i是逆变器i 输出的有功和无功功率，N为并联系统中的逆变器总台数。

如图4和图5，改进的下垂控制模块包括：运算放大器A₂(型号为LM358)、电阻R₄和电阻R₅、R型下垂控制模块，其中电阻R₄和电阻R₅的阻值满足关系R₄＝R₅，功率交互模块得到的共享有功功率和共享无功功率后，结合参与系数m和n通过运算放大电路得到P_Ri和Q_Ri，最终输出的P_Ri和Q_Ri传递到R型下垂控制模块，其中：

其中，m和n均为参与系数，P_Ri为逆变器i的改进R型下垂方程中的有功功率；Q_Ri为逆变器i的改进R型下垂方程中的无功功率，m和n均取值0-1。

如图6，为单相逆变器电压控制原理图，单相逆变器由逆变全桥电路和LC滤波单元两部分组成，逆变全桥电路由四个IGBT功率管和反并联在功率管IGBT的EC级之间的二极管构成，LC滤波单元含滤波电感和滤波电容，如图6，单相逆变器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，v_oi为输出电容电压，I_Li为电感电流，v_refi为下垂机制给出的参考电压，G_vc(s)和G_ic(s)分别为电压环和电流环的调节器，电压控制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。

电路中的其余模块设置均是本领域的公知常识，这里不一一列举。

下面是基于功率交互的逆变器并联装置的具体的仿真实例：

表1仿真参数

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：

三台逆变器输出的有功和无功功率波形如图7所示，下垂方程给出的参考电压幅值和角频率分别如图8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：

三台逆变器输出的有功和无功功率波形如图9所示，下垂方程给出的参考电压幅值和角频率分别如图10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实用新型，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型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，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于功率交互的逆变器并联装置，其特征在于，包括直流电压、逆变全桥、LC滤波单元、连线阻抗、逆变控制单元、功率交互模块以及负载，交流母线上并联N个逆变器，其中N≥2；交流母线上连接负载，N个逆变控制单元均连接到功率交互模块，每个逆变控制单元包括：A/D采样模块、功率计算模块、改进的下垂控制模块、参考电压生成模块、电压控制器和SPWM脉冲调制模块；

逆变器接入直流电压，输出的电压电流经过A/D采样模块采样、功率计算模块计算得到无功功率和有功功率，输出到功率交互模块进行功率交互后，输入到改进的下垂控制模块，进而利用参考电压生成模块生成参考电压，通过电压控制器和SPWM脉冲调制模块，输出SPWM波以控制逆变器。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率交互的逆变器并联装置，其特征在于，所述功率交互模块为同相加法器，同相加法器由运算放大器A₁、电阻R₁、电阻R₂和电阻R₃构成，所述同相加法器中的电阻满足以下条件：(N+1)个电阻R₁并联的阻值等于电阻R₂和电阻R₃并联的阻值，即R₁/(N+1)＝R₂//R₃；电阻R₁和电阻R₃的阻值满足R₁：R₃＝1：(N-1)，所述同相加法器输出的表达式为：

其中，P_com、Q_com是各并联逆变器共享有功功率和共享无功功率，P_i、Q_i是逆变器i输出的有功和无功功率，N为并联系统中的逆变器总台数。

3.根据权利要求2所述的一种基于功率交互的逆变器并联装置，其特征在于，改进的下垂控制模块包括：运算放大器A₂、电阻R₄和电阻R₅、R型下垂控制模块，其中电阻R₄和电阻R₅的阻值满足关系R₄＝R₅，功率交互模块得到的共享有功功率和共享无功功率后，结合参与系数m和n通过运算放大电路得到P_Ri和Q_Ri，最终输出的P_Ri和Q_Ri传递到R型下垂控制模块，输出表达式具体为：

其中，m和n均为参与系数，P_Ri为逆变器i的改进R型下垂方程中的有功功率；Q_Ri为逆变器i的改进R型下垂方程中的无功功率。

4.根据权利要求1所述的一种基于功率交互的逆变器并联装置，其特征在于，所述逆变器为单相逆变器，所述单相逆变器由逆变全桥电路和LC滤波单元两部分组成，逆变全桥电路由四个IGBT功率管和反并联在功率管IGBT的EC级之间的二极管构成，LC滤波单元含滤波电感和滤波电容。

5.根据权利要求1所述的一种基于功率交互的逆变器并联装置，其特征在于，电压控制器采用电压外环和电流内环的结构。

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