專利名稱：一種基于虛擬阻抗的微網(wǎng)逆變器電壓電流雙環(huán)下垂控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微網(wǎng)逆變器的控制方法，尤其涉及一種基于虛擬阻抗的微網(wǎng)逆變器電壓電流雙環(huán)下垂控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，基于可再生能源的微電網(wǎng)技術(shù)由于其高效、經(jīng)濟、位置靈活和分散的特點成為國家節(jié)能減排，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要組成部分。微電網(wǎng)既可以與配電網(wǎng)連接工作于并網(wǎng)模式，也可以單獨為本地負載供電，即運行于孤島模式。當微電網(wǎng)孤島運行時，逆變器的控制性能將直接影響到負載的供電質(zhì)量。其常見的控制方法一般可分為兩類。第一類是有互聯(lián)線方法，包括集中控制、主從控制、平均負載分配法等。這些方法可以達到很好的均流效果，并減小輸出電壓總諧波畸變率。然而互聯(lián)線的存在會限制系統(tǒng)的靈活性和冗余性，而且會降低微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。第二類是無互聯(lián)線方法，此類方法只依賴于各模塊自身的控制量，具有冗余性和靈活性等特點。無互聯(lián)線方法一般分為諧波注入法和下垂法。諧波注入法實際上是以電力線作為信號線，利用諧波合成和檢測方法達到有通信線的并聯(lián)效果。理論上可消除由連線阻抗大小不等引起的均流誤差，但由于諧波分量的引入，使輸出電壓畸變增大且控制較為復雜。下垂法采用交流電機中的控制思想，利用有功功率和電壓的頻率、無功功率和電壓幅值之間的對應關(guān)系來調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓參考值。然而，傳統(tǒng)下垂法有效控制的前提是線路阻抗呈感性。在微電網(wǎng)中，線路阻抗可能是呈阻性或阻感性，此時傳統(tǒng)下垂法無法實現(xiàn)有效的控制。為了解決此問題，各國學者對傳統(tǒng)下垂法進行了改進。比如，德國學者A. Engler 禾口 N. Soultanis 在 IEEE International Conference on Future Power Systems 上發(fā)表論文《Droop control in LV-grids》，文中在線路阻感比(R/X)很高的情況下，采用反下垂特性控制逆變器輸出電壓的幅值和頻率，但這種方法無法適用于阻感性連線阻抗的系統(tǒng)。當線路阻抗中的阻性成分和感性成分均不可忽略時，比利時學者Karel De Brabandere 在 IEEE Transactions on Power Electronics 上發(fā)表論文《A voltage and frequency droop control method for parallel inverters》，文中采用有功功率禾口無功功率角軍華禹的方法可以精確控制系統(tǒng)的輸出功率，但是這種方法需要精確的獲得線路中阻感比的數(shù)值。 為了減小線路阻感比對下垂控制器的影響，提高因逆變器個體差異而引起的系統(tǒng)內(nèi)阻抗不同時下垂控制器的功率分配效果，同時又避免外加均流電感引起的負面問題，西班牙學者 Guerrero 在 IEEE Transactions on Industrial Electronics 上發(fā)表的論文((Output impedance design of parallel-connected UPS inverters with wireless load-sharing control))中提出了“虛擬阻抗法”，即在逆變器的閉環(huán)控制外加入輸出阻抗調(diào)節(jié)模塊，通過虛擬阻抗來抑制阻抗差異對功率分配的影響。但是加入的感性虛擬阻抗對高次諧波會表現(xiàn)為較高的阻抗，當系統(tǒng)帶諧波含量較大的負載時，會因為虛擬電感的作用而使得輸出電壓畸變嚴重。另外，此類下垂控制一般為“功率-電壓-電流”三環(huán)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能在很大程度上由功率環(huán)參數(shù)決定，設(shè)計不當容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，尤其是線路阻抗較小的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定性會進一步惡化。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)功率下垂控制方式在線路阻抗小的情況下無法使并聯(lián)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定工作的缺點，旨在提供一種能夠在線路短、阻抗小的微電網(wǎng)中仍然維持系統(tǒng)穩(wěn)定并達到良好負載功率均分效果的并聯(lián)逆變器控制方法。微電網(wǎng)是指以太陽能、風能、燃料電池等新能源作為能量來源，通過電力電子裝置和儲能設(shè)備實現(xiàn)功率變換和靈活控制的新型電網(wǎng)。既可以在電網(wǎng)正常的情況下，與配電網(wǎng)連接并網(wǎng)運行(并網(wǎng)模式)；亦可以在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，及時與電網(wǎng)斷開，單獨為本地網(wǎng)絡負載供電(孤島模式)，以維持本地網(wǎng)絡電壓幅值頻率穩(wěn)定，保證負載可靠供電。本發(fā)明涉及的孤島運行下微電網(wǎng)中兩臺并聯(lián)運行的逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可簡化為兩臺逆變器通過各自的連線阻抗連接到公共負載上。為此本發(fā)明提出一種基于虛擬阻抗的電壓電流雙環(huán)下垂控制方法，類比傳統(tǒng)三環(huán)功率下垂控制方法，可將虛擬連線阻抗τ*(s)等效為下垂系數(shù)，將逆變器輸出電流通過虛擬連線阻抗反饋到逆變器輸出電壓參考上，使兩臺逆變器在線路短、 阻抗小的微電網(wǎng)中，自動均分負載功率。根據(jù)上面的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明控制方法的步驟如下步驟1 采用同步旋轉(zhuǎn)鎖相環(huán)對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中每臺逆變器各自的輸出電壓^ 進行鎖相，得到該逆變器輸出電壓的相位角ρ，將相位角ρ與逆變器輸出電壓參考幅值
合成逆變器輸出電壓參考信號 ζ = | / ζ^，經(jīng)拉普拉斯變換，將時域的g轉(zhuǎn)換為頻域的
K(S)，其中s為復變參量；步驟2 電壓電流雙環(huán)下垂控制；在逆變器輸出電流與逆變器參考電壓信號間串入一個逆變器虛擬連線阻抗 Zvir(s)，使逆變器等效輸出阻抗由原Z。n(s)變?yōu)閆'。n(s)，且Z'。n(s)隨所加虛擬連線阻抗變化。類比傳統(tǒng)三環(huán)功率下垂控制方法，將所述的逆變器虛擬連線阻抗ZviJs)等效為下垂系數(shù)，使逆變器輸出電流通過虛擬連線阻抗ZviJs)反饋到逆變器輸出電壓參考上，以達到并聯(lián)逆變器系統(tǒng)自動均分負載功率的目的。其過程為將逆變器輸出電流i。(S)與虛擬阻抗ZviJs)做乘法，再在逆變器輸出電壓參考￠/:(力中減去此乘積，得到的差為帶有負載功率自動調(diào)節(jié)功能的輸出電壓參考re/。步驟3 將上述帶有負載功率自動調(diào)節(jié)功能的逆變器輸出電壓參考^/—㈣與逆變器輸出電壓Un(S)的反饋信號做差后，經(jīng)過逆變器電壓環(huán)的比例諧振控制器(PR)調(diào)節(jié)得到電流環(huán)參考信號4·⑷；將電流環(huán)參考信號4·⑷與電感電流反饋信號做差后，經(jīng)過逆變器電流環(huán)的比例控制器(P)調(diào)節(jié)，得到所述逆變器的調(diào)制信號；步驟4 將步驟3得到的逆變器調(diào)制信號經(jīng)拉普拉斯逆變換得到時域的調(diào)制信號， 與載波信號比較，得到逆變器需要的PWM信號。PWM信號驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)管，最終得到所需的逆變器輸出電壓。本發(fā)明有益的效果是與有互聯(lián)線方式相比，本發(fā)明具有更高的靈活性和冗余性，且穩(wěn)定性更高。與傳統(tǒng)三環(huán)功率下垂控制方式相比，本發(fā)明所提出的電壓電流雙環(huán)下垂控制方法不僅簡化了控制系統(tǒng)，還尤其適用于線路短、阻抗小的微電網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器并聯(lián)控制，同時具有穩(wěn)定裕度大，動態(tài)性響應快，實現(xiàn)簡單等特點。
圖1是逆變器孤島運行等效電路；圖2是逆變器輸出阻抗波特圖；圖3是帶虛擬阻抗時的逆變器輸出阻抗波特圖；圖4是加入虛擬阻抗、后的逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5是電壓電流雙環(huán)下垂特性圖；圖6是帶雙環(huán)下垂控制器的并聯(lián)逆變器單元結(jié)構(gòu)圖；圖7是雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖；圖8是當Lline = 7mH時，采用傳統(tǒng)三環(huán)功率下垂控制的并聯(lián)逆變器穩(wěn)態(tài)運行波形；圖9是當Lline = 7mH時，采用電壓電流雙環(huán)下垂控制的并聯(lián)逆變器穩(wěn)態(tài)運行波形；圖10是當Lline = 3. 5及OmH時，采用電壓電流雙環(huán)下垂控制的并聯(lián)逆變器穩(wěn)態(tài)運行波形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步描述本發(fā)明。微電網(wǎng)中兩臺逆變器并聯(lián)運行的等效電路圖如圖1所示。其中每臺逆變器的輸出阻抗Ζ。ηΖζ3。η (η=1,2)與連線阻抗Ζ。ηΖ^。η (η=1,2)之和為ΖηΖ% (η=1,2)。每臺逆變器的輸出電壓分別為仏(n=l,2)，輸出電流分別為I。n(n= 1，2)，兩臺逆變器間環(huán)流為Ih，公共耦合點處的電壓為K。m Z隊。m。采用本發(fā)明控制方法的步驟如下步驟1、逆變器輸出電壓參考給定信號生成采用同步旋轉(zhuǎn)鎖相環(huán)對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中每臺逆變器各自的輸出電壓巧進行鎖相，得到該逆變器輸出電壓的相位角ρ，相位角ρ與逆變器輸出電壓參考幅值合成逆變器
輸出電壓參考信號 ζ = \Κ\Ζφ，經(jīng)拉普拉斯變換，將時域的^；轉(zhuǎn)換為頻域的f/:(力，其中S為
復變參量。步驟2、電壓電流雙環(huán)下垂控制在逆變器輸出電流與逆變器參考電壓信號間串入一個逆變器虛擬連線阻抗 Zvir(s)，使逆變器等效輸出阻抗由原Z。n(s)變?yōu)閆'。n(S)，且Z'。n(S)隨所加逆變器虛擬連線阻抗變化。類比傳統(tǒng)三環(huán)功率下垂控制方法，將所述的逆變器虛擬連線阻抗ZviJs)等效為下垂系數(shù)，使逆變器輸出電流通過虛擬連線阻抗τ*(S)反饋到逆變器輸出電壓參考上， 以達到并聯(lián)逆變器系統(tǒng)自動均分負載功率的目的。其過程為將逆變器輸出電流i。(S)與虛擬阻抗ZviJs)做乘法，再在逆變器輸出電壓參考信號￠/:(力中減去此乘積，得到的差為帶有負載功率自動調(diào)節(jié)功能的輸出電壓參考信號。電壓電流雙環(huán)下垂控制的原理如下三相電壓源逆變器在PWM線性調(diào)制范圍內(nèi)可等效為一個增益為Kpwm的比例放大器，則其輸出電壓Un (t)與調(diào)制信號Um (t)間的關(guān)系可表示為K(t) = .Um(0 = Kfwu -um(t) (1)式中Ud。為DC總線直流電壓；^i1為載波幅值；Kpwm的逆變器增益。調(diào)制信號Um (t)可以分成2部分um (t) =ur(t)-uf(t) (2)式中Ur(t)產(chǎn)生逆變器初始電壓值；uf(t)與逆變器輸出電流i。(t)成比例，可表示為uf(t) = kr · i。(t)(3)式中，uf(t)為逆變器調(diào)制信號中的擾動分量；i。(t)為逆變器輸出電流屯為擾動分量反饋系數(shù)，通常等于逆變器連線阻抗與輸出阻抗之和。將式⑶代入式O)，可得
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬阻抗的微網(wǎng)逆變器電壓電流雙環(huán)下垂控制方法，其特征在于，所述控制方法的步驟如下步驟1 采用同步旋轉(zhuǎn)鎖相環(huán)對逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中每臺逆變器各自的輸出電壓巧進行鎖相，得到所述的逆變器輸出電壓的相位角0，將此相位角識與所述的逆變器輸出電壓參考幅值|巧|合成逆變器輸出電壓參考信號^ = I仏y^，經(jīng)拉普拉斯變換，將時域的逆變器輸出電壓參考信號 ζ轉(zhuǎn)換為頻域的，其中S為復變參量；步驟2 在逆變器輸出電流與逆變器參考電壓信號間串入一個逆變器虛擬連線阻抗 Zvi ，使逆變器等效輸出阻抗由原Z。n(s)變?yōu)閆'。n(s)，且Z'。n(s)隨所加虛擬連線阻抗變化；將所述的逆變器虛擬連線阻抗Zvir (S)等效為下垂系數(shù)，使逆變器輸出電流通過虛擬連線阻抗τ*(S)反饋到逆變器輸出電壓參考上，得到修正后的帶有負載功率自動調(diào)節(jié)功能的逆變器輸出電壓參考信號re/，以達到并聯(lián)逆變器系統(tǒng)自動均分負載功率的目的；步驟3 將所述帶有負載功率自動調(diào)節(jié)功能的逆變器輸出電壓參考信號^/—㈣與逆變器輸出電壓Un(S)的反饋信號做差，并經(jīng)過逆變器電壓環(huán)的比例諧振控制器(PR)調(diào)節(jié)得到電流環(huán)參考信號‘⑷；將電流環(huán)參考信號‘⑷與電感電流反饋信號做差后，經(jīng)過逆變器電流環(huán)的比例控制器(P)調(diào)節(jié)得到所述逆變器的調(diào)制信號；步驟4 將步驟3得到的逆變器調(diào)制信號經(jīng)拉普拉斯逆變換得到時域的調(diào)制信號，與載波信號比較，得到逆變器需要的PWM信號。PWM信號驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)管，最終得到所需的逆變器輸出電壓。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于虛擬阻抗的微網(wǎng)逆變器電壓電流雙環(huán)下垂控制方法，其特征在于，所述的逆變器虛擬連線阻抗ZviJs)等效為下垂系數(shù)，將逆變器輸出電流i。(s)與虛擬阻抗ZviJs)做乘法，再在逆變器輸出電壓參考信號￠/:(力中減去所述乘積，得到帶有負載功率自動調(diào)節(jié)功能的輸出電壓參考信號，如下式所示
3.按照權(quán)利要求1所述的基于虛擬阻抗的微網(wǎng)逆變器電壓電流雙環(huán)下垂控制方法，其特征在于，所述的加入虛擬阻抗后的逆變器等效輸出阻抗Z' on(s)由以下公式計算
全文摘要
一種基于虛擬阻抗的微網(wǎng)逆變器電壓電流雙環(huán)下垂控制方法。該方法類比三環(huán)功率下垂控制，在逆變器輸出電流與逆變器參考電壓信號間串入一個逆變器虛擬連線阻抗Zvir(s)，將所述的逆變器虛擬連線阻抗Zvir(s)等效為下垂系數(shù)，使逆變器輸出電流通過虛擬連線阻抗反饋到逆變器輸出電壓參考給定上，達到并聯(lián)逆變器系統(tǒng)自動均分負載功率的目的。本發(fā)明消除了傳統(tǒng)三環(huán)功率下垂控制器對連線阻抗敏感、控制系統(tǒng)復雜的缺陷。使微電網(wǎng)中并行的分布式電源在線路短、阻抗小的情況下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)良好的功率均分效果，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，保證了負載的供電質(zhì)量。
文檔編號H02J3/38GK102510120SQ201110376388
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者關(guān)雅娟, 楊子龍, 王一波, 許洪華 申請人:中國科學院電工研究所